機(jī)械臂3D打印技術(shù)及系統(tǒng)的試驗(yàn)研究

夏 馳 ，曹良成 ，馮聯(lián)華 ，2，范樹遷 ，3

（1.中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶 400714；2.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 長春 130022；3.智能增材制造技術(shù)與系統(tǒng)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400714）

1 引言

3D打印技術(shù)是一種“從無到有”的增材制造方法[1]，主要是將三維數(shù)字模型進(jìn)行切片，然后將每一個(gè)截面逐層打印，進(jìn)而將復(fù)雜的三維模型簡化為平面圖形的制造。這就使得3D打印技術(shù)可以利用較為成熟的平面加工技術(shù)，逐層打印，最終完成整個(gè)模型的制造。因此目前大多數(shù)3D打印所使用的設(shè)備都是基于數(shù)控技術(shù)所研發(fā)出來的[2-4]。

隨著技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)及設(shè)備逐步由單材均質(zhì)向多材異質(zhì)、單工藝向多工藝、平面向曲面的方向發(fā)展。日本浦松機(jī)械所研制出了融SLM 3D打印工藝和切削加工于一體的LUMEX Advance-25，將3D打印工藝向多種工藝協(xié)作復(fù)合成形方向發(fā)展，已經(jīng)開始應(yīng)用于制作家電模具[5]；文獻(xiàn)[6]使用ABB機(jī)械手利用3D打印技術(shù)搭建了柔性增材再制造平臺(tái)，對(duì)缺省的零件進(jìn)行反向求模再制造；一家名為Branch Technology的公司率先采用世界最大自由曲面3D打印機(jī)成功打印出實(shí)用性很強(qiáng)的建筑物墻壁，該款打印機(jī)使用的KUKA機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)；荷蘭某大學(xué)機(jī)器學(xué)院的研究人員與荷蘭某公司合作，共同研發(fā)出了機(jī)械臂3D打印機(jī)能夠在復(fù)雜曲面上進(jìn)行打?。晃墨I(xiàn)[7]使用KUKA機(jī)械手搭建了一個(gè)具備增材制造與減材制造于一體的多功能多材料處理平臺(tái)。綜上所述，隨著3D打印技術(shù)的突破，結(jié)合機(jī)械手在切削、復(fù)雜曲面加工等柔性制造的優(yōu)勢，機(jī)械臂3D打印裝置相比目前主流的3D打印設(shè)備具有制造優(yōu)勢。以流體的擠出成型和激光熔融為基礎(chǔ)，結(jié)合工業(yè)機(jī)械手6自由度的空間特性，對(duì)機(jī)械臂3D打印系統(tǒng)進(jìn)行了初步搭建。完成了對(duì)納米銀粒子、樹脂基復(fù)合材料、硅酮橡膠、碳化硅陶瓷的鋪層工藝探索，完成了簡單軌跡鋪層成型的實(shí)驗(yàn)，并對(duì)激光燒結(jié)后的銀線進(jìn)行了導(dǎo)電性能測試。為下一步制造出如三維傳感器、共形天線具備一定電性能的結(jié)構(gòu)化器件奠定基礎(chǔ)。

2 機(jī)械臂3D打印系統(tǒng)

機(jī)械臂3D打印系統(tǒng)總共分為三個(gè)子系統(tǒng)：運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、點(diǎn)膠系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)，如圖1（a）所示。其中，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是由6自由度機(jī)械手本體及其控制系統(tǒng)構(gòu)成。點(diǎn)膠機(jī)系統(tǒng)由針筒式點(diǎn)膠頭（料筒及針頭）和點(diǎn)膠控制器構(gòu)成，外接壓縮空氣由空壓機(jī)提供。光學(xué)系統(tǒng)由自行搭建的激光光路與激光控制器（808nm半導(dǎo)體激光）組成。打印系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)作是通過各系統(tǒng)控制器之間的通訊與控制實(shí)現(xiàn)的，其連接方式，如圖1（b）所示。機(jī)械手控制器為整個(gè)系統(tǒng)的核心，與計(jì)算機(jī)通過工業(yè)以太網(wǎng)的形式連接，實(shí)現(xiàn)工程文件的下載與上裝；與激光系統(tǒng)通過串口通訊發(fā)送控制指令；通過邏輯電平信號(hào)來控制點(diǎn)膠系統(tǒng)的供料時(shí)機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)下裝文件代碼后，機(jī)械手控制器執(zhí)行文件中的代碼，機(jī)械手本體開始對(duì)文件中的軌跡進(jìn)行鋪層，同時(shí)對(duì)點(diǎn)膠系統(tǒng)與激光系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的控制指令，完成工件的制造。

