基于機(jī)械臂3D打印的兩種常用材料性能研究

田偉華 ，徐勇光，田軍偉

(1.周口職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車(chē)與機(jī)電工程學(xué)院，河南 周口 466000；2.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530000)

3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等材料，通過(guò)逐層堆疊累積的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)，即“積層造形法”[1-2]。該技術(shù)在軍事、建筑、影視、家電、輕工、醫(yī)學(xué)、考古、雕刻、國(guó)防、汽車(chē)等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用[3]。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，3D打印技術(shù)選材直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和精度，故有必要對(duì)3D打印耗材進(jìn)行優(yōu)化選擇。研究人員對(duì)耗材進(jìn)行了研究，如張?jiān)撇ǖ萚4]對(duì)3D打印用高分子材料及應(yīng)用進(jìn)行了研究，戰(zhàn)麗娜[5]對(duì)3D打印材料ABS與PLA絲材進(jìn)行了分析與比較。也有一些研究人員借助機(jī)械設(shè)備對(duì)3D打印耗材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析比較，如夏馳等[6]借助機(jī)械臂3D打印技術(shù)系統(tǒng)對(duì)復(fù)合材料、碳化硅陶瓷等材料的成型工藝進(jìn)行了研究，但直接借助3D打印設(shè)備對(duì)耗材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析和比較的研究較少。本研究以3D打印風(fēng)能發(fā)電裝置模型為例，利用三維建模軟件UG NX[7]和機(jī)械臂3D打印系統(tǒng)，分別采用ABS和PLA兩種耗材對(duì)模型進(jìn)行3D打印，對(duì)產(chǎn)品的打印溫度、打印特性、打印產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度進(jìn)行比較與分析并得出結(jié)論，以期為今后3D打印材料的優(yōu)化選擇和應(yīng)用提供參考。

1 3D打印機(jī)械臂結(jié)構(gòu)模型及主要性能參數(shù)

1.1 3D打印機(jī)械臂結(jié)構(gòu)

機(jī)械臂是一種可以通過(guò)計(jì)算機(jī)程序控制的機(jī)械裝置，是工業(yè)機(jī)器人的一種特殊形式。本研究采用的機(jī)械臂主要由總電源開(kāi)關(guān)、小臂、大臂、末端工具、指示燈及底座等基本部件組成，相鄰兩部件用轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)連接。3D打印機(jī)械臂如圖1所示。

圖1 3D打印機(jī)械臂示意圖Fig.1 Schematic diagram of 3D printing manipulator

在3D打印中，常見(jiàn)的主要配套部件有擠出機(jī)、熱端、電機(jī)線、耗材及進(jìn)料管等，配套部件與機(jī)械臂按照工作順序和操作規(guī)程相互連接。

1.2 3D打印機(jī)械臂主要技術(shù)參數(shù)

在整個(gè)裝置的運(yùn)行中，機(jī)械臂起著關(guān)鍵作用，其最大負(fù)載達(dá)到500 g，最大伸長(zhǎng)距離達(dá)到320 mm，主要部件技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 機(jī)械臂主要部件技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of main parts of manipulator

2 基于機(jī)械臂3D打印的ABS與PLA材料對(duì)比

2.1 建立3D模型

以風(fēng)能發(fā)電裝置為例，通過(guò)UG NX 10.0軟件界面中的拉伸、旋轉(zhuǎn)、陣列、鏡像、倒圓(斜)角、曲面構(gòu)建等主要指令進(jìn)行三維建模，葉片分別設(shè)計(jì)成長(zhǎng)方形和扇形。在建模過(guò)程中，為保證打印時(shí)坐標(biāo)正確，選取XYZ坐標(biāo)系的原點(diǎn)為建模的中心點(diǎn)、Z軸為中心軸線。建模完成后，對(duì)構(gòu)建的風(fēng)能發(fā)電裝置圖形建立約束，確定數(shù)學(xué)模型，即確定模型各個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)關(guān)系，然后對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，確保與機(jī)械臂3D打印坐標(biāo)保持一致，最后對(duì)模型代碼進(jìn)行編寫(xiě)，通過(guò)機(jī)械臂完成對(duì)3D模型的打印。為保證建模與3D打印對(duì)應(yīng)的Studio軟件相互兼容，3D模型保存格式為.stl。

