紅外熱源輔助開(kāi)放空間工業(yè)機(jī)器人熔融沉積成形裝備設(shè)計(jì)與成形性能研究

楊飛 蔣威 陳誠(chéng) 黃志高 周華民

摘要：針對(duì)開(kāi)放空間工業(yè)機(jī)器人熔融沉積成形（FDM）的關(guān)鍵問(wèn)題，研發(fā)了基于6軸關(guān)節(jié)型機(jī)器人的FDM設(shè)備及控制系統(tǒng)。自主設(shè)計(jì)了可輔助加熱的打印頭，開(kāi)發(fā)了打印控制系統(tǒng)和機(jī)器人控制系統(tǒng)。通過(guò)提出打印頭擠出速度和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的同步匹配方法，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人FDM裝備的穩(wěn)定工作。然后提出了紅外熱源輔助工業(yè)機(jī)器人FDM成形方法，通過(guò)工藝試驗(yàn)研究了輔助熱源參數(shù)對(duì)制件宏觀力學(xué)性能和表面粗糙度的影響規(guī)律，通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)表征分析了增強(qiáng)機(jī)理。研究結(jié)果表明：在開(kāi)放空間環(huán)境下，紅外熱源可有效提高基材溫度，顯著增強(qiáng)分子鏈在股線界面處的擴(kuò)散纏結(jié)、提高界面結(jié)合強(qiáng)度，使得層間結(jié)合強(qiáng)度增大17.6%、制件表面粗糙度降低58%，驗(yàn)證了紅外熱源輔助開(kāi)放空間工業(yè)機(jī)器人熔融沉積成形方法的可行性和高效性。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；熔融沉積成形；紅外熱源輔助；速度匹配；結(jié)合強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TP182

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2023.11.010

Study on Infrared Heat Source-assisted Open-space Industrial Robotic

FDM Equipment Design and Forming Performance

YANG Fei1，2 JIANGWei1，2 CHENCheng1，2 HUANG Zhigao1，2 ZHOU Huamin1，2

1.School of Materials Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，

Wuhan，430074

2.State Key Laboratory of Materials Processing and Die & Mould Technology，Huazhong University

of Science and Technology，Wuhan，430074

Abstract： To solve the key problems of FDM for open-space industrial robots， the FDM equipment and control system were developed based on a 6-axis articulated robot. The printing head with assisted heating was designed， and the printing control system and robot control system were developed. By proposing the synchronous matching method of printing head extrusion speed and robot motion， the stable operation of the robotic FDM equipment was realized. Then the infrared heat source-assisted industrial robotic FDM forming method was proposed， and the influence law of the auxiliary heat source parameters on the macroscopic mechanics properties and surface roughness of the fabricated parts were studied through processing tests， and the enhancement mechanism was analyzed through microstructure characterization. The results show that under the open-space environment， the infrared heat source may effectively increase the substrate temperature， significantly enhance the diffusion entanglement of molecular chains at the strand interface and improve the interfacial bonding strength， resulting in a 17.6% increase in the interlayer bonding strength and a 58% reduction in the surface roughness of the parts， which verifies the feasibility and high efficiency of the infrared heat source-assisted open-space industrial robotic FDM method.

Key words： industrial robot； fused deposition modeling（FDM）； infrared heat source-assisted； velocity match； bonding strength

0 引言

3D打印是一種以逐層累積材料的方式為技術(shù)原型的增材制造技術(shù)，具有直接成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)制造一體化、制造周期短等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療仿生、快速制模等行業(yè)領(lǐng)域和場(chǎng)景［1-4］。聚合物增材制造主要包括樹(shù)脂光固化、激光選區(qū)燒結(jié)、熔融沉積，其中熔融沉積成形（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）是目前最廣泛用于制造聚合物零件原型的增材制造技術(shù)之一［5］，制造的零件原型可以作為最終實(shí)際應(yīng)用部件。熔融沉積成形的過(guò)程如下［6］：絲材送至擠出噴頭，高溫將絲材熔融，噴頭擠出材料并按路徑堆疊。目前有多種類型的熔融沉積成形設(shè)備，其區(qū)別在于驅(qū)動(dòng)噴頭運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)不同［7-9］，如商業(yè)化程度最高的笛卡兒式FDM打印設(shè)備、應(yīng)用較少的并聯(lián)式機(jī)構(gòu)Delta 3D打印設(shè)備［10-11］。

