二、3D 打印樣品
使用 Raise3D 打印機(jī),選擇 GFRP 和 CFRP 材料,依據(jù) ASTM D638 和 ASTM D790 標(biāo)準(zhǔn),制備不同層高(0.05mm 和 0.2mm)、填充密度(20%、40%、60%、100%)的拉伸和三點(diǎn)彎曲測(cè)試試樣,每個(gè)試樣設(shè)置三層外殼以保持結(jié)構(gòu)完整性,并確保外殼不影響參數(shù)變化對(duì)力學(xué)性能的觀察。

試件材料及打印參數(shù)

實(shí)驗(yàn)打印的樣品示意圖。a拉伸試驗(yàn)樣本;b三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)樣本
三、實(shí)驗(yàn)研究
(一)微觀觀察
利用 Nikon SMZ800 體視顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行不同放大倍數(shù)的觀察,以了解其微觀結(jié)構(gòu)和表面特性。觀察發(fā)現(xiàn)試樣具有明顯的層狀和多孔結(jié)構(gòu),表面粗糙度較高,但無(wú)重大缺陷,表明打印過(guò)程較為成功,可進(jìn)一步研究打印參數(shù)和材料對(duì)力學(xué)性能的影響。

試件:a GF 試件,b CF 試件

測(cè)試過(guò)程中的測(cè)試樣本:a拉伸試驗(yàn)b三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)c帶引伸計(jì)的拉伸試驗(yàn)裝置
(二)力學(xué)測(cè)試
對(duì) CF 和 GF 試樣進(jìn)行拉伸和三點(diǎn)彎曲測(cè)試,每組參數(shù)至少重復(fù)三次實(shí)驗(yàn)以獲取可靠數(shù)據(jù)。測(cè)試前對(duì)試樣進(jìn)行退火處理以消除水分影響,在試樣端部安裝金屬片以改善拉伸夾持效果,并使用 Shimadzu DVE - 201 非接觸式視頻引伸計(jì)測(cè)量位移,以 0.5%/min 的恒定應(yīng)變率進(jìn)行測(cè)試。
四、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建模

重點(diǎn)關(guān)注傳動(dòng)系裙板和支撐板的設(shè)計(jì),它們是機(jī)器人在設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要結(jié)構(gòu)部件。利用本研究材料測(cè)試部分的結(jié)果,這些部件的外觀設(shè)計(jì)、填充率和材料選擇都得到了改進(jìn)。這些設(shè)計(jì)改進(jìn)采用了 FEA 和 TO,旨在限制應(yīng)力和撓度,同時(shí)盡量減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量,為實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)并做好準(zhǔn)備。為了檢查考慮可制造性和其他操作因素的最終設(shè)計(jì),對(duì)每個(gè)部件進(jìn)行了靜態(tài) FEA。

正在開發(fā)的機(jī)器人a CAD 渲染圖b組裝好的機(jī)器人原型照片
(一)驅(qū)動(dòng)鏈裙板
驅(qū)動(dòng)鏈模塊設(shè)計(jì)時(shí),因打印機(jī)尺寸限制,裙板需分為四部分。其設(shè)計(jì)為夾在鋁板之間,承受 100kgf 負(fù)載,通過(guò)有限元分析(FEA)和拓?fù)鋬?yōu)化(TO)改進(jìn)設(shè)計(jì),在確保結(jié)構(gòu)完整性的同時(shí)減輕重量。如對(duì)初始設(shè)計(jì)進(jìn)行 TO 模擬,施加 45kg(441.5N)負(fù)載和邊界條件,采用自由形式四面體網(wǎng)格,最終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了 30.3% 的重量減輕,且最大撓度 0.25mm 符合要求,同時(shí)優(yōu)化打印參數(shù)縮短了打印時(shí)間、降低了成本。

在傳動(dòng)系統(tǒng)裙部的初始設(shè)計(jì)上施加載荷和邊界條件
(二)支撐板
根據(jù)螺紋支撐要求選擇 6082 級(jí)鋁合金制作支撐板,對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈模塊頂板進(jìn)行 TO 以確定可減重區(qū)域。在 50kgf(490N)負(fù)載和邊界條件下建模分析,最終設(shè)計(jì)使重量降低 60%,中心最大撓度 0.027mm 在可接受范圍內(nèi)。

在支撐板的初始設(shè)計(jì)上施加載荷和邊界條件