吴凯田国强*高森森许小奎曾光
(郑州航空工业管理学院机械工程学院,河南郑州,450046)
摘要:以聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4环己烷二甲醇酯(PETG)丝材为对象,研究了层厚、填充密度、填充图案对PETG制件尺寸精度的影响。通过正交试验及灰色关联分析确定了最优工艺参数组合:层厚0.20mm,填充率30%和填充方式为直线。
关键词:熔融沉积成型聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4环己烷二甲醇酯正交试验精度灰色关联分析
熔融沉积(FDM)成型是将具有热熔性丝状材料加热至熔化状态,通过喷嘴依模型轮廓喷挤在工作台上,逐层堆积成三维实体零件的一种3D打印技术[1-2]。该技术具备成本低、操作简单方便等特点,已在航空、汽车、生物医疗、文化艺术等领域得到广泛应用。
FDM成型材料为热塑性高分子丝材,主要有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚乳酸(PLA)两大类,其制件耐温性较差,易老化,力学性能衰减明显。聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4环己烷二甲醇酯(PETG)具有较高的强度、良好加工性以及透光、无毒、环保等优良性能[3]。采用PETG材料进行FDM打印,不仅能克服PLA打印材料的韧性不足问题,还能克服ABS材料打印过程易收缩,打印产品尺寸稳定性不佳等问题[4],已被用于制造机械零件、电子外壳、食品包装、医疗包装等产品[5-6]。下面研究了关键打印参数对PETG制件成型精度的影响,为PETG制件成型精度的控制提供数据参考。
1试验部分
1.1原材料
PETG丝材,直径1.75mm,透明色,深圳拓竹科技有限公司。
1.2仪器及设备
3D打印机,BambuLabP1S,BambuLab深圳拓竹科技有限公司;数显游标卡尺,K101301型,精度为0.01mm,量程为0~100mm,成都成量工具集团有限公司。
1.3正交试验设计及试样制备
设计尺寸50mm×50mm×10mm试件,如图1所示。
图1FDM打印制备的试验样件实物
选用了关键打印参数层厚(A)、填充密度(B)以及填充图案(C),并根据其材料特性,确定各因素的水平(如表1所示)。根据参数和水平的设计出正交试验方案L9(33),如表2所示。
由于打印机中心XY结构,打印制件在X方向和Y方向的成形效果几乎相同,因此,测量和分析制件尺寸精度时,只考虑两个成型方向的尺寸即水平方向(H)和垂直方向(V)。测量试件尺寸每个方向均测量四次,取平均值,计算平均值与设计尺寸之差的绝对误差,再求得绝对误差占设计尺寸的百分比得到误差率。
1.4PETG制件制备与检测
采用优化工艺参数打印PETG制件(螺栓测量器),并进行螺栓规格的区分辨别,检测优化的FDM工艺参数PETG制件尺寸。
2结果与讨论
2.1正交试验结果
制件尺寸误差率如表2所示,水平方向和垂直方向误差率分别由H和V表示。
由表2可知,水平方向上误差率最小为第4组,误差率0.78%,水平方向上误差率最大为第9组,误差率0.96%;垂直方向上误差率最小为第8组,误差率0.10%,而水平方向上误差率最大为第3组,误差率1.09%。
2.2极差分析
水平方向和垂直方向的尺寸误差率的极差分析结果见表3。表中kj表示因素在j水平时的尺寸误差率均值,R为极差值。kj值越小,则说明制件精度越高;R越大,因素对制件尺寸精度的影响就越大。
由表3可知,对于制件水平成型方向,最佳打印参数为A2B1C2,即层厚为0.20mm,填充密度为30%,填充图案为三角形;在垂直成型方向上,最佳打印参数为A3B1C1,即层厚为0.25mm,填充密度为30%,填充图案为直线。在水平成型方向上,因素A、B、C的极差值分别为0.032,0.110和0.084,即B>C>A,表示三因素对PETG制件水平方向成型的尺寸精度影响大小顺序为填充率、填充方式、层厚;在垂直成型方向上,因素A,B,C的极差值分别为0.185,0.436,0.423,B>C>A,与水平方向相同,因素对PETG制件垂直方向成型的尺寸精度影响大小顺序为填充率、填充方式、层厚。
2.3灰色关联综合分析
PETG制件尺寸精度单个成型方向的评价并不能反映出PETG制件的整体尺寸精度。与一些传统的统计方法相比,灰色关联分析不依赖于数据的分布假设,也不需要对数据进行过多的假设检验,充分利用白化信息,减少了对数据分布和假设的主观性假设,更加客观和直观,在多项指标参数优化的试验中得到广泛应用[7]。本研究引入灰色关联分析,计算步骤如下:
1)无量纲化处理
无量纲化处理使各个指标都具备相同的量纲或数量级,并采用望小特性公式处理试验数据。
公式1
式(1)中,xij为生成序列,yij为指标序列。
2)灰色关联系数
无量纲化处理之后,指标值均被量化为0~1之间,因采用的望小特性,所以选择0为参考序列,即X0=(x01,x02,…x0i,…,x0n)=(0,0,…,0,…,0)(0≤x0i≤1,1≤i≤n),灰色关联系数λ计算公式如下:
公式2
式(2)中,Δij=x0j-xij ;ξ为分辨系数,一般取值0.5;Δmin=min{Δij},Δmax=max{Δij}(i=1,2,…,9;j=1,2,3).