此外，還有串聯(lián)式多軸機(jī)械臂作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的3D打印方案。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在制造業(yè)中得到了巨大的發(fā)展，由于工業(yè)機(jī)器人具有多自由度高精度、可重復(fù)、響應(yīng)快速、結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)以及可以很好地與傳感器技術(shù)、人工智能和計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)協(xié)作等諸多優(yōu)點(diǎn)［12-14］，已廣泛應(yīng)用于焊接、裝配、材料處理和機(jī)械加工等領(lǐng)域，不少學(xué)者對(duì)工業(yè)機(jī)器人增材制造進(jìn)行了可行性研究［15-18］，工業(yè)機(jī)器人作為3D打印的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)噴頭完成高精度成形。BADARINATH等［19］通過(guò)集成ABB機(jī)器人與擠出頭搭建了6軸自由度工業(yè)機(jī)器人FDM設(shè)備，提出集成控制系統(tǒng)同步方法和床面補(bǔ)償算法解決了沉積速度與擠出速度匹配以及床面誤差問(wèn)題，但打印件的質(zhì)量與機(jī)械性能還有待進(jìn)一步研究。LI等［20］提出了一種工業(yè)機(jī)器人增減材一體制造工藝，研發(fā)的6軸機(jī)器人AM-SM設(shè)備在熔融沉積成形后原位進(jìn)行減材加工，提高了制件尺寸精度和表面質(zhì)量，但加工表面有局限性，并且增加了時(shí)間成本。FDM技術(shù)也被應(yīng)用于熱塑性復(fù)合材料領(lǐng)域中的復(fù)合結(jié)構(gòu)成形［21-24］ ，Electroimpact公司在連續(xù)碳纖維鋪放工藝中先通過(guò)機(jī)器人打印特殊結(jié)構(gòu)的高分子聚合物模具，后在模具上直接鋪放和纏繞連續(xù)碳纖維成形構(gòu)件，打印件模具的性能與質(zhì)量是影響后續(xù)鋪放工藝的關(guān)鍵指標(biāo)。

機(jī)器人的引入使得成形環(huán)境變?yōu)殚_(kāi)放的空間氛圍，為成形制件力學(xué)性能的提升帶來(lái)了局限性，而打印件的機(jī)械性能本質(zhì)上是聚合物絲材之間的結(jié)合性能，對(duì)此，LEPOIVRE等［25］研究了沉積過(guò)程中聚合物絲材的傳熱和黏附行為，發(fā)現(xiàn)股線溫度歷史是關(guān)鍵因素。WACH等［26］通過(guò)退火后處理提高結(jié)晶度的方式來(lái)提高機(jī)械性能，但提升幅度不大。HAN等［27］為提高打印件的機(jī)械強(qiáng)度，在打印過(guò)程中引入激光局部預(yù)熱方法來(lái)增加層間界面材料的熱松弛，從而提高結(jié)合強(qiáng)度。SHIH等［28］采用在每一次打印之前對(duì)打印表面進(jìn)行冷等離子處理的方式來(lái)提高結(jié)合強(qiáng)度，結(jié)果表明結(jié)合強(qiáng)度能充分提高，但時(shí)間成本和技術(shù)成本較高，適用性不強(qiáng)。綜上分析，工業(yè)機(jī)器人FDM技術(shù)具有高靈活性、可集成性、與其他工藝復(fù)合能力強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)，擁有廣闊的應(yīng)用前景，但開(kāi)放空間環(huán)境下機(jī)器人FDM工藝的優(yōu)化與制件機(jī)械性能的提升仍是亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

