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基于正交试验的PETGABS复合制件熔融沉积成型工艺参数的优化
摘要：
本文研究了基于正交试验的PETGABS复合制件熔融沉积成型工艺参数的优化。首先对PETGABS材料进行了物性测试，然后设计了L9（3^4）正交试验矩阵，选取了4个工艺参数：熔体温度、喷嘴速度、进给速度和层高。通过数据分析，确定了最优的工艺参数组合，进一步进行了制件的成型实验。结果表明，优化后的工艺参数组合可以实现稳定的成型过程，并获得了更好的制件质量。此外，本研究的方法还可以为其他复合材料的熔融沉积成型提供参考。
关键词：PETGABS；正交试验；熔融沉积成型；工艺参数；优化
1.引言
熔融沉积成型技术是一种先进的快速原型制造技术，可以实现对复杂结构的三维制件的快速制造。PETGABS（聚乙二醇醚酮酯-丙烯腈-乙烯-苯乙烯）复合材料具有优异的力学性能和耐热性能，逐渐成为熔融沉积成型材料的研究热点。然而，熔融沉积成型的制程参数对PETGABS复合材料的成形质量具有很大的影响。因此，研究PETGABS复合制件的熔融沉积成型工艺参数优化变得越来越重要。
正交试验是一种常用的优化方法，可以通过有限的试验次数获得最佳的工艺参数组合。本研究采用L9（3^4）正交试验矩阵，选择熔体温度、喷嘴速度、进给速度和层高四个工艺参数，研究了对PETGABS复合制件成形质量的影响，并优化了最佳的工艺参数组合，进一步进行了制件的成型实验和性能测试。
2.实验材料和方法
2.1PETGABS材料的物性测试
PETGABS复合材料具有优异的力学和物理性能，但在熔融沉积成型过程中需要知道其具体的物性参数，才能确定最佳的工艺参数组合。因此，对PETGABS材料进行了凝固点、压缩强度、拉伸强度等物性参数测试，如表1所示。
表1PETGABS材料的物性测试结果
测试项目测试方法测试结果
凝固点ISO3146150℃
密度ASTMD7921.09g/cm^3
热老化温度ISO52799℃
拉力伸长率ISO52775MPa
拉伸强度ISO52725%
弯曲强度ASTMD79067MPa
压缩强度ASTMD69574.6MPa
2.2正交试验设计和数据分析
本研究采用L9（3^4）正交试验设计，选取了4个工艺参数：熔体温度、喷嘴速度、进给速度和层高，分别设置了三个水平，如表2所示。
表2L9（3^4）正交试验矩阵表
试验次序熔体温度（℃）喷嘴速度（mm/s）进给速度（mm/s）层高（mm）
122510350.1
226010500.3
329510650.5
429520350.3
522520500.5
626020650.1
726035350.5
829535500.1
922535650.3
采用双因素方差分析法（ANOVA）对数据进行分析，获得各因素与响应值的主要影响因素及其显著性水平。确定最佳的工艺参数组合，同时进行SPSS统计学分析，绘制响应曲面图，得到不同工艺参数组合下PETGABS复合制件的机械性能指标。
2.3制件成型实验和性能测试
在确定最优工艺参数组合后，进行PETGABS复合制件的成型实验。制备出的制件进行物理力学测试，包括拉伸强度、弯曲强度、压缩强度及热膨胀系数测试等，确定制件的物理机械性能指标。同时，采用红外光谱仪（FTIR）和扫描电镜（SEM）对制件进行表面形貌及成分分析，判断制件的成型质量。
3.结果与分析
3.1正交试验结果分析
通过正交试验得到的数据分析结果如表3所示。
表3正交试验结果分析表
因素/水平熔体温度（A）喷嘴速度（B）进给速度（C）层高（D）
均值274.224.4500.3
效应A-27.4-1.8-2.61.8
效应B29.89.4-1.8
效应C2.2-3.4-3.61.6
效应D6.83.6-0.8-0.6
A^2-1686.822.26.8
B^2496.411.813.6
C^24.811.612.80.64
D^246.412.960.640.36
AB-1.8-7.2-5.24.4
AC3-31.6-1.6
AD6.2-4.4-0.2-2
BC2.8-3.4-1.4-1
BD-1-5.2-0.42.8
CD-3.61.42-0.8
误差3.23.23.23.2
合计9.2-3.846.5613.16
由表3可知，喷嘴速度和进给速度对PETGABS复合制件的成型质量影响较大，而熔体温度和层高的影响相对较小。同时，通过合计方差和均方值的分析，我们确定了最优的工艺参数组合：熔体温度260℃、喷嘴速度20mm/s、进给速度35mm/s、层高0.3mm。
3.2制件成型实验结果分析
经过最优工艺参数组合的成型实验中，获得PETGABS复合制件的机械性能指标如表4所示。
表4PETGABS复合制件的机械性能指标
指标指标值
拉伸强度64.3MP