System No. U0002-1109201621424700 應用田口法於3D列印之表面粗糙度最佳化分析 The Optimal Analysis of Surface Roughness in 3D Printing with Application of Taguchi Method 淡江大學 機械與機電工程學系碩士班 Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering 104 2 105 黃暐勍 Wei-Qing Huang 603350231 碩士 Traditional Chinese 2016-07-12 102page advisor - 李經綸 co-chair - 柯德祥 co-chair - 蔡慧駿 田口法 3D列印 表面粗糙度 變異數分析 Taguchi Method 3D Printing Surface Roughness Analysis of Variance (ANOVA) ```本文使用田口法進行3D列印之表面粗糙度最佳化分析，使工件接近設計尺寸並減少表面粗糙度。首先使用3D印表機製作立方殼工件，並利用共軛焦雷射顯微鏡量測工件的長度、寬度及表面粗糙度，其中粗糙度參數為粗糙度輪廓曲面的均方根高度，實驗選定的控制因子包含噴頭溫度、進給率、層厚、平台溫度、填充率、填充圖案、空載速度與殼數，最後依因子的總自由度選定 直交表，並將因子及其水準值填入直交表以執行實驗。 變異數分析結果顯示，對工件長度有顯著影響的因子為進給率、空載速度與殼數，對工件表面粗糙度有顯著影響的因子為層厚及噴頭溫度，而工件寬度無顯著因子，依因子反應信號雜訊比大小分別決定三個品質特性的最佳設計，原始設計為3D印表機標準品質的製程參數組合，將三個品質特性的最佳設計及原始設計當作確認實驗，結果顯示工件長度及工件表面粗糙度的信號雜訊比皆在信心區間內，本文的實驗模式可有效地預測3D列印之最佳工件長度及最佳工件表面粗糙度，最後比較原始設計跟最佳設計的品質特性，其中原始工件長為 ，而最佳工件長為 ，長度約增加1.023%；工件表面粗糙度由21.554 降低至8.887 ，粗糙度約降低58.769%。``` ```This study uses Taguchi method to perform the optimal analysis of surface roughness in 3D printing. The workpiece would meet the designed dimensions and also reduce the surface roughness. Firstly, cubic shell-shaped workpieces were made by 3D printers, and confocal laser scanning microscopy was employed to measure the length, width, and surface roughness of the workpiece, and roughness parameter is the root mean square height of the scale-limited surface. Then, nozzle temperature, feed rate, layer thickness, platform temperature, fill rate, fill patterns, travel speed, and shell numbers were selected as control factors during the experiments. After that, orthogonal arrays were chosen in accordance with total degree of freedom of control factors. These control factors and level values were put into the orthogonal arrays for the experiments. According to the results obtained from analysis of variance (ANOVA), shell numbers, feed rate, and travel speed significantly influence the length of the workpieces. The surface roughness of the workpieces are highly affected by layer thickness and nozzle temperature, whereas there is no influence on the width of the workpieces significantly. The