摘要：為了更好地提高增材制造加工技術(shù)的成型質(zhì)量和效率，研究加工工藝參數(shù)組合之間的耦合機(jī)制，以PLA耗材的FDM打印機(jī)為研究對象，在六因素三水平的正交試驗(yàn)法的基礎(chǔ)上，建立了模擬退火算法與傳統(tǒng)優(yōu)化方法相結(jié)合的18種工藝參數(shù)組合方案，并利用投影尋蹤技術(shù)的基本原理，選取了與成型效率和成型質(zhì)量相關(guān)的9個(gè)指標(biāo)，建立了增材制造工藝參數(shù)組合效率等級評價(jià)模型，完成組合效率評價(jià)，該評價(jià)結(jié)果反映了各參數(shù)指標(biāo)對方案的影響程度，能夠?yàn)橹贫üに噮?shù)的優(yōu)化組合方案提供決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：工藝參數(shù)；正交試驗(yàn)；模擬退火；投影尋蹤；組合效率評價(jià)

中圖分類號：TH140.8" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）17-0047-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.17.011

0" " 引言

增材制造是一種先進(jìn)的制造方法，其因具有設(shè)計(jì)便捷、成本低廉、材料種類豐富等特點(diǎn)，在制造領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。不同于傳統(tǒng)制造業(yè)中的車銑刨磨等方式對材料做去除操作，增材制造是一種自下而上的加工方式，其原理是將耗材以逐層累加的方式來制作三維實(shí)體[1]，整個(gè)過程輕量化設(shè)計(jì)，簡化了生產(chǎn)流程，避免了傳統(tǒng)制造的生產(chǎn)周期長、成本高等問題。

增材制造的工藝參數(shù)對其成型工藝有重要的影響。在制作工件的過程中，為了實(shí)現(xiàn)特定的工藝目標(biāo)，往往需要控制和調(diào)整各種工藝參數(shù)，通過多次試驗(yàn)和優(yōu)化，才能得到最優(yōu)參數(shù)組合。由此可見，對增材制造工藝參數(shù)之間的耦合關(guān)系展開研究，選取最佳的工藝參數(shù)組合，對于提升制件產(chǎn)品的成型質(zhì)量及效率有著重要的意義[2]。

1" " 主要設(shè)備及原材料

本研究的設(shè)備采用創(chuàng)想三維公司CT228型號的熔融沉積（FDM）打印機(jī)，原材料采用？準(zhǔn)1.75 mm的PLA塑料卷材。試驗(yàn)工件為手機(jī)支架，尺寸為30 mm×50 mm×5 mm（寬×高×厚），體積為1 529.3 mm3，表面積為7 821.9 mm2，其三維模型示意圖如圖1所示。

2" " 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用熔融沉積打印機(jī)進(jìn)行工件制作時(shí)，工藝參數(shù)設(shè)定不相同，會直接導(dǎo)致工件的成型效率和質(zhì)量存在很大差別。由于本試驗(yàn)的設(shè)備及耗材確定，故本次試驗(yàn)考慮范圍為可調(diào)節(jié)的工藝參數(shù)，如打印速度（S）、填充度（F）、層高（L）、壁厚（W）、頂層/底層厚度（TT/TB）、噴頭溫度（T）等因素，研究多種可調(diào)節(jié)工藝參數(shù)的耦合機(jī)制，對于有效保障工件成型效率和質(zhì)量具有關(guān)鍵作用。

本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)合設(shè)備性能，對設(shè)備工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，建立六因素三水平的正交試驗(yàn)表[3]，如表1所示。

3" " 投影尋蹤建模

本文采用投影尋蹤建模，這是將高維度的數(shù)據(jù)投影到低維的子空間中，進(jìn)而尋找能夠反映數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或特征的投影值，以實(shí)現(xiàn)對高維數(shù)據(jù)的研究與分析的一種方法[4]。本文增材制造工藝參數(shù)組合效率的指標(biāo)評價(jià)體系共3個(gè)層次：第1層是目標(biāo)層，為增材制造工藝參數(shù)組合效率的水平；第2層是準(zhǔn)則層，主要包括成型效率和成型質(zhì)量兩方面，其中成型效率包含打印速度、加工時(shí)間、耗材重量、耗材長度等4個(gè)指標(biāo)值，成型質(zhì)量包含填充度、層高、壁厚、頂層/底層厚度、噴頭溫度等5個(gè)指標(biāo)值；第3層是指標(biāo)層，包括上述9個(gè)指標(biāo)值。