3)灰关联度
灰色关联系数计算求得之后,灰色关联度Γ的计算公式如下:
公式3
式(3)中,wj为指标的权重系数,一般根据实际问题决定,指标权重系数之和等于1[8],即。此次试验指标中水平方向和垂直方向的权重系数分别取0.5。
灰色关联度结果见表4。其中,灰色关联度越高表明研究对象越接近最优。第4组试验的灰色关联度Γ值最大(0.82),说明第4组试验是9组正交试验中综合尺寸精度最优的;第3组试验的灰色关联度Γ值最小(0.40),表明其是综合尺寸精度最差的。
4)灰色关联分析
对表4中的灰色关联度进行极差分析,得到灰色关联度极差表5,由表5可知灰关联度极差分析结果得到因素A、B、C的极差值分别为0.055,0.283,0.071,因此各因素对PETG制件综合尺寸精度的影响主次顺序:填充率>填充方式>层厚;最优工艺参数组合为A2B1C1,即层厚0.20mm,填充率30%和填充方式为直线。
由表5可知,随着层厚增加,制件尺寸精度呈先升高后下降的趋势,这是由于挤出流量一定时,层厚太小挤出机挤压出丝材被挤压得越扁,导致最终制件与设计件尺寸出现偏差;层厚太大,丝材之间粘连会有一定的缺陷,从而使得成型件一些部位精度降低;相比其他层厚,0.20mm层厚可更好地控制制件尺寸精度。随填充率增加,制件尺寸精度反而呈下降趋势。这是因为打印环境温度要高于室温,填充率越高,制件储存的热量越高,制件打印完成后,放置室温自然冷却过程中制件发生热胀冷缩导致。关于填充方式,直线填充和三角形填充对制件尺寸精度影响相似,立方体填充尺寸误差较大。相同填充率下,立方体填充制件在冷却过程中,丝材交互更多,其内应力更大,冷却收缩导致制件尺寸精度更差。
2.4验证试验
按照最优工艺参数组合A2B1C1制件,测量结果为水平方向尺寸误差率0.59%,垂直方向尺寸误差率0.04%,相较于正交试验设计中尺寸精度最高的第4组(水平方向尺寸误差率0.78%,垂直方向尺寸误差率0.41%),有明显的改善。
2.5实例制造
以工业生成中常用的螺栓测量器为对象,进行3D打印(A2B1C1)实例制造与检测(图2)。利用3D打印的螺栓测量器,实现了6mm×50mm规格螺栓的螺纹长度和公称直径的快速检验,从而指导设备装配过程中螺栓规格的快速区分和辨别。该实例表明,优化FDM打印工艺参数组合具有较好应用价值。
图2 3D打印的螺栓测量器与检测
3结论
a)通过正交试验极差分析得到了层厚A、填充密度B、填充方式C三个因素对PETG制件水平和垂直两个成型方向上尺寸精度影响主次顺序和最优工艺参数。水平方向上影响尺寸精度的主次顺序为B>C>A,最优工艺参数组合为A2B1C2;垂直方向上影响尺寸精度的主次顺序为B>C>A,最优工艺参数组合为A3B1C1。
b)运用灰色关联分析法与极差分析结合,确定了三因素对PETG制件综合尺寸精度影响主次顺序为填充率>填充方式>层厚,最优工艺参数组合A2B1C1,即层厚0.20mm、填充率为30%、填充方式为直线。
c)优化工艺参数组合具有较好应用价值。
参考文献
[1] 李攀 , 陈荣 ,王浩然 ,等 . 基于 FDM 的 PP/GF3D打印材料性 能研究[J] . 现代塑料加工应用 ,2024,36(3) :9-11,26.
[2] 於天鹏 ,江晓泽 . 聚醚醚酮的 FDM工艺参数与结晶行为研究 [J] . 现代塑料加工应用 ,2020,32(3) :23-25.
[3] KUMAR R, SHARMA H , SARAN C, etal. A comparative study on the life cycle assessment of a 3D printed product with PLA, ABS & PETG materials[J] . Procedia CIRP, 2022, 107:15-20.
[4] 乔雯钰 ,王晨蕾 ,胡浩 . FDM 用 PETG 系列耗材的改性研 究 [J] . 中国塑料 ,2020,34(10) :24-31.
[5] MANUEL J M , DOLORES M R L, ELENA M , et al. Experimental and numerical analysis for the mechanical characterization ofPETG polymers manufactured with FDM technology under pure uniaxial compression stress states for architectural applications. [J] . Polymers, 2020, 12( 10) : 2202-2202.
[6] KUMARESAN R, SAMYKANO M , KADIRGAMA K, et al. Effects of printing parameters on the mechanical characteristics and mathematical modeling of FDM-printed PETG [ J ] . The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2023, 128(7/8) : 3471-3489.
[7] 白永健, 陈赟,张思,等 .熔融沉积成型3D打印拉丝缺陷的正交试验研究 [J] . 浙江大学学报(工学版) , 2022, 56(10) : 2093-2103.
[8] 周石林 ,张秀芬 . 尼龙线材 FDM 成型质量优化研究[J] . 塑料 工业 ,2023,51(2) :100-106.
玻纤含量对长玻纤...
钙钛矿薄膜的均匀...
用于光伏板静电除...
聚砜医疗干粉吸入...