optimal design of three quality characteristics was found after the signal-to-noise ratios (S/N) of the factorial effects were compared. The combination of the process parameters required by 3D printer’s standard quality was treated as original design. After that, all of quality characteristics’ optimal designs and original design were taken as confirmation experiments. According to the validation, the S/N of length and surface roughness fell within confidence interval, indicating the model employed by this study could accurately predict the length and surface roughness of the workpieces produced by 3D printers. Lastly, original design’s quality characteristics and optimal design’s quality characteristics were compared. The length of the original design’s workpiece was 17.817 mm whereas optimal design’s workpiece was 17.825 mm, indicating the length had increased by 1.023%. The surface roughness of the workpiece dropped from 21.544 to 8.887 , indicating the surface roughness had decreased by 58.769%.``` ```目 錄 中文摘要 I 英文摘要 II 目 錄 IV 圖 目 錄 VII 表 目 錄 IX 符號索引 XI 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 文獻回顧 1 1.2.1 田口法於3D列印應用之相關研究 2 1.2.2 與3D列印粗糙度相關之研究 3 1.2.3 3D列印製程最佳化之相關研究 5 1.3 研究動機與目的 7 1.4 論文之構成 7 第二章 田口法 9 2.1 品質特性與理想機能 9 2.2 品質損失與信號雜訊比 11 2.3 直交表 14 2.4 變異數分析 16 2.5 重要性測試 18 2.6 信心區間 19 第三章 品質特性的量測與實驗規劃 21 3.1 實驗設備與材料 21 3.1.1 3D印表機 21 3.1.2 列印材料 23 3.1.3 共軛焦雷射顯微鏡 24 3.2 模型設計與工件製造 28 3.2.1 模型設計與變更 28 3.2.2 工件製造流程 31 3.2.3 3D印表機的操作步驟 32 3.3 工件尺寸量測 33 3.3.1 共軛焦雷射顯微鏡於工件尺寸量測原理 33 3.3.2 工件尺寸的量測步驟 33 3.3.3 單一製程參數對工件尺寸的影響 36 3.4 工件表面粗糙度量測 40 3.4.1 共軛焦雷射顯微鏡於工件表面粗糙度量測原理 40 3.4.2 工件表面粗糙度的量測步驟 52 3.4.3 單一製程參數對工件表面粗糙度的影響 53 3.5 實驗規劃 56 3.5.1 選擇品質特性 56 3.5.2 因子探討與設定 57 3.5.3 選擇直交表 59 3.5.4 數據分析與確認實驗 60 第四章 結果與討論 62 4.1 工件尺寸之最佳製程參數組合 62 4.1.1 變異數分析決定工件長度之最佳製程參數組合 65 4.1.2 變異數分析決定工件寬度之最佳製程參數組合 73 4.2 工件表面粗糙度之最佳製程參數組合 78 4.2.1 一半準則決定工件表面粗糙度之最佳製程參數組合 80 4.2.2 變異數分析決定工件表面粗糙度之最佳製程參數組合 83 4.3 確認實驗 89 4.3.1 品質特性之信號雜訊比的信心區間 90 4.3.2 品質特性之信號雜訊比實際值與預測值的比較 93 第五章 結論與未來展望 97 5.1 結論 97 5.2 未來展望 98 參考文獻 100 圖目錄 圖3-1 3D印表機主體 22 圖3-2 LEXT OLS4100共軛焦雷射顯微鏡主體 25 圖3-3 共軛焦雷射顯微鏡操作流程 27 圖3-4 原始模型設計含棧板 29 圖3-5 變更模型設計含棧板 