針對(duì)以上關(guān)鍵問(wèn)題和實(shí)際需求，本文選用KUKA 的KR 210 R2700-2型6軸自由度機(jī)器人作為運(yùn)動(dòng)載體，自主研發(fā)設(shè)計(jì)了集成度高、一體化控制的機(jī)器人FDM裝備及控制系統(tǒng)，同時(shí)提出并實(shí)現(xiàn)了基于UDP通信的同步速度匹配方法，完成了整體裝備設(shè)計(jì)與搭建。為了提高開(kāi)放空間環(huán)境下打印制件的性能，提出了紅外熱源輔助成形方法，研究了紅外熱源對(duì)基材的預(yù)熱能力，開(kāi)展了FDM試驗(yàn)，測(cè)試了制件力學(xué)性能并觀察顯微結(jié)構(gòu)，研究了紅外熱源對(duì)打印制件力學(xué)性能和表面質(zhì)量的影響，并基于斷面顯微結(jié)構(gòu)分析了影響機(jī)理，從而為后續(xù)的深入研究奠定基礎(chǔ)。

1 工業(yè)機(jī)器人FDM裝備總體設(shè)計(jì)

1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與組成

圍繞FDM工藝，本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人裝備采用KUKA的KR 210 R2700-2型6軸機(jī)器人，外加2軸變位機(jī)，該套執(zhí)行機(jī)構(gòu)總共8自由度，最大運(yùn)動(dòng)范圍為2696 mm，位姿重復(fù)誤差（ISO 9283）為±0.06 mm。本文設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人FDM裝備整體結(jié)構(gòu)如圖1a所示，該設(shè)備由工業(yè)機(jī)器人及變位機(jī)、預(yù)熱基臺(tái)、FDM打印頭組成。圖1b所示為紅外熱源輔助FDM打印頭模塊結(jié)構(gòu)，包括送料模塊、加熱模塊、散熱模塊、輔助熱源模塊和升降模塊，可實(shí)現(xiàn)送料、絲材熔融、擠出打印、散熱等功能，其中紅外熱源用于成形過(guò)程中材料表面的二次加熱，以提高打印過(guò)程中的界面結(jié)合溫度，紅外熱源功率可精準(zhǔn)控制。成形過(guò)程如下：絲材由送料模塊送至打印噴嘴，加熱模塊將絲材熔融，紅外熱源跟隨打印頭實(shí)時(shí)加熱噴嘴前沿的基材，打印頭在機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)下按照分層規(guī)劃好的路徑逐層打印。

本文研發(fā)搭建的工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化成形平臺(tái)主要具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：

（1）多自由度。工業(yè)機(jī)器人最多有8個(gè)自由度，熔融沉積成形不再局限于平面堆疊的打印方式，可實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜結(jié)構(gòu)的3D打印。

（2）高集成化?；诠I(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，將獨(dú)立的工業(yè)機(jī)器人和FDM裝備控制系統(tǒng)集成一體，圍繞工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上位控制主機(jī)對(duì)各個(gè)模塊的一體化控制。

（3）開(kāi)放性與靈活性。裝備可由任何一臺(tái)控制主機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)相連進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)外設(shè)備開(kāi)放，使用和開(kāi)發(fā)具有高靈活性和自由度。

