基于响应面法的ABS-FDM多轴增减材工艺优化

Optimization of ABS-FDM Multi Axial Additive-subtractive Manufacturing Process Based on Response Surface Method

摘要

针对熔融沉积成型（FDM）丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）制件层间结合弱以及各向异性显著的问题，提出一种多轴增减材协同工艺优化方法。基于单因素预实验与响应面法（Box-Behnken设计），系统研究打印层厚（0.10~0.20 mm）、打印温度（210~230 ℃）、填充密度（60%~100%）及侧面减材方式（逐层或整体）对拉伸强度的交互影响机制。结果表明：填充密度为主导因子，在单因素实验中，当填充密度为100%时，制件的拉伸强度达35.7 MPa；在打印层厚为0.20 mm且填充密度为80%的情况下，采用逐层减材相较整体减材，制件的拉伸强度提升18.7%；当打印层厚从0.10 mm增至0.20 mm时，制件的拉伸强度降低7.4 MPa，降幅为20.1%。优化参数组合（打印层厚0.10 mm、打印温度220 ℃、填充密度100%、逐层减材）能够使制件的拉伸强度达42.9 MPa，相较传统FDM工艺提升25.4%，同时制件的表面粗糙度降至6.5 μm，降幅为54.2%。验证试验的结果证实了该优化模型的可靠性。

Abstract

Aiming at the problems of weak interlayer bonding and significant anisotropy in fused deposition modeling (FDM) acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) parts, a multi-axis additive-subtractive hybrid process optimization method is proposed. Based on single-factor pre-experiments and response surface methodology (Box-Behnken design), the interactive effects of printing layer thickness (0.10~0.20 mm), printing temperature (210~230 ℃), infill density (60%~100%), and side subtractive method (layer-by-layer or whole) on tensile strength were systematically studied. The results show that the infill density is the dominant factor. In single-factor experiments, when the infill density is 100%, the tensile strength of the part reaches 35.7 MPa. When the printing layer thickness is 0.20 mm and the infill density is 80%, the tensile strength of the part increases by 18.7% using the layer-by-layer subtractive method compared with the whole subtractive method. When the printing layer thickness increases from 0.10 mm to 0.20 mm, the tensile strength of the part decreases by 7.4 MPa, with a reduction of 20.1%. The optimized parameter combination (printing layer thickness of 0.10 mm, printing temperature of 220 ℃, infill density of 100%, and layer-by-layer subtractive method) can increase the tensile strength of the part to 42.9 MPa, which is 25.4% higher than that of the traditional FDM process. Meanwhile, the surface roughness of the part is reduced to 6.5 µm, with a reduction of 54.2%. The results of the verification experiment confirmed the reliability of the optimization model.

Graphical abstract

关键词

增减材复合制造 / 响应面法 / 熔融沉积成型 / 拉伸强度 / 工艺优化

Key words

Hybrid additive-subtractive manufacturing / Response surface method / Fused deposition modeling / Tensile strength / Process optimization

增材制造(AM)中的熔融沉积成型(FDM)技术是推动现代制造业变革的重要力量^[1-2]。FDM技术因其较低的成本和较高的设计自由度，被广泛应用于复杂结构制造，但传统FDM工艺存在层间结合弱、各向异性显著等缺陷^[3-5]。三轴增减材协同技术能够通过动态路径规划与铣削有效改善表面质量并提升力学性能^[6]。

研究人员围绕FDM工艺参数优化开展大量研究，但将增材与减材结合的相关研究较少。杨亮等^[7]针对FDM打印丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)制件表面粗糙度达到11.00 μm的缺陷，采用超声振动车削进行后处理，通过正交试验优选切削参数发现进给量的影响最大，在最优条件下，制件的粗糙度降至1.21 μm，显著改善了层间撕裂与阶梯效应，该研究验证了增减材复合工艺提升表面质量的有效性。彭二宝等^[8]将双喷头FDM打印机右喷头改造为数控铣削，通过切片软件自动生成增减材复合G代码，逐层打印并精铣零件侧壁，解决了FDM薄壁件表面阶梯效应问题，使零件表面粗糙度得到改善，实现自动高效的复合加工。LORENZONI等^[9]研究压缩空气冷却对聚乳酸(PLA)3D打印件精铣的影响，解决了热致表面劣化与切削力不稳定问题，发现在常温干铣的切削状态下，零件表面粗糙度最优达1.24 μm，虽然空气冷却使温度降低20 ℃，但未能进一步提升制件的表面质量，金属切削力模型适用于PLA。GUO等^[10]研究FDM打印聚醚醚酮(PEEK)/碳纤维-聚醚醚酮(CF-PEEK)材质的干式精铣工艺，解决了阶梯效应导致的表面粗糙问题，指出+45°/-45°取向、薄层厚度及小切深/进给可显著提升制件的表面质量。CARTA等^[11]通过调整数控后处理改善了FDM打印件表面粗糙度并解决了打印件层纹明显和精度不足问题，指出合理选择切削参数与冷却策略可使粗糙度降低90%以上，并提升尺寸精度，该研究为FDM精密制造提供了工艺指导。