圖 1機(jī)械手3D打印系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic Outline of Multi-Material 3D Printing Apparatus

3 機(jī)械手加工編程

此3D打印系統(tǒng)，用6自由度機(jī)械手進(jìn)行軌跡鋪層，完成復(fù)雜的軌跡的行走。傳統(tǒng)的機(jī)械手的軌跡控制大都采用的示教的方式完成，面對(duì)軌跡比較復(fù)雜的模型軌跡，采用示教的方式將很難實(shí)現(xiàn)，即便實(shí)現(xiàn)精度也不高[8-9]。離線編程在不占用機(jī)械手作業(yè)時(shí)間的情況下，使用機(jī)械手編程語言進(jìn)行編程作業(yè)，最后將編寫好的程序下裝到機(jī)械手控制器，控制機(jī)械手完成整個(gè)作業(yè)[10]。機(jī)械手3D打印系統(tǒng)借助RC7M控制器為主控，使用WincapⅢ為離線編程軟件完成代碼模型的編寫與仿真，整個(gè)模型數(shù)據(jù)鏈，如圖2所示。首先確定制件的數(shù)學(xué)模型，這樣確定了模型的各個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)關(guān)系。之后，需要對(duì)其控制點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，以確保軌跡點(diǎn)與材料落點(diǎn)是一致的。在完成坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換后，在WincapⅢ中進(jìn)行模型代碼的編寫、編譯、仿真和下裝。模型代碼下裝到RC7M控制器中，然后RC7M通過控制機(jī)械手本體完成整個(gè)模型的制作。

圖2 工件模型數(shù)據(jù)鏈Fig.2 Workpiece Model Data Link

4 實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)搭建完成后，初步探索了銀導(dǎo)線、樹脂基復(fù)合材料、硅酮橡膠、碳化硅陶瓷等材料的3D打印成型工藝，并對(duì)制件進(jìn)行了簡單的表征，如表1所示。

表1 多種材料3D打印對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)、工藝及潛在應(yīng)用Tab.1 Systems，Processes and Potential Applications of 3D Printing of Various Materials

4.1 銀導(dǎo)線

系統(tǒng)旨在制造出具備一定電氣功能的功能器件，制造出導(dǎo)電性能優(yōu)異的導(dǎo)線是功能結(jié)構(gòu)化器件的關(guān)鍵基礎(chǔ)。與金屬3D打印技術(shù)所選的金屬粉末材料不同，所采用的導(dǎo)電線材料是固含量在70wt%納米銀漿料，由于納米銀粒子（100nm）表面由表面活性劑包覆，性質(zhì)穩(wěn)定[11]，在激光作用下快速去除體系中的溶劑及有機(jī)物質(zhì)，將納米銀離子燒結(jié)成型，制備的銀線導(dǎo)電性能好，材料利用率高。銀導(dǎo)線的激光燒結(jié)制備，在本試驗(yàn)中分為兩步：納米銀漿擠出鋪線和激光燒結(jié)，試驗(yàn)中通過兩次重復(fù)運(yùn)動(dòng)以確保銀漿擠出鋪線軌跡與激光燒結(jié)軌跡重合，如圖3（a）所示。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，選擇內(nèi)徑200μm的針頭，40psi的供料壓力，8mm/s的走線速率，8W的激光功率，燒結(jié)成型的銀導(dǎo)線線寬480μm，線高95μm，電阻率 1.2×10-7Ω·m，為純銀線（1.6×10-8Ω·m）的7.5倍。因激光燒結(jié)過程中產(chǎn)生有機(jī)相的氣化揮發(fā)，在導(dǎo)線中形成氣孔[12]，如圖3（b）所示。進(jìn)一步，通過設(shè)計(jì)不同的電路圖案，實(shí)驗(yàn)可制備相應(yīng)的銀電路，如圖3（c）所示。

圖3 銀導(dǎo)線制備工藝示意圖、銀線燒結(jié)前后的對(duì)比、銀電路照片F(xiàn)ig.3 Schematic Diagram of the Preparation of Conductive Ag Lines、Visual Picture of the Ag Line、Electric Circuit Prepared Via this Method

