基于工艺参数响应曲面的FDM 3D打印机能耗分析 - 图文

第7期2018年7月

Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technitjue

D01：10.13462/j. cnki. mmtamt. 2018.07. 039

组合机床与自动化加工技术

No. 7

Jul. 2018

文章编号：1001 -2265(2018)07 -0148 -04

基于工艺参数响应曲面刚

的CM 3D打印机能耗分析％

ah，阮丹ah，张学豪ah

!武汉科技大学a.冶金装备及其控制教育部重点实验室；h机械传动与制造工程湖北省重点实验 室，武汉

摘要：熔融沉积技术（Fused Deposition Molding，FDM)在3D打印领域应用广泛，其能耗特性尚不明 确，因此进行了 FDM 3D打印机工艺参数对能耗的影响研究。通过设计响应曲面实验，采集了 FDM 3D打印机加工过程的能耗数据。利用实验数据生成响应曲面并作降维处理，分析各个工艺参数对 能耗的变化趋势的影响，即随着热床温度的升高则能耗上升，随着打印速度、分层厚度的增大则能 耗降低。获取较低的能耗需要尽可能地减少待机和加工时间，一方面要选择合适的热床温度和喷 头温度，另一方面选择较大的打印速度和分层厚度。关键词：3D打印；熔融沉积；参数优化；响应曲面；能耗特性 中图分类号:TH166 ;TG506

文献标识码:A

王强ah，赵

A Study on the Energy Consumption of FDM 3D Printer Based on Response

Surface of Machining Parameters

WANGQianga b，ZHA0 Ganga b，RUANDana b，ZHANGXue-haoa b

(a. Key Laboratory of Metallurgical Equipment and Control Technology ， Ministry of Education； b. HubeiKey Laboratory of Mechanical Transmission and Manufacturing Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China)Abstract ： Theenergy consumption characteristics of FDM 3Dprinter was unknown. The effect of FDM 3D process parameters on energy consumption was studied. =y designing a response the energ^y consumption of tlie FDM 3D printer process was acquired. The response surface was generated and reduced the dimension on the basis of tlie experimental datas . The impact of various process parame-ters on the trend of energy consumption was analyzed ， with the increase of hot bed temperature ， the printer energy consumption increases; with the increase of printing speed and delamination thickness，the energy consumption of printer was reduced. In order to obtain lower energ^y consumption，standby time and pro-cessing time should be reduced as much as p^sil)le，on the one hand，the appropriate and nozzle temperature should be selected，on the other hand，the lag^er printing speed and thinner delami-nation thiclcnes should be chosen to reduce standby time and processing time.

Key words: 3D Printer; fused deposition modeli; parameter optimization; response surface; energy con-sumption characteristics〇

引言

3D打印技术将推动绿色制造的发展，但这项技术

生产过程本身与传统机械加工方法一样，仍具有一定程 度的污染和浪费。电能是3D打印机主要的能源消耗，工9级别的3D打印机，与传统的注塑机相比，加工相同 重量的产品，3D打印机的电力消耗更多[1]。3D打印技 术颠覆了传统的减材制造的加工方式，给制造业带来了 巨大变革，作为一项极具潜力的制造技术，除了打印速 度，质量的提升，降低加工能耗也显得尤为重要。国内各高校企业目前的研究方向主要在寻找新的 技术方法，提高3D打印机的加工速度[2]&质量[3]等方

收稿日期:2017 -08 -26;修回日期:2017 -09 -07

surf

hot

面。制造业越来越重视环境问题[4]，但就3D打印技术 而言，其加工过程中能耗、污染及浪费问题不容忽视。 国外已经有专家学者对3D打印技术的能耗进行了研 究。Luo等提出一种分析固化成形技术的环境绩效的方 法[5]。Sreenivasan和Bourell从能源消耗的角度对激光 烧结技术的可持续进行了分析[6]。Perry等研究了增材 制造方面跨平台的加工参数对能耗的影响[7]。Kellens 等获取并分析了激光烧结的功率消耗的详细数据[8]。

Morrow等对一种被称为直接金属沉积的增材制造技术

的平均能耗进行了研究[9]。此外，研究表明使用移动喷 头的材料沉积的增材制造技术，比如直接金属沉积及焊

%基金项目：国家自然科学基金面上项目（51775392);湖北省教育厅科学研究计划项目（B2016005)

作者简介:王强（1993—），男，湖北鄂州人，武汉科技大学硕士研究生，研究方向为绿色制造系统工程，（E - mail)wqwust2015= 163. cm;通讯作

者:赵刚（1976—)男，武汉人，武汉科技大学副教授，研究方向为绿色制造系统工程，系统优化与可靠性，（E-mail)Sn〇wcampuS=163.

