六、結(jié)果與討論

（一）微觀觀察結(jié)果

顯微鏡圖像顯示試樣表面層狀和多孔，表面粗糙度高，但無明顯不一致或缺陷，表明打印過程能保證研究所需的一致性。

（二）力學(xué)測(cè)試結(jié)果

拉伸測(cè)試：隨著填充密度增加，試樣的極限拉伸強(qiáng)度（UTS）和楊氏模量增大，100% 填充時(shí)呈非線性增長(zhǎng)，可能由大位移和缺陷導(dǎo)致。0.2mm 層高試樣的 UTS 高于 0.05mm 層高試樣，且在兩種層高下 GF 試樣 UTS 高于 CF 試樣。20% - 40% 填充密度間 UTS 差異不顯著（GF 0.05 除外），材料缺陷可能是導(dǎo)致某些趨勢(shì)不一致的原因。

CF 試件的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量

GF 試件的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量

三點(diǎn)彎曲測(cè)試：0.05mm 層高的 CF 和 GF 試樣彎曲強(qiáng)度和模量顯著高于 0.2mm 層高試樣，相同層高下 GF 試樣剛度和強(qiáng)度優(yōu)于 CF 試樣（0.2mm 層高時(shí) CF 試樣性能稍好但差異不明顯）。

（三）建模結(jié)果

Voigt 和 Reuss 方法為 CFRP 和 GFRP 的有效剛度提供了上下限，自洽方法給出的有效模量通常在其范圍內(nèi)，Halpin - Tsai 方程可估算縱向和橫向有效模量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模型存在偏差，如 CFRP 和 GFRP 的某些試樣有效模量偏離自洽模型，這是由于 AM 過程改變材料相性能、引入層間粘結(jié)區(qū)域，使實(shí)際力學(xué)行為復(fù)雜，現(xiàn)有理論模型難以精確預(yù)測(cè)。

（四）應(yīng)用結(jié)果

通過 TO 和優(yōu)化打印參數(shù)，驅(qū)動(dòng)鏈裙板和支撐板在滿足結(jié)構(gòu)和性能要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了顯著的重量和成本降低（最終設(shè)計(jì)使重量減輕了 60%，從 1500 克減輕到 894 克）。證明了增材制造材料在機(jī)器人應(yīng)用中的可行性，也凸顯了優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要性。

支撐板拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果；支撐板最終設(shè)計(jì)的 FEA 結(jié)果。撓度以毫米為單位

七、結(jié)論

本研究系統(tǒng)探究了填充密度和層高對(duì) FDM 制備的 GFRP 和 CFRP 材料力學(xué)性能的影響，通過實(shí)驗(yàn)和建模分析得出以下結(jié)論：

力學(xué)性能與填充密度和層高密切相關(guān)，增加填充密度可提高 UTS 和楊氏模量，0.2mm 層高試樣在拉伸和彎曲性能上有一定優(yōu)勢(shì)，GF 在部分情況下強(qiáng)度表現(xiàn)更佳，優(yōu)化打印參數(shù)對(duì)獲得理想性能至關(guān)重要。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測(cè)總體趨勢(shì)相符，但存在偏差，FDM 打印缺陷是導(dǎo)致偏差的主要原因，未來需進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析以深入研究材料缺陷影響。

增材制造復(fù)合結(jié)構(gòu)在機(jī)器人部件中的應(yīng)用通過 TO 實(shí)現(xiàn)了減重和成本降低，滿足性能要求，驗(yàn)證了其可行性，為后續(xù)研究和應(yīng)用提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

Bisoi, A., Tüfekci, M., ?ztekin, V.et al. Experimental Investigation of Mechanical Properties of Additively Manufactured Fibre-Reinforced Composite Structures for Robotic Applications. Appl Compos Mater 31, 421–446 (2024). https://doi.org/10.1007/s10443-023-10179-9