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（下）

六、结果与讨论

（一）微观观察结果

显微镜图像显示试样表面层状和多孔，表面粗糙度高，但无明显不一致或缺陷，表明打印过程能保证研究所需的一致性。

（二）力学测试结果

拉伸测试：随着填充密度增加，试样的极限拉伸强度（UTS）和杨氏模量增大，100% 填充时呈非线性增长，可能由大位移和缺陷导致。0.2mm 层高试样的 UTS 高于 0.05mm 层高试样，且在两种层高下 GF 试样 UTS 高于 CF 试样。20% - 40% 填充密度间 UTS 差异不显著（GF 0.05 除外），材料缺陷可能是导致某些趋势不一致的原因。

CF 试件的拉伸强度和杨氏模量

GF 试件的拉伸强度和杨氏模量

三点弯曲测试：0.05mm 层高的 CF 和 GF 试样弯曲强度和模量显著高于 0.2mm 层高试样，相同层高下 GF 试样刚度和强度优于 CF 试样（0.2mm 层高时 CF 试样性能稍好但差异不明显）。

（三）建模结果

Voigt 和 Reuss 方法为 CFRP 和 GFRP 的有效刚度提供了上下限，自洽方法给出的有效模量通常在其范围内，Halpin - Tsai 方程可估算纵向和横向有效模量。实验结果与理论模型存在偏差，如 CFRP 和 GFRP 的某些试样有效模量偏离自洽模型，这是由于 AM 过程改变材料相性能、引入层间粘结区域，使实际力学行为复杂，现有理论模型难以精确预测。

（四）应用结果

通过 TO 和优化打印参数，驱动链裙板和支撑板在满足结构和性能要求的同时实现了显著的重量和成本降低（最终设计使重量减轻了 60%，从 1500 克减轻到 894 克）。证明了增材制造材料在机器人应用中的可行性，也凸显了优化设计的重要性。

支撑板拓扑优化结果；支撑板最终设计的 FEA 结果。挠度以毫米为单位

七、结论

本研究系统探究了填充密度和层高对 FDM 制备的 GFRP 和 CFRP 材料力学性能的影响，通过实验和建模分析得出以下结论：

力学性能与填充密度和层高密切相关，增加填充密度可提高 UTS 和杨氏模量，0.2mm 层高试样在拉伸和弯曲性能上有一定优势，GF 在部分情况下强度表现更佳，优化打印参数对获得理想性能至关重要。

实验结果与理论预测总体趋势相符，但存在偏差，FDM 打印缺陷是导致偏差的主要原因，未来需进行统计分析以深入研究材料缺陷影响。

增材制造复合结构在机器人部件中的应用通过 TO 实现了减重和成本降低，满足性能要求，验证了其可行性，为后续研究和应用提供了参考。

参考文献：

Bisoi, A., Tüfekci, M., Öztekin, 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