【摘 要】
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熔丝制造（Fused Filament Fabrication,FFF）是目前应用最广泛的3D打印方法之一,但受到打印装备自由度和工艺规划方法的限制,传统的FFF平台仅能在一组平行平面上沉积材料,层内和层间机械性能差异明显,且容易产生阶梯效应,这些问题成为限制FFF进一步推广的瓶颈。为解决上述问题,本文基于工业中广泛应用的机械臂构建了一个多自由度FFF系统,通过多自由度的曲面打印提高打印物体的表面
【基金项目】
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中国与奥地利合作项目“生物纤维或颗粒增强的热塑性塑料沿着载荷方向的高效3D打印”（FFG No.860384）；
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熔丝制造（Fused Filament Fabrication,FFF）是目前应用最广泛的3D打印方法之一,但受到打印装备自由度和工艺规划方法的限制,传统的FFF平台仅能在一组平行平面上沉积材料,层内和层间机械性能差异明显,且容易产生阶梯效应,这些问题成为限制FFF进一步推广的瓶颈。为解决上述问题,本文基于工业中广泛应用的机械臂构建了一个多自由度FFF系统,通过多自由度的曲面打印提高打印物体的表面质量和力学性能。系统包含工艺路径规划、运动机构和材料挤出部件三个部分,提供从输入模型处理、路径规划、机器人控制代码和材料挤出控制代码的自动生成,支持常规热塑性材料和纤维增强材料的打印,并适用于不同型号的机器人平台。具体工作包含以下几部分:1)在基础平台方面,提出一个通用工业多轴机械臂FFF系统平台与相应的多自由度3D打印工艺流程。通过设计安装在臂末端法兰盘的扩展式挤出机插件,使平台支持常规聚合物和纤维增强材料。2)在工艺规划方面,针对多自由度打印提出一种空间连续路径规划方法,该方法首先将原始模型进行适当的扁平化变形并获得变形映射,然后在变形后的模型内生成基于费马螺线的连续路径,最后通过映射关系将其转换为空间曲面上的连续打印路径。该方法不但提升了打印物体的力学性能和表面质量,而且保证了机械臂FFF系统运行的平稳性。3)在控制方法方面,为保证对沉积材料位置与材料挤出速度进行精确的同步控制,平台使用了机械臂和挤出系统并行控制的架构。同时,为避免与打印工件碰撞,设计了一种末端位姿规划方法,保证机械臂末端的材料挤出与打印表面垂直。本文基于UR3机械臂搭建了多自由度FFF系统原型,针对平台与工艺分别展开实验测试。实验表明空间连续的路径规划使得该平台能够进行多自由度连续纤维增强材料的打印,且无需切断装置。相对传统FFF工艺,在针对特定弯曲结构的力学测试中,使用空间曲面路径规划打印的结构抗拉载荷最高提升了167%,横向弯曲载荷最高提升了38%。
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