1.2 工業(yè)機(jī)器人FDM裝備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)綜合考慮了工業(yè)機(jī)器人、打印頭、上位主機(jī)控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸和控制分層，工業(yè)機(jī)器人FDM裝備控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖2所示，系統(tǒng)總體分為三大部分：上位控制主機(jī)層、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)層、打印頭控制系統(tǒng)層，以工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)為核心展開(kāi)集成和開(kāi)發(fā)，基于簡(jiǎn)潔性、輕量化的原則，控制系統(tǒng)之間采用以太網(wǎng)通信來(lái)實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。主要的控制邏輯和過(guò)程為：上位主機(jī)為頂層控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)零件三維建模、路徑規(guī)劃獲得路徑數(shù)據(jù)，然后通過(guò)以太網(wǎng)通信將所有指令與路徑數(shù)據(jù)傳輸至工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)，工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)作為中間層接收指令與路徑數(shù)據(jù)，并將控制信號(hào)與數(shù)據(jù)解析傳輸至打印頭控制系統(tǒng)進(jìn)行響應(yīng)，同時(shí)機(jī)械臂執(zhí)行同步運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)熔融沉積成形。本設(shè)計(jì)中打印頭控制系統(tǒng)是一個(gè)高集成度的PLC系統(tǒng)，包括擠料控制模塊、散熱控制模塊、加熱控制模塊、升降控制模塊，其中加熱控制包括打印溫度控制以及紅外熱源控制。打印頭直接受工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)控制，在非自動(dòng)控制模式下可以通過(guò)控制面板進(jìn)行手動(dòng)控制，在打印頭顯示面板上能夠監(jiān)控工藝過(guò)程中的參數(shù)（如打印溫度、輔助熱源溫度、打印速度等）。

該KUKA工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)支持UDP/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)通信，并通過(guò)機(jī)器人傳感器接口（robot sensor interface，RSI）對(duì)象Ethernet實(shí)現(xiàn)與外界系統(tǒng)實(shí)時(shí)、快速的數(shù)據(jù)交換。基于RSI對(duì)象的工業(yè)機(jī)器人開(kāi)放控制系統(tǒng)通信方法如圖3所示，該對(duì)象可定義多個(gè)輸入輸出端和數(shù)據(jù)處理模塊，輸入端的信號(hào)與數(shù)據(jù)來(lái)自機(jī)器人，經(jīng)RSI系統(tǒng)處理后發(fā)送至外部通信端，輸出端輸出經(jīng)RSI系統(tǒng)處理后的信號(hào)與數(shù)據(jù)，一方面機(jī)械臂對(duì)輸出端的數(shù)據(jù)與信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)，另一方面數(shù)據(jù)也傳輸至FDM系統(tǒng)，用以控制打印頭動(dòng)作，機(jī)器人作為媒介可實(shí)現(xiàn)與控制主機(jī)、FDM系統(tǒng)的通信與控制。RSI系統(tǒng)按照特定頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與處理，節(jié)拍周期固定為4 ms。根據(jù)成形系統(tǒng)需求定義所需參數(shù)與變量，包括機(jī)器人的實(shí)時(shí)坐標(biāo)，加熱、散熱、升降等控制變量，以及送料速度、打印溫度等工藝參數(shù)，配置RSI上下文。該通信系統(tǒng)面向外界系統(tǒng)開(kāi)放，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行通信。

1.3 擠料速度匹配

本文機(jī)器人路徑規(guī)劃基于STL模型，根據(jù)設(shè)定的工藝參數(shù)進(jìn)行分層切片和路徑規(guī)劃從而獲得路徑數(shù)據(jù)。打印過(guò)程中工業(yè)機(jī)器人與上位控制主機(jī)之間通過(guò)UDP通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸交換，路徑點(diǎn)數(shù)據(jù)作為傳輸數(shù)據(jù)包含點(diǎn)坐標(biāo)值以及該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的工藝數(shù)據(jù)，基于UDP/IP協(xié)議，采用套接字通信編程，將路徑點(diǎn)數(shù)據(jù)按序傳輸至工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程如圖4所示，其中k為數(shù)據(jù)點(diǎn)總量。在成形過(guò)程中擠料速度依賴于機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)速度，同時(shí)為減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量和降低數(shù)據(jù)冗余性，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中，根據(jù)每條路徑段的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)速度同步計(jì)算擠料速度，封裝數(shù)據(jù)后通過(guò)Socket套接字與機(jī)器人Ethernet對(duì)象進(jìn)行傳輸交換，再由機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和響應(yīng)，直至路徑點(diǎn)全部傳輸完畢后打印結(jié)束，可有效減少數(shù)據(jù)冗余存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了擠料速度的同步匹配。

