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，但無重大缺陷，表明打印過程較為成功，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