ABS材料因其优异的力学性能与耐冲击性成为FDM技术的常用材料，但其拉伸强度受工艺参数影响较为显著^[12-13]。现有研究多聚焦单一参数优化，较少涉及增减材多轴复合工艺的系统分析^[14]。因此，本研究结合单因素预实验与响应面法，揭示FDM增减材工艺中多参数交互效应对拉伸强度的影响机制，旨在为相关领域研究提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)，线材，苏州聚复高分子材料有限公司。表1为ABS材料的基本参数。

1.2 仪器与设备

八轴五联动增减材复合3D打印机，KW-MK-0，广东银纳增材制造技术有限公司；电子万能拉伸试验机，RGM6100，深圳市瑞格尔仪器有限公司；白光干涉仪，Leica DCM8，德国徕卡公司。图1为八轴五联动增减材复合3D打印机。从图1可以看出，该设备左侧通过主轴旋转实现切削加工，右侧为FDM打印喷头，中间圆形工作台移动可实现增材或减材工艺切换，工作台可实现2个自由度的旋转或固定。

1.3 样品制备

使用Siemens NX软件完成拉伸试件三维设计和后续加工样件多轴程序编制。参考GB/T 1040.1—2018，试件为I型哑铃形，图2为拉伸试样的形状与尺寸。将试件模型通过.stl格式文件导入Cure软件进行切片。增材阶段条件为：固定打印参数喷嘴直径0.4 mm、加热板温度110 ℃、打印速度30~60 mm/s。按预设参数(打印层厚、打印温度、填充密度)进行逐层打印。减材阶段条件为：Φ6 mm平底铣刀、主轴转速8 000 r/min、侧面余量1.5 mm、切削深度0.1 mm(逐层减材)、进给速度400 mm/min，最后使用增减材制备试件。图3为侧面减材模式。

1.4 性能测试与表征

拉伸试验：成形及加工结束后，将试件安装在拉伸试验机上，拉伸速率为5 mm/min，对试件强度进行测试。

2 结果与讨论

2.1 单因素预试验

表2为单因素预试验设计。参考表2控制单一变量，进行单因素预试验，筛选显著参数范围^[15]。

2.1.1 打印层厚对拉伸强度的影响

打印层厚作为关键成形参数，通过调控层间熔合状态显著影响结构完整性，直接影响层间熔合质量，打印件强度与成形效率^[16]。图4为打印层厚对拉伸强度的影响。从图4可以看出，拉伸强度随层厚的增加呈单调递减趋势。在0.10 mm打印层厚实现峰值强度(36.8 MPa)；在0.20 mm打印层厚达到熔合缺陷临界阈值，出现陡降。

2.1.2 打印温度对拉伸强度的影响

打印温度通过调控ABS材料流变性显著影响层间结合质量和力学性能^[17-18]。图5为打印温度对拉伸强度的影响。从图5可以看出，拉伸强度随打印温度的升高呈非单调变化。正向响应区间(200~220 ℃)：拉伸强度从200 ℃的20.2 MPa升至220 ℃的峰值34.2 MPa，增幅为69.3%，这是因为打印温度升高导致熔体黏度降低，促进了分子链扩散与结晶完善。负向响应区间(220~240 ℃)：拉伸强度从峰值持续降至240 ℃的26.8 MPa，降幅为21.6%，这是因为过热引发聚合物热降解。以上研究结果表明，随着温度增加，拉伸强度先增加后下降，工艺安全窗口在200~220 ℃之间，打印温度超过230 ℃将导致拉伸强度加速陡降。

2.1.3 填充密度对拉伸强度的影响

填充密度通过调控材料空间分布状态主导承载能力，从而影响打印件结构的形变规律^[19-20]。图6为填充密度对拉伸强度的影响。从图6可以看出，拉伸强度随填充密度的增加呈近线性增长。在低密度区间(20%~60%)：拉伸强度从22.3 MPa升至32.2 MPa，增幅为44.4%，这归因于内部孔隙率降低，应力集中源减少。高密度强化区间(60%~100%)：拉伸强度从32.2 MPa跃升至35.7 MPa，增幅为10.9%，这是因为高填充密度形成了连续承载网络，显著提升有效承载截面面积。