2.2 采用ABS與PLA材料進(jìn)行3D打印的流程及結(jié)果

本研究分別采用ABS與PLA材料進(jìn)行3D打印，選用的絲材直徑均為1.75 mm，具體打印流程如下：首先在計(jì)算機(jī)上安裝3D打印機(jī)械臂對(duì)應(yīng)的Studio軟件，通過(guò)USB插口連接3D打印機(jī)械臂；然后進(jìn)行打印前的準(zhǔn)備工作，設(shè)置打印間隔、打印坐標(biāo)、打印速度、打印溫度、切片等相關(guān)參數(shù)；最后啟動(dòng)UG NX 10.0軟件，把三維建模結(jié)果保存為.stl文件，導(dǎo)入Studio軟件中進(jìn)行3D打印。打印結(jié)果如圖2所示。

圖2 PLA和ABS材料打印結(jié)果示意圖Fig.2 Schematic diagram of PLA and ABS material printing results

在打印過(guò)程中，噴嘴與打印玻璃床的間隔要合適，打印玻璃床要用膠帶粘牢，防止打印坐標(biāo)發(fā)生變動(dòng)，軟件中對(duì)應(yīng)的打印機(jī)和擠出頭相關(guān)參數(shù)設(shè)置如圖3和圖4所示。

圖3 打印機(jī)相關(guān)參數(shù)設(shè)置Fig.3 Printer parameters configuration

圖4 擠出頭相關(guān)參數(shù)設(shè)置Fig.4 Extrusion head parameters configuration

2.3 ABS與PLA材料打印結(jié)果對(duì)比

(1)打印外觀：PLA材料較ABS材料透明光亮，但PLA材料的塑料毛刺比較多，影響成品的外觀美感和質(zhì)量。

(2)打印溫度：PLA材料需要加熱到190 ℃、ABS材料需要加熱到220 ℃，擠出裝置才能順暢擠出材料。溫度過(guò)低或過(guò)高，材料都不易擠出。在打印過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)ABS材料耐熱性好，而PLA材料較易堵塞熱端，產(chǎn)品周?chē)偷锥舜嬖诖罅慷嘤嗟臄D出材料，如圖2(a)所示。

(3)打印特性(功能)：加熱裝置方面，ABS材料打印必須使用加熱板(棒)，PLA材料在一定溫度下可以不用；氣味方面，打印過(guò)程中發(fā)現(xiàn)PLA材料沒(méi)有氣味，而ABS材料氣味相對(duì)重一些。

(4)應(yīng)用場(chǎng)合：選擇密封和不密封的兩種場(chǎng)合進(jìn)行3D打印，發(fā)現(xiàn)敞開(kāi)或密封不嚴(yán)的工作空間中，ABS較PLA材料遇冷易收縮。

(5)打印產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度：由圖2可知，盡管結(jié)構(gòu)稍有不同，但圖2(b)的效果好于圖2(a)。另外，在打印過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)采用PLA材料的產(chǎn)品容易折斷，而采用ABS材料的產(chǎn)品不易折斷，強(qiáng)度高，更具有韌性。

3 結(jié)語(yǔ)

分別采用ABS與PLA兩種塑料耗材進(jìn)行3D打印，對(duì)打印溫度、打印特性、打印產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析與優(yōu)化選擇。結(jié)果表明：3D打印較薄和受沖擊力大的產(chǎn)品時(shí)，打印材料優(yōu)先考慮使用ABS；在敞開(kāi)或密閉不嚴(yán)的空間，打印材料優(yōu)先考慮使用PLA。