3-1 實驗設計介紹
實驗設計自 20 世紀初，由英國科學家 Ronald Aylmer Fisher 所提出，經過 幾十年的耕耘與發展，由日本田口玄一博士(Dr. Taguchi)發揚光大成為顯學【8】。 因此實驗設計法亦稱做田口實驗方法。田口實驗方法是一種使用統計來減少實驗 次數，又田口博士獨創避開統計複雜理論。有效率獲得最佳化實驗參數的一種實 驗設計方法。田口玄一博士在 1949 年初，融合 R.A.Fisher 統計學者在農作物實 驗中建立的變異數分析法，再結合印度學者 Rao 的實驗直交表，再依田口博士獨 特自創的統計方法整合而發展出的田口實驗法。歐美國家為了紀念田口博士對於 品質工程的貢獻即稱作田口方法。日本當代的科技產業與製造產業因為田口博士 的實驗法，改善並解決製程方面的品質問題。因此田口方法在日本稱為品質工程。
田口法主要用實驗的因子、水準來取得最佳的品質特性。目的是要讓產品產出的 品質在設計端就能全面性的被考量過。實驗中使用田口建議的直交表來配置實驗，
另外再加入田口法獨有的信號/雜訊噪音比(Signal to Noise Ratio，S/N 比)。並 找出各因子的貢獻度，來獲得最佳化的製程參數設計。利用獨創並簡化統計方式 的實驗方法，找出最佳參數及實驗組合，是近代非常有效率的實驗方法【9】【10】。
本論文完全依照田口博士的方法將所有繁雜的過程一一簡約，本論文研究以 Excel 軟體為計算工具，所有複雜的統計計算全部交由軟體處理，確實將田口法應 用於實務工作上。本研究使用的機台型號為 MICROMAKE，列印材料為 PLA 線材，量 測器具為 Mitutoyo Serie 500 最小讀取值 0.01mm 的游標卡尺。
3-2 實驗設計目的
如下圖 8，在未安排實驗設計之前，原廠所提供建議的參數數值如表 3，噴頭 溫度 200 ℃，底板溫度 60 ℃，速度 40m/s，層厚 0.1mm。在使用了原廠建議參數 後疑似參數值不穩定造成列印異常，失敗率太高，影響列印時間及線材物料成本。
另外圖 8 可以看出列印完成品質的落差，表面列印不佳。因此預計安排田口實驗 設計法，找出最佳化製程參數令品質提升改善品質異常狀況。本研究採用田口方 法來設計 3D 列印機台的最佳製程參數。經由最佳化製程因子，比較廠商建議前參 數及最佳化參數的異常差異。
表 3 原廠建議使用參數
噴頭溫度 200 ℃
底板溫度 60 ℃
速度 40m/s
層厚 0.1mm
圖 8 列印失敗產品圖(表面不佳)
3-3 實驗前準備
在開始實驗前將已經發生異常的產品做觀察，其中觀察分類有一開始即列印 失敗異常停機，還有印到一半產生的列印品質異常狀況。最多就是列印完成，但 列印品質不佳佔大多數比例約 6 成左右。圖 9 為列印異常照片資料整理。選這三 張異常照片是因為它們就是那 6 成品質不佳異常現象。其中牽絲件數>翹邊件數>
裂痕件數。其他品質異常照片因為比例較少，故無選用探討。
圖 9 列印異常照片(本研究整理)
層厚因素 操作
層厚因素 操作
表 6 為 30 次列印中的異常統計表(3)、出現裂痕有 1 次，翹邊 1 次，牽絲 5
表 7 為 10 次列印中的異常統計表(4)、出現裂痕有 1 次，翹邊 2 次，牽絲 1
表 8 的異常統計表利用 Excel 轉化成圖 10 異常統計圖，轉成直條圖方式更可
將整理出的異常統計圖分析後轉化為圖 11 列印異常魚骨圖(特性要因圖)。使 用特性要因魚骨圖是為了方便看出品質特性並分析出主要列印異常因子。魚骨圖 的主幹為列印異常，枝幹部分分為六大因素，按照品質異常統計表較重比重枝幹 在上，影響較輕因素在下。六大因素分別為噴頭溫度因素、底板溫度因素、速度 因素、層厚因素、操作因素、機台設備因素。因為牽絲問題與翹邊問題為失敗主 因，各有牽絲 11 次及翹邊 6 次。是本論文針對品質異常所要克服的第一要點。
圖 11 列印異常魚骨圖
3-4 實驗開始
品質特性選定：本實驗的品質特性選定為列印物的邊長長度，此特性代表列 印物的精確度，亦代表列印物尺寸變形量的大小。此特性是可以量測的。經過量 測及統計分析之後，做為列印物的品質目標。目標值為 10.00mm。表 9 為經過實驗 設計前所得到的量測數據，從量測數據結果顯示平均值在 9.82mm〜9.86mm 之間。
標準差在 0.074〜0.088 之間。離目標值 10mm 尚有努力空間。稍後將簡單介紹研 究實驗。
表 9 實驗量測表
量測值 長1 長2 長3 長4 長5
1 9.91 9.92 9.91 9.93 9.9 2 9.86 9.88 9.76 9.88 9.89 3 9.83 9.78 9.77 9.81 9.83 4 9.73 9.76 9.77 9.77 9.75 5 9.92 9.84 9.88 9.91 9.81 6 9.96 9.96 9.94 9.94 9.93 7 9.98 9.93 9.91 9.98 9.99 8 9.85 9.83 9.83 9.83 9.89 9 9.74 9.75 9.69 9.71 9.8 平均值 9.86 9.85 9.83 9.86 9.87 標準差 0.09 0.08 0.09 0.09 0.07 實驗值
3-5 田口方法簡介
從文獻探討中得知，尺寸的精確度，表面粗糙度，拉伸強度和製造時間是 3D 列印影響品質和成本重要因素。由前面圖 11 魚骨圖中知道。噴頭溫度，底板溫度，
速度和層厚是關鍵因子。產品的品質特性選擇為不希望產品變形及希望尺寸精確，
選擇列印產品邊長為 Y。製程因子的選用如下表 10 所示分為四因子及三水準。A 因子為噴頭溫度，水準 1 為 180℃，水準 2 為 190℃，水準 3 為 200℃。B 因子為 底板溫度水準 1 為 50℃，水準 2 為 55℃，水準 3 為 60℃。C 因子為速度水準 1 為 10 m/s，水準 2 為 20 m/s，水準 3 為 40 m/s。D 因子為層厚水準 1 為 0.1 mm，水準 2 為 0.2 mm，水準 3 為 0.3 mm。這些因子水準設定依照 PLA 材料溫度範圍，設備 移動速度範圍，及噴頭孔徑範圍而設定。並非沒有依據來設定。所以在設定因子 水準要注意材料、設備、能力範圍。
表 10 四因子 3 水準表格
因子 水準 1 水準 2 水準 3 A 噴頭溫度 180℃ 190℃ 200℃
B 底板溫度 50℃ 55℃ 60℃
C 速度 10 m/s 20 m/s 40 m/s D 層厚 0.1 mm 0.2 mm 0.3 mm