机器人用增材制造纤维增强复合材料结构力学性能的实验研究（上）

二、3D 打印样品

使用 Raise3D 打印机，选择 GFRP 和 CFRP 材料，依据 ASTM D638 和 ASTM D790 标准，制备不同层高（0.05mm 和 0.2mm）、填充密度（20%、40%、60%、100%）的拉伸和三点弯曲测试试样，每个试样设置三层外壳以保持结构完整性，并确保外壳不影响参数变化对力学性能的观察。

试件材料及打印参数

实验打印的样品示意图。a拉伸试验样本；b三点弯曲试验样本

三、实验研究

（一）微观观察

利用 Nikon SMZ800 体视显微镜对试样进行不同放大倍数的观察，以了解其微观结构和表面特性。观察发现试样具有明显的层状和多孔结构，表面粗糙度较高，但无重大缺陷，表明打印过程较为成功，可进一步研究打印参数和材料对力学性能的影响。

试件：a GF 试件，b CF 试件

测试过程中的测试样本：a拉伸试验b三点弯曲试验c带引伸计的拉伸试验装置

（二）力学测试

对 CF 和 GF 试样进行拉伸和三点弯曲测试，每组参数至少重复三次实验以获取可靠数据。测试前对试样进行退火处理以消除水分影响，在试样端部安装金属片以改善拉伸夹持效果，并使用 Shimadzu DVE - 201 非接触式视频引伸计测量位移，以 0.5%/min 的恒定应变率进行测试。

四、纤维增强复合材料建模

重点关注传动系裙板和支撑板的设计，它们是机器人在设计过程中的重要结构部件。利用本研究材料测试部分的结果，这些部件的外观设计、填充率和材料选择都得到了改进。这些设计改进采用了 FEA 和 TO，旨在限制应力和挠度，同时尽量减轻结构质量，为实际应用奠定基础并做好准备。为了检查考虑可制造性和其他操作因素的最终设计，对每个部件进行了静态 FEA。

正在开发的机器人a CAD 渲染图b组装好的机器人原型照片

（一）驱动链裙板

驱动链模块设计时，因打印机尺寸限制，裙板需分为四部分。其设计为夹在铝板之间，承受 100kgf 负载，通过有限元分析（FEA）和拓扑优化（TO）改进设计，在确保结构完整性的同时减轻重量。如对初始设计进行 TO 模拟，施加 45kg（441.5N）负载和边界条件，采用自由形式四面体网格，最终设计实现了 30.3% 的重量减轻，且最大挠度 0.25mm 符合要求，同时优化打印参数缩短了打印时间、降低了成本。

在传动系统裙部的初始设计上施加载荷和边界条件

（二）支撑板

根据螺纹支撑要求选择 6082 级铝合金制作支撑板，对驱动链模块顶板进行 TO 以确定可减重区域。在 50kgf（490N）负载和边界条件下建模分析，最终设计使重量降低 60%，中心最大挠度 0.027mm 在可接受范围内。

在支撑板的初始设计上施加载荷和边界条件