4.2 硅酮橡膠

硅酮橡膠是一類性能良好彈性體，可在（-90～250）℃溫度范圍內(nèi)保持彈性，并具有良好的電絕緣性，常用作密封材料，實(shí)驗(yàn)選用粘度為600cps的酸性硅酮膠為原料，以內(nèi)徑為400μm的斜式針頭為打印頭，60psi的供料壓力，20mm/s的打印速率，制成蜂窩狀結(jié)構(gòu)的2.5維結(jié)構(gòu)，打印完成后，在空氣中靜止1h，即可得到具備彈性的蜂窩狀硅酮橡膠結(jié)構(gòu)體，如圖4所示。該結(jié)構(gòu)的彈性隨時(shí)間的增加而增強(qiáng)。結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)件的線寬為560μm，鋪層厚度為440μm。

圖4 3D打印制備的硅酮橡膠蜂窩結(jié)構(gòu)，及其線寬、層厚的顯微照片F(xiàn)ig.4 Cellular Structure of Silicones Prepared by 3D Printing Techniques，and Micrograph Indicating the Line Width and Layer Thickness

4.3 樹脂基復(fù)合材料

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具備輕質(zhì)高強(qiáng)的優(yōu)勢，由利于制備結(jié)構(gòu)件。實(shí)驗(yàn)采用E51環(huán)氧樹脂為基體樹脂，白炭黑為觸變劑，5wt%碳纖維和20wt%潛伏性固化劑加入該體系，制成適用期長達(dá)6個(gè)月的纖維增強(qiáng)環(huán)氧基3D打印復(fù)合材料。選擇內(nèi)徑為400μm的斜式針頭，60psi的供料壓力，16mm/s的走線速度，打印完成后，制件在100℃的條件下后固化30分鐘，即可得到具有力學(xué)強(qiáng)度的網(wǎng)格狀工件，如圖5（a）所示。

4.4 碳化硅陶瓷

碳化硅陶瓷（SiC）不僅具有優(yōu)良的常溫力學(xué)性能，而且高溫力學(xué)性能（強(qiáng)度、抗蠕變性等）是已知陶瓷材料中最佳的。實(shí)驗(yàn)采用含水量在20wt%的碳化硅陶瓷漿料，用擠出成型的方式制備了蜂窩狀結(jié)構(gòu)，在微氧環(huán)境下經(jīng)過1200℃高溫?zé)Y(jié)，制成了具有一定力學(xué)強(qiáng)度耐高溫的碳化硅陶瓷制品，如圖5（b）所示。實(shí)驗(yàn)選用的擠出成型參數(shù)為：斜式針頭內(nèi)徑400μm，供料壓力70psi，12mm/s的走線速度。

圖5 纖維增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和碳化硅陶瓷材料結(jié)構(gòu)。Fig.5 Carbon Fiber Enforced Epoxy Composite Structure and SiC Ceramic Cellular Structure

5 總結(jié)

結(jié)合擠出成型技術(shù)、激光燒結(jié)技術(shù)及相應(yīng)的后處理工藝，完成了機(jī)械手3D打印系統(tǒng)的雛形，對(duì)納米銀粒子、樹脂基復(fù)合材料、硅酮橡膠、碳化硅陶瓷材料進(jìn)行了初步的工藝探索。目前該系統(tǒng)只能夠針對(duì)數(shù)學(xué)模型為解析的制件進(jìn)行制備，對(duì)于較為復(fù)雜難以解析的模型制備存在困難，同時(shí)難以完成復(fù)雜曲面上的作業(yè)，可以借助于使用傳統(tǒng)的CAD-CAM-CNC-機(jī)械手代碼的數(shù)據(jù)鏈模式解決目前存在的問題，目前該數(shù)據(jù)鏈被廣泛用于機(jī)器人切削加工、弧焊等工藝，可靠性高。從該技術(shù)發(fā)展前景來看，可以利用機(jī)械手6自由度空間特性與柔性制造的特點(diǎn)，發(fā)展3D打印往多材料多工藝方向發(fā)展，同時(shí)還可以進(jìn)行曲面3D打印。利用多材料多工藝技術(shù)將外殼部分與具備導(dǎo)電性能的部分同時(shí)制備出來，根據(jù)軌跡點(diǎn)的性能，擠壓出所需的材料，制備出3維立體化的具備電性能的制件。如共形天線，可以將其共形的外殼與共形電路部分制備出來。同時(shí)還可以利用其精度，制備出結(jié)構(gòu)功能一體化的微型傳感器為制備微型化電子設(shè)備提供了一種可能。

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