2018年7月

王强，等：基于工艺参数响应曲面的FDM3D打印机能耗分析

? 149 ?系统的焰融效 [1。]。Baumers ^ 皎评估 种主流聚合物激 平台的电力消耗[11]。

，国内缺乏对3D打印机的 方面的研究，

国外对3D打印机 研究主要集中在激 技术，很涉及FDM技术的 研究。FDM技术成型 价格 & 用 打 靠性高，使其在三维

模型成型中得到 应用。为全 解估3D打印机工艺系统的能源 ，尤其是针对FDM加工系统的 研究，拟通过响应 法设验，并根据 据 建模 ，研究FDM3D打印工艺参数对 的影响。

1

响应曲面法

1;响应曲面法简介

文拟通过响应 法，采用多个工艺参 行

组合 ， 3D打印机 工艺参 产生的变化趋势。响应曲面法（Response surface method-ology， RSM) 种统学方法， 定量描述各影响因素对响应量的交互作用，并 通过回归方程及响应 ， 件或者 响应量。RSM已被 应用于传统机加工行业的研究， 龙门 梁截 [12]、 机工作台尺化[13]&机 的 [14]及模 高力模型研究[1&]。

在对FDM工艺参 据的处理中，RSM使用的

二

次回归方程可用

#

Performance =

! _ 丄

4 w

! ia16_ i +r ⑴

式中，I

，i$…为FDM工艺系统的工艺参 量;

Pmfopanrr为系统 的某种 指标变量，本文中主要为FDM 3D打印机系统的能耗指标；r_，6，r为需 要确定的回归方程系数。

1.2 3D打印机能耗指标的测量

FDM 3D

打印机自行搭建，

的3D成型

，这样 止一

些 及设备对打印机能

产生干扰， 观的了解3D打印机工艺参数对总的影响。该打印机主要包括机械部件、电子件 及软件， 1 。机械部件的支 制件及 件组成，传 机、皮传动组件、滚珠丝杠组件组成， 机 组件组成。电子件主要是 机控制器、 机

制器、电机 I组的。 软 件 软件为主，本次 选用Cura软件，其包含

3D 打 要

的 ， 模型 及 打 机 制图1 3D打印机总成 大 给 。启 ，待打源

件的3D模型通过切片软件生成G

-cde

， 机

读取G

-cde

制电机 器产生高 平，进而制 机的 、 机的 ，

模型的打

。

1 知，FDM 3D打印机的主要耗能元件有

机、 机、加 、 及 。 3D 打 机

的加工过程主要分为待机，预，加工，冷却4个 ，

每个 的 同，待机 是3D打印机开机后保 础元器件（ 、敏阻等）正常工作的

'预 是使打印机 加热达到设定的打印温度这一

过程的 '加工 是 模型加工时的总 ，包括基础 ， 保打印温的功率， 机、 机及 机散 扇的;FDM3D打印机散 要由打 上端的散

热器及 机的散 扇 。

根据3D打印机加工的4个阶段，其加工总能耗 为：

N = j<1+<2+<3+<4\$?d$=jP1$d$ +

[。 P$ t2 dt - ' 。 P3 t3 dt - ' 。

P4 t4 dt

(2)

中，P，P$，P3，P4分别为待机，预热，加工，冷却4个阶 的瞬时功率;<1，<2，<3，<4分别为待机，预，加工，冷

却4个 的时间;$，$，$，$4分别为待机，预，加工，冷却4个阶段各瞬时 对应的时刻。

2

响应曲面实验设计

2.1 FDM主要工艺参数的确定

在FDM快 型系统中，需要考虑的工艺参数众

多，主要有： 、嘴径、温、 温、

、填 、填方式、网格、理

的补偿量、扫描中的 值、开启 时间及关闭

时 [1%]。虽这些因素都对3D打印机的 产生一

定的影响，但在 加工中，根据产品特及打 求（精度、时）， 对 的工艺参数重新调整，并 用户的角度考虑，易 调节的参数并不多，因此选 温度、 温、打印速 、 4 个工艺参 响应 。

2.2实验设备及方案

设备选用自制FDM 3D打印机， 监测设

备为WT18。。高精度功率分析仪，能够实时监测3D打 机在工作 的 及 据， 为PLA(聚乳酸，poly lac tic acid )，打印模型为任意选取的三维模 型—— 凳。打模型及

设备

2、 3

所示。

? 150 ?