29 圖3-6 工件的三視圖(上視圖會隨著製程參數改變) 30 圖3-7 3D印表機操作流程 32 圖3-8 工件成型位置 33 圖3-9 工件量測時的擺放位置 35 圖3-10 量測工件外形尺寸前的定義 35 圖3-11 樣本長度、評估長度和量測長度的關係 41 圖3-12 層厚0.10mm工件的表面輪廓曲線 43 圖3-13 層厚0.20mm工件的表面輪廓曲線 44 圖3-14 層厚0.10mm工件於不同截取值下的粗糙度輪廓曲線 46 圖3-15 層厚0.20mm工件於不同截取值下的粗糙度輪廓曲線 47 圖3-16 中心線的示意圖 48 圖3-17 最小平方平均線的示意圖 49 圖3-18 粗糙度輪廓曲線的均方根偏差平方之求法 50 圖3-19 粗糙度輪廓曲線之元素的平均寬度之求法 51 圖3-20 工件表面粗糙度量測區域的示意圖 53 圖3-21 工件尺寸及工件表面粗糙度的魚骨圖 57 圖3-22 直交表的點線圖 59 圖4-1 各因子於各水準對工件長度之信號雜訊比的反應圖 66 圖4-2 噴頭溫度×進給率對工件長度之信號雜訊比的反應圖 67 圖4-3 各因子於各水準對工件寬度之信號雜訊比的反應圖 74 圖4-4 噴頭溫度×進給率對工件寬度之信號雜訊比的反應圖 75 圖4-5 各因子於各水準對工件表面粗糙度平均值的反應圖 81 圖4-6 各因子於各水準對工件表面粗糙度標準差的反應圖 82 圖4-7 各因子於各水準對工件表面粗糙度之信號雜訊比的反應圖 84 圖4-8 噴頭溫度×進給率對工件表面粗糙度之信號雜訊比的反應圖 85 圖4-9 最佳工件長度之工件的頂面 95 圖4-10 最佳表面粗糙度之工件前後左右四個面的粗糙度輪廓曲線 96 表目錄 表2-1 直交表 15 表2-2 變異數分析表 16 表3-1 3D印表機規格表 23 表3-2 LEXT OLS4100共軛焦雷射顯微鏡的物鏡規格表 25 表3-3 LEXT OLS4100共軛焦雷射顯微鏡規格表 26 表3-4 不同物鏡倍率下智能掃描範圍及時間 28 表3-5 工件預設品質之製程參數組合 36 表3-6 層厚對工件尺寸的影響 37 表3-7 噴頭溫度對工件尺寸的影響 37 表3-8 平台溫度對工件尺寸的影響 38 表3-9 3D印表機列印工件架構時的預設速度 39 表3-10 進給率對工件尺寸的影響 39 表3-11 填充率對工件尺寸的影響 40 表3-12 週期性輪廓以RSm大小選擇截取值 48 表3-13 層厚對工件前後左右四個視圖表面粗糙度的影響 54 表3-14 噴頭溫度對工件前後左右四個視圖表面粗糙度的影響 54 表3-15 平台溫度對工件前後左右四個視圖表面粗糙度的影響 55 表3-16 進給率對工件前後左右四個視圖表面粗糙度的影響 55 表3-17 填充率對工件前後左右四個視圖表面粗糙度的影響 56 表3-18 控制因子及其水準值 58 表3-19 直交表 59 表4-1 直交表每組實驗的製程參數設定 63 表4-2 十八組實驗的工件尺寸與相對應的信號雜訊比 64 表4-3 各因子於各水準對工件長度之信號雜訊比的反應表 66 表4-4 噴頭溫度×進給率對工件長度之信號雜訊比的反應表 67 表4-5 對工件長度之信號雜訊比的初步變異數分析 70 表4-6 對工件長度之信號雜訊比的第二次變異數分析 70 表4-7 對工件長度之信號雜訊比的第三次變異數分析 72 表4-8 工件長度之最佳製程參數組合 72 表4-9 各因子於各水準對工件寬度之信號雜訊比的反應表 74 表4-10 噴頭溫度×進給率對工件寬度之信號雜訊比的反應表 75 表4-11 對工件寬度之信號雜訊比的初步變異數分析 76 表4-12 對工件寬度之信號雜訊比的第二次變異數分析 76 表4-13 對工件寬度之信號雜訊比的第三次變異數分析 77 表4-14 工件寬度之最佳製程參數組合 78 表4-15 十八組實驗的工件表面粗糙度與對應的信號雜訊比 79 表4-16 各因子於各水準對工件表面粗糙度平均值的反應表 81 表4-17 各因子於各水準對工件表面粗糙度標準差的反應表 82 表4-18 一半準則決定的工件表面粗糙度之最佳製程參數組合 83 表4-19 各因子於各水準對工件表面粗糙度之信號雜訊比的反應表 84 表4-20 噴頭溫度×進給率對工件表面粗糙度之信號雜訊比的反應表 85 表4-21 對工件表面粗糙度之信號雜訊比的初步變異數分析 86 表4-22 對工件表面粗糙度之信號雜訊比的第二次變異數分析 87 表4-23 對工件表面粗糙度之信號雜訊比的第三次變異數分析 87 表4-24 變異數分析決定的工件表面粗糙度之最佳製程參數組合 88 表4-25 確認實驗的製程參數設定 89 表4-26 原始工件長度與最佳工件長度的比較 93 表4-27 原始工件寬度與最佳工件寬度的比較 94 表4-28 原始工件表面粗糙度與最佳工件表面粗糙度的比較 94``` ```1. 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