拉伸强度随着填充密度的增加而上升，当填充密度由20%增加至60%时，拉伸强度增长率提升较快，当填充密度由60%增加至100%时，拉伸强度增长率提升相对趋缓，当填充密度为100%时，拉伸强度为35.7 MPa，实现峰值拉伸强度，但这也会导致打印时间显著增加和材料浪费。因此，打印参数选择需要权衡利弊。

2.1.4 减材方式对拉伸强度的影响

减材工艺能够去除增材产生的表面阶梯效应，在一定程度上影响打印件的力学性能和表面残留应力^[21-23]。图7为减材方式对拉伸强度的影响。从图7可以看出，逐层减材试样的拉伸强度(35.15 MPa)较整体减材试样的拉伸强度(29.62 MPa)显著提升18.7%。

单因素试验研究发现，在零件打印完成后使用铣刀进行逐层减材铣削，且切削深度设定为0.1 mm，能够有效消除层间台阶效应，提升表面粗糙度。当采用整体减材铣削且切削量较大时，容易导致切削热上升。这种热量的增加会使高分子材料融化粘在刀具的前刀面，形成积屑瘤。积屑瘤的不规则形成与脱落，会造成被加工表面撕裂，影响表面粗糙度和削弱层间的结合力。

2.2 响应曲面试验

2.2.1 响应模型的建立及分析

采用响应曲面试验设计方法研究各因数间作用以及对拉伸强度影响，并对相关参数进行优化。基于单因素试验结果，选择打印层厚为0.10、0.15、0.20 mm，打印温度为210、220、230 ℃，填充密度为60%、80%和100%，侧面减材方式为逐层减材和整体减材，运用Box-Behnken设计原理进行试验设计^[14]。选取打印层厚(A)、打印温度(B)、填充密度(C)和减材方式(D)4个因素，其中D为二分类变量(逐层减材编码为-1，整体减材编码为+1)，其他参数为连续变量，进行四因素三水平(3连续+1分类)的回归试验。表3为响应曲面设计因素水平和编码，表4为试件测量结果。

采用Design-Expert软件对试验数据进行分析，得出回归方程(以编码制表示，其中Y为拉伸强度)：Y=34.08-2.86A+1.39B+4.59C-3.38D-0.025 0AB-0.062 5AC+0.543 7AD-0.112 5BC+0.031 2BD-0.300 0CD-2.38A²-0.502 5B²+1.76C²-0.100 0ABD-0.037 5ACD+0.137 5BCD+0.502 5A²D-0.297 5 B²D+1.16C²D。

通过方差分析和显著性检验，可以检验二次多项式回归模型的显著性。表5为模型回归方差分析结果。从表5可以看出，回归模型F值为117.180 0，P0.000 1，说明影响显著；失拟项P=0.069 80.05，说明在统计学上有效。决定系数R²为0.993 8，模型的预测能力极佳，修正决定系数R_Adj²为0.985 3，说明模型拟合度良好。

回归系数的绝对值反映因素单位变化对拉伸强度的量化影响幅度，而显著性(P值)表明影响的统计可靠性。回归方程AC交互项系数较小且不显著，表明打印层厚与填充密度的交互效应可忽略；而B项系数虽小于A项，但其显著性高(P0.000 1)，证实打印温度对拉伸强度的影响稳定存在。

2.2.2 主效应分析

图8为主效应分析结果。

从图8a可以看出，打印层厚(A)和拉伸强度呈现显著负相关，回归系数为-2.86，P0.000 1，当层厚从0.10 mm增至0.20 mm时，拉伸强度由36.8 MPa线性降至29.4 MPa，降幅为20.1%。这表明薄层打印能够提升层间结合质量，减少内部缺陷，从而增强材料整体性能。

从图8b可以看出，打印温度(B)和拉伸强度呈现显著正相关，回归系数为1.39，P0.000 1，在打印温度为230 ℃时，拉伸强度达到峰值39.2 MPa，相较210 ℃时提升10.2%。这是因为熔体流变性优化促进了分子扩散；但B²对拉伸强度影响显著(P=0.033 0)，表明打印温度超过230 ℃将引发降解。

