基于机械臂3D打印的两种常用材料性能研究

2021-07-03田伟华徐勇光田军伟

河南工程学院学报(自然科学版) 2021年2期

田伟华，徐勇光，田军伟

(1.周口职业技术学院汽车与机电工程学院，河南周口 466000；2.广西大学机械工程学院，广西南宁 530000)

3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术，即“积层造形法”[1-2]。该技术在军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、雕刻、国防、汽车等领域都得到了广泛应用[3]。在实际应用过程中，3D打印技术选材直接影响产品的质量和精度，故有必要对3D打印耗材进行优化选择。研究人员对耗材进行了研究，如张云波等[4]对3D打印用高分子材料及应用进行了研究，战丽娜[5]对3D打印材料ABS与PLA丝材进行了分析与比较。也有一些研究人员借助机械设备对3D打印耗材进行实验分析比较，如夏驰等[6]借助机械臂3D打印技术系统对复合材料、碳化硅陶瓷等材料的成型工艺进行了研究，但直接借助3D打印设备对耗材进行实验分析和比较的研究较少。本研究以3D打印风能发电装置模型为例，利用三维建模软件UG NX[7]和机械臂3D打印系统，分别采用ABS和PLA两种耗材对模型进行3D打印，对产品的打印温度、打印特性、打印产品的结构和强度进行比较与分析并得出结论，以期为今后3D打印材料的优化选择和应用提供参考。

1 3D打印机械臂结构模型及主要性能参数

1.1 3D打印机械臂结构

机械臂是一种可以通过计算机程序控制的机械装置，是工业机器人的一种特殊形式。本研究采用的机械臂主要由总电源开关、小臂、大臂、末端工具、指示灯及底座等基本部件组成，相邻两部件用转动关节连接。3D打印机械臂如图1所示。

图1 3D打印机械臂示意图Fig.1 Schematic diagram of 3D printing manipulator

在3D打印中，常见的主要配套部件有挤出机、热端、电机线、耗材及进料管等，配套部件与机械臂按照工作顺序和操作规程相互连接。

1.2 3D打印机械臂主要技术参数

在整个装置的运行中，机械臂起着关键作用，其最大负载达到500 g，最大伸长距离达到320 mm，主要部件技术参数如表1所示。

表1 机械臂主要部件技术参数Tab.1 Technical parameters of main parts of manipulator

2 基于机械臂3D打印的ABS与PLA材料对比

2.1 建立3D模型

以风能发电装置为例，通过UG NX 10.0软件界面中的拉伸、旋转、阵列、镜像、倒圆(斜)角、曲面构建等主要指令进行三维建模，叶片分别设计成长方形和扇形。在建模过程中，为保证打印时坐标正确，选取XYZ坐标系的原点为建模的中心点、Z轴为中心轴线。建模完成后，对构建的风能发电装置图形建立约束，确定数学模型，即确定模型各个控制点的坐标关系，然后对控制点进行坐标转换，确保与机械臂3D打印坐标保持一致，最后对模型代码进行编写，通过机械臂完成对3D模型的打印。为保证建模与3D打印对应的Studio软件相互兼容，3D模型保存格式为.stl。

2.2 采用ABS与PLA材料进行3D打印的流程及结果

本研究分别采用ABS与PLA材料进行3D打印，选用的丝材直径均为1.75 mm，具体打印流程如下：首先在计算机上安装3D打印机械臂对应的Studio软件，通过USB插口连接3D打印机械臂；然后进行打印前的准备工作，设置打印间隔、打印坐标、打印速度、打印温度、切片等相关参数；最后启动UG NX 10.0软件，把三维建模结果保存为.stl文件，导入Studio软件中进行3D打印。打印结果如图2所示。