3.1" " 評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)集歸一化處理

3.2" " 構(gòu)造投影指標(biāo)函數(shù)G（a）

3.3" " 優(yōu)化投影目標(biāo)函數(shù)

3.4" " 方案優(yōu)選

4" " 試驗(yàn)方案分析

通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，本文共選取18組參數(shù)組合方案進(jìn)行分析，并根據(jù)工藝參數(shù)組合效率的指標(biāo)評價(jià)體系，得到各個(gè)方案的評價(jià)指標(biāo)原始值，如表2所示。

4.1" " 指標(biāo)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

在選定增材制造工藝參數(shù)組合效率方案評價(jià)指標(biāo)的前提下，構(gòu)建其評價(jià)準(zhǔn)則，將準(zhǔn)則分為5個(gè)層級，分別為不合格、及格、中等、良好、優(yōu)秀。指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值確定方面，以設(shè)備參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)或現(xiàn)階段各評價(jià)指標(biāo)所能達(dá)到最高或最低極限值為標(biāo)準(zhǔn)，以指標(biāo)中的最小值作為不合格的限定值，將不合格和優(yōu)秀之間平均劃分為3個(gè)等級，作為及格、中等、良好的標(biāo)準(zhǔn)。各標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)間范圍如表3所示。表3中，j₁～j₉分別表示增材制造工藝參數(shù)組合效率的9個(gè)指標(biāo)，S₁～S₅分別表示不合格、及格、中等、良好、優(yōu)秀等5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

對各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間取右端點(diǎn)值，確定不合格的左端點(diǎn)值和優(yōu)秀的右端點(diǎn)值，這里分別取極小值的0.5倍和極大值的1.5倍，然后利用均勻隨機(jī)數(shù)在每個(gè)等級區(qū)間內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生5個(gè)值，總共構(gòu)成30個(gè)指標(biāo)樣本。利用Matlab軟件進(jìn)行編程，編寫相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)與約束指標(biāo)函數(shù)。

4.2" " 評價(jià)結(jié)果分析

5" " 結(jié)論

本文從增材制造成型效率和成型質(zhì)量兩個(gè)方面入手，采用正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案，建立增材制造工藝參數(shù)組合效率方案評價(jià)的投影尋蹤模型，對六因素三水平的18個(gè)方案進(jìn)行評價(jià)，并且按照效率方案的評價(jià)指數(shù)高低分為5個(gè)等級，評價(jià)結(jié)果得出指標(biāo)因素對于評價(jià)方案影響強(qiáng)弱程度，并且能較好地體現(xiàn)各方案評價(jià)指數(shù)以及評價(jià)等級。因此，該評價(jià)模型在增材制造工藝參數(shù)組合方案優(yōu)化方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 井石磊.FDM型3D打印機(jī)制件精度研究[J].機(jī)械管理開發(fā)，2023，38（10）：24-25.

[2] 喻永巽，張家峰，陳建武，等.基于正交實(shí)驗(yàn)法TPU材料3D打印參數(shù)的優(yōu)化[J].機(jī)電工程技術(shù)，2023，52（5）：128-130.

[3] 趙靜，魏天路，陳興強(qiáng)，等.熔融沉積3D打印PLA制件力學(xué)性能影響因素及其數(shù)學(xué)模型[J].塑料工業(yè)，2022，50（7）：91-96.

[4] 殷欣，劉小剛，張彥，等.基于投影尋蹤的云南省農(nóng)業(yè)水資源效率評價(jià)[J].水土保持通報(bào)，2013，33（5）：271-275.

[5] 金菊良，劉東平，周戎星，等.基于投影尋蹤權(quán)重優(yōu)化的水資源承載力評價(jià)模型[J].水資源保護(hù)，2021，37（3）：1-6.

收稿日期：2024-05-10

作者簡介：殷欣（1988—），男，湖北廣水人，工學(xué)碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向：智能制造與裝備、機(jī)器人技術(shù)。