从图8c可以看出，填充密度(C)和拉伸强度呈现最强正向效应，回归系数为4.59，P0.000 1，100%填充时，拉伸强度达43.7 MPa，相较60%填充时提升34.4%。这表明高填充密度能够有效减少内部孔隙缺陷，提升材料承载连续性。

从图8d可以看出，减材方式(D)中逐层减材具有显著优势，回归系数为-3.38，P0.000 1。逐层减材能够通过分阶段铣削使表面粗糙度降低43%。结果证明，减材工艺对结构完整性有决定性影响，逐层减材铣削更利于保留增材制造的层间结合优势。

2.2.3 交互效应分析

图9为因素间的交互作用。

从图9a可以看出，打印层厚与减材策略的交互效应显著(P=0.003 3)。当采用整体减材时，打印层厚从0.10 mm增至0.20 mm时，拉伸强度从30.5 MPa 下降至25.3 MPa，降幅为，降幅为17.0%；而采用逐层减材时，同等打印层厚增加仅使强度从33.2 MPa下降至29.4 MPa，降幅为11.4%。这表明打印层材料间结合度较好情况下，逐层减材能够进一步缓解打印层的熔合缺陷改善表面粗糙度，说明打印层厚对样件拉伸强度的影响大于减材方式。

从图9b可以看出，填充密度与减材策略存在趋势性交互影响(P=0.072 0)。填充密度为60%时，逐层减材较整体减材拉伸强度提升18.7%；填充密度为100%时，逐层减材较整体减材拉伸强度提升12.3%。当填充密度为60%~100%时，填充密度与减材策略对拉伸强度的影响趋势曲线较为接近。

此外，固定打印温度为220 ℃，从图9c可以看出，在逐层减材时，高填充密度(100%)与薄层(0.10 mm)组合形成高强度区(40 MPa)；从图9d可以看出，整体减材时，该高强度区明显收缩，且在低填充密度区出现强度塌陷(30 MPa)。

2.2.4 响应曲面优化及模型验证

通过优化得到最佳工艺参数为：打印温度219.02 ℃、打印层厚0.127 mm、填充密度99.727%、减材方式逐层铣削。预测拉伸强度43.717 MPa。为便于试验，选取打印温度220 ℃、打印层厚0.10 mm、填充密度100%、减材方式逐层铣削。

图10为增减材复合加工样件，增材完成后样件侧壁明显较为粗糙。从图10可以看出，经过减材铣削加工后样件侧壁表面粗糙度得到明显改善。

经3次验证试验，并与传统FDM工艺对比，得到如表6所示的最佳工艺条件及验证结果。从表6可以看出，ABS材料制件拉伸强度42.9 MPa，试验结果与预测值43.717 MPa基本吻合，偏差为1.9%。较传统FDM工艺提升25.4%，表面粗糙度从14.2 μm降至6.5 μm，降幅为54.2%。

3 结论

本研究结合单因素预实验与响应面法，揭示了增减材协同工艺中打印层厚(A)、打印温度(B)、填充密度(C)及减材策略(D)对ABS拉伸强度的影响机制。主要结论如下：(1)填充密度(C)为主导因子，单因素预实验中100%填充时强度达35.7 MPa；经多参数优化后，拉伸强度进一步提升至42.9 MPa。(2)侧面逐层减材策略(D)改善力学性能：固定打印层厚0.20 mm与80%填充时，拉伸强度较整体减材提升18.67%；交互分析表明，样件在层间结合度较好情况下，逐层减材能够改善样件表面粗糙度和层间融合缺陷提升样件拉伸强度。(3)填充密度与减材策略存在协同效应：低填充密度(60%)时，逐层减材较整体减材强度提升18.7%；高填充(100%)时提升率略降至12.3%，60%~100%填充区间内，填充密度与减材策略对拉伸强度的影响趋势曲线较为接近。(4)优化参数组合(打印层厚0.10 mm、打印温度220 ℃、填充密度100%、逐层减材)使拉伸强度达42.9 MPa，较传统FDM工艺提升25.4%，表面粗糙度从14.2 μm降至6.5 μm，降幅为54.2%。该方法为高性能聚合物增减材复合制造提供有效优化路径。未来需深化高分子材料多轴增减材复合工艺路径规划、支撑设计与残余应力协同影响机制研究，推动增减材复合制造工艺在更大范围应用和发展。

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基金资助

广东省普通高校创新团队项目（自然科学）(2023KCXTDO80)

广东省人力资源和社会保障厅广东省技工教育和职业培训省级课题(KT2023032)