组合机床与自动化加工技术

第7期

图3 FDM 3D打印机能耗测试实验加工模型次响应 设计为四因素三水平 ，选

温度、

温

、打

& 作为实验

因素，并据每个 因素的 值，选中间值作为

水平，每个 因素选取3种水平，如表1 。选

27组工艺参数组合 ，其中1?24为因实，25?27为中心 ，以工艺参数的不同水平为自量，以FDM3D打印机的 为响应值。每组 关机，待机，预，加工过程，开机后待机30s左右 预热，加工 机30s左右后

关机，防止机时间差异过大对 的影响。为

止

温度对

的影响，每组 后，保温 温 后，

组 。

表1

影响因素的水平及编码

影响因水平热床温度I

温I 打 i分层厚度It

tmm/smm-1

60185500. 10065190600.15170

195

70

0.20

3

实验结果分析

设计及

2 。

表2 FDM 3D打印机能耗测试实验设计及结果

组别热床温度％喷头温度::2打印速度能耗）

I分层厚度I

mm/ smm

J160185600.15

244089.36270

185600.15290900.88360195

600.15250782.12470195

600.15287343.72565190500.1365785.2665190700.1347397.84765190500.2216733.68865190700.2207455.04960190600.1

343079.281070

190600.1388123.21160190600.2

2006641270

190600.2236652.121365185500.15264639.961465195500.15265945.681565185700.15255099.241665195700.15256204.081760190500.15

244436.761870

190500.15290253.6196019070

0.15230969.8820

70190700.15275676.48

续表

组别温

I

温： I打印速度I分层厚度I能耗）ttmm/s mmJ21

65185600.1353947.682265195600.1355233.62365185600.2208489.322465195600.2208707.842565190600.15251706.9626

65190600.15255234.9627

65

190

60

0.15

247782.96

通过响应 法对表2

，生反映工艺参数对

的交互作用的响应

， 4。为 观的观察工艺参数对

的交互作

用，对应的响应

维处理，

5 f

。

⑷能耗与喷头温[、分层厚度曲面图⑴能耗与打印速度、分层厚度曲面图

图4工艺参数与能耗交互作用响应曲面

热床温度（丈） 热床温度（t)

(8)能耗与热床温度、喷头温度 （h)能耗与热床温度、打印速度

降维图能耗(J) 降维图能耗(J)

热床温^ (冗） \\ 喷头温是（丈）

(2)能耗与热床温度、分层厚度 （d)能耗与喷头温度、打印速度

** 维 ( J) ******* 维 ( J)

2018 年 7月 二

王

强，等：基于工艺参数响应曲面的FDM 3D打印机能耗分析

151

喷头温if ( \ ) 打印速度（mm/min)

(〇)能耗与喷头温度、分层厚度 （M)能耗与打印速度、分层厚度

降维 （]) 降维 （])图5工艺参数与能耗交互作用降维平面 据图5a?图52 , 温的升

高加；根据5a、图5d、 5O , 温度

在 选内的减对 的影响作用不大；同理，根据 5h、 5d、 5f与图5c、图5e、图5f分别可

打 、 的大

。

6反

FDM 3D打印机在某组工艺参

机加工到关机冷却整个过程的实时

，在加工

过程中

大的

，加工时间越短，

越。 据

52 ， 温 值，分

大值，

。这是

温

值，

减少预热时间， 大值，

减加工

时间， FDM3D打印机总的

。同理，取

的 温

大的打

减少加工时

， 5

0

FDM 3D打印机

。

5

t

5~^~吞fe.

铽

5~0 1000

2000 3000t〇 h h 加工时间⑷

h U

图p

第ii组加工参数实验实时功率

在

加工中，

温

、

温

、打

及

并

毫无顾忌的选取设备的最大或者

值。FDM 3D打印机加工时， 温过低，会导致翅

'温过高， 过大，相对 3D打印机总的 过高，会著影响到总 。 温太低，会导致丝 ，影响打印;温过高，会

散 导致丝材过 ，粘在 内部，发生堵塞。采用 的打 ，都够提高模型的加工质量， 用大的打(3D打印机自身 允许的条件下）， 减加工时间， 加工 。就目前 来看，要减少FDM 3D打印机能耗，需要减少3D打印机的基础

和加工时间，除选择合适的工艺参数，其措施有:

3D打印机在设 工艺系统时，采用 的热

、机;编程时， 的缩

的

路径，减少

程;加工时， 减少3D打印机的待机时间及

的保温时间。

4

通过响应 法建立了 FDM 3D打印机关于工艺

参数的 模型，研究 温度、 温、打

：

及

对3D打印机 的影响，要

的3D打印机

，一方选择较合适的

温度

温度，减少加

的工作时间;另一方选择

大的打

，

缩加工时间。热

加热棒

在3D打印机总 中 ，很大，设时应当 减

机及

系统

'加

工时，减

机时间、保温时间及 程。

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(编辑李秀敏）