基于FDM的鑄模模型打印精度的研究＊

梁幼昌

（廣西現(xiàn)代職業(yè)技術學院，廣西河池547000）

1 引言

在砂型鑄造中，需要制造模型用來造型造芯，傳統(tǒng)模型一般采用木模，木模制造需要車、銑等傳統(tǒng)機加工方式來完成，其存在工藝復雜，所耗時間長，材料利用率低，木模在使用過程中受潮導致尺寸形狀不穩(wěn)定等缺點。隨著3D打印技術發(fā)明與發(fā)展，由于其具有制造快速，不受模型復雜程度影響，屬于增材制造材料利用率高等特點，在模具快速制造領域中被運用，其中利用熔融沉積3D打印技術制造砂型鑄模模型代替木模，能解決木模制造與使用中存在的問題。3D打印的模型具有制造快捷、成本低、模型尺寸穩(wěn)定、材料利用率高及耐用等優(yōu)點[1]。在砂型鑄造中，影響鑄件質量的因素很多，其中模型的表面粗糙度和尺寸精度將直接影響著鑄件尺寸精度和表面質量，所以如何選擇合理的成型工藝和3D打印參數(shù)來保證鑄模模型成型精度和表面品質就尤為重要。本文主要研究影響3D打印模型成型精度的因素，理清3D打印過程中重要的打印工藝參數(shù)與成型精度之間的關系，尋求最佳的打印工藝參數(shù)組成。

2 實驗方案

本試驗打印設備為Soon森工MakerpiM14桌面級3D打印機，采用材質為黃銅單噴頭系統(tǒng)，噴嘴直徑為φ0.4mm，打印材料用φ1.75mm絲狀PLA塑料，塑料穩(wěn)定性和表面光潔度好，材料的成型溫度為170℃～230℃，其他參數(shù)如表1所示，模型切片軟件采用Cura。圖1所示為MakerpiM14桌面級3D打印機實物，其它工具還用到螺旋測微器和游標卡尺。

圖1 MakerpiM14打印機

表1 MakerpiM14打印機規(guī)格

根據(jù)現(xiàn)有的實驗條件，利用UG設計一個帶孔圓柱體鑄件模型如圖2所示。

圖2 鑄件模型

該模型設計有外徑D=φ25mm，內徑d=φ10mm以及高度尺寸H=10mm，試驗指標設為外徑、內徑和高度尺寸的變化率，即（測量尺寸-設計尺寸）/設計尺寸，用于檢查模型沿水平方向和垂直高度方向尺寸變化的情況，尺寸的變化率越小，尺寸的打印精度就也高。熔融沉積式3D打印機在成型過程中影響制件的因素較多，比如打印支撐類型、填充密度、打印壁厚、打印厚度、打印速度、打印溫度等。經(jīng)過綜合考慮本試驗選擇“打印速度、打印壁厚、打印厚度、打印溫度”4個打印過程中重要的工藝參數(shù)進行研究，研究這些工藝參數(shù)與鑄模模型成型尺寸之間的關系。其中層厚指的是打印機每打印一層的厚度，打印速度是噴頭沿著水平面X-Y軸移動的速度，打印溫度是指噴頭加熱的溫度，打印壁厚是指模型橫向外壁厚度。

根據(jù)MakerpiM14打印機的規(guī)格分別設置打印速度A（80mm/s、60mm/s、40mm/s）、打印壁厚B（1.0mm、0.8mm、0.6mm）、打印層厚C（0.2mm、0.15mm、0.1mm）、打印溫度D（210℃、200℃、190℃），進行四因素正交實驗，各因素取3個水平，因素水平表如表2所示，按照正交試驗因素水平可以設計9種不同的打印工藝參數(shù)方案如表3所示。

表2 因素水平表

表3 成型工藝參數(shù)試驗方案

3 結果分析

模型打印出來并進行后處理的結果如圖3所示，在圓柱體上取不同點測量出外徑、內徑和高度尺寸，取多次測量的平均值，并計算出外徑、內徑和高度尺寸的變化率，其結果如表4所示。計算試驗結果極差，判斷打印速度、打印壁厚、打印厚度、打印溫度影響的主次順序，確定打印工藝參數(shù)的最優(yōu)組合。

表4 試驗結果極差Rj

圖3 打印結果

3.1 優(yōu)選水平組合

根據(jù)尺寸變化率越小越好的原則，由K值大小判斷各水平對尺寸變化率影響的大小，初步選出各指標水平最優(yōu)打印工藝參數(shù)組合。

（2）內徑尺寸。從表4中可知KA3、KB3、KC1、KD2分別為A、B、C、D因素中最小值，由此可判斷出內徑尺寸最優(yōu)水平組合為A3B3C1D2，即打印速度為40mm/s、0.6mm、0.20mm、200℃時外徑尺寸最好。

（3）高度尺寸。同理由表4可知A2為A因素最優(yōu)，B2為B因素最優(yōu)，C3為C因素最優(yōu)，D3為D因素最優(yōu)，所以高度尺寸最優(yōu)水平組合為A2B2C3D3，即打印速度為60mm/s、0.8mm、0.10mm、190℃時高度尺寸最好。

3.2 確定因素影響主次順序

根據(jù)極差R的大小，分別判斷各指標下的打印速度、打印壁厚、打印厚度、打印溫度主次順序，R值越大表明該因素水平變化對試驗指標影響越大，因素越重要。

（1）外徑尺寸。由表4RB＞RC＞RA＞RD可知各因素影響主次順序為BCAD，即打印壁厚影響最大，打印厚度和打印速度次之，打印溫度影響最小。

（2）內徑尺寸。由表4RA＞RC＞RD＞RB可知各因素影響主次順序為ACDB，即打印速度影響最大，打印厚度和打印溫度次之，打印壁厚影響最小。

（3）高度尺寸。由表4RC＞RA＞RB＞RD可知各因素影響主次順序為CABD，即打印厚影響最大，打印速度和打印壁厚次之，打印溫度影響最小。

3.3 綜合優(yōu)選工藝參數(shù)

根據(jù)各指標水平最優(yōu)打印工藝參數(shù)組合和各指標下的因素影響主次順序，綜合確定最優(yōu)工藝參數(shù)組合。對于A因素對內徑尺寸影響最大，故選A3，對于B因素對外徑尺寸影響最大，故選B2，對于C因素高度尺寸影響最大，故選C3，對于D因素內徑尺寸影響最大，故選D2，所以綜合優(yōu)選工藝參數(shù)組合為A3B2C3D2，即打印速度為40mm/s、0.8mm、0.10mm、200℃時為綜合最優(yōu)的打印工藝參數(shù)組合。

4 結語

本文利用FDM打印砂型鑄模模型，通過正交試驗研究3D打印鑄模模型尺寸精度的影響因素，從結果看打印速度、打印壁厚、打印厚度和打印溫度對尺寸都有一定的影響，采用較慢的打印速度和較小的層厚能打印出尺寸精度更高的鑄模模型，但是其打印的時間相對更長，試驗中優(yōu)選出來的打印工藝參數(shù)組合，對實際生產(chǎn)3D打印的鑄模模型具有一定的指導意義。