在熔融沉積成形過(guò)程中，擠料速度與機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)速度有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)速度在成形過(guò)程中是可變化的，為了保持成形精度，擠料速度需隨之同步相適應(yīng)地改變，參考文獻(xiàn)［19］中的擠料實(shí)驗(yàn)結(jié)論及計(jì)算模型并加以改進(jìn)，本文中熔融沉積擠出模型如圖5a所示，直徑為D的聚合物絲材以速度vf送至加熱端，熔融后由噴嘴擠出至基面，同時(shí)機(jī)械臂以速度vr運(yùn)動(dòng)。熔融聚合物從噴嘴中擠出并沉積在基面上，形成一個(gè)截面近似矩形、層高一定的股線。成形過(guò)程中，材料體積流量守恒，被送入打印頭的體積等于熔融材料從噴嘴流出的體積流量，可表示為

式中，D為聚合物絲材直徑；vf為絲材被送入的速度；vr為沉積速度（即機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)速度）；w為沉積股線的寬度；h為層高。

線材送入速度與送料電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系為

式中，dm為送料輪直徑；n′w為送料電機(jī)的轉(zhuǎn)速（即擠料速度）。

整理上述公式，有

式中，nw為實(shí)際輸出的送料轉(zhuǎn)速（即實(shí)際擠料速度）；β為速度倍率因子，可按比例控制實(shí)際擠出速度與打印速度的比值。

層高和擠出寬度范圍限制參考文獻(xiàn)［19］，并按照如下公式以及工藝需求確定：

0.25d≤h≤d（5）

（d+h）≤w≤（dw+h）（6）

其中，d為噴嘴內(nèi)徑，dw為噴嘴外徑，如圖5a所示。沉積速度vr、層高h(yuǎn)、沉積寬度w在路徑規(guī)劃時(shí)根據(jù)打印需求作為工藝參數(shù)輸入，以獲得路徑數(shù)據(jù)。

路徑數(shù)據(jù)傳輸和速度匹配模型如圖5b所示，數(shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)為k，以時(shí)間軸為基準(zhǔn)，將路徑點(diǎn)數(shù)據(jù)按順序以固定節(jié)拍傳輸給工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，節(jié)拍周期ΔT設(shè)為4 ms。擠料速度同步匹配計(jì)算的具體過(guò)程如下。

計(jì)算當(dāng)前路徑段的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)速度：

其中，v（i）r為在第i段路徑時(shí)的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)速度，它不超過(guò)機(jī)器人最大速度vmax 限制；ΔT為節(jié)拍周期；ΔSi為第i段路徑長(zhǎng)度，可由下式計(jì)算得到：

其中，xj、yj、zj為當(dāng)前點(diǎn)坐標(biāo)值，xj-1、yj-1、zj-1為前一點(diǎn)坐標(biāo)值，兩點(diǎn)之間的距離ΔSi可變，路徑規(guī)劃時(shí)，依據(jù)工藝過(guò)程確定路徑點(diǎn)密度，進(jìn)而控制速度。進(jìn)一步根據(jù)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)速度以及速度倍率因子計(jì)算當(dāng)前路徑段對(duì)應(yīng)的擠料速度：

n（i）w=f（β，v（i）r）i=1，2，…，k-1（9）

其中，n（i）w為第i段路徑段對(duì)應(yīng)的擠料速度，f（β，v（i）r）表示計(jì)算擠料速度的函數(shù)。路徑點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中循環(huán)重復(fù)上述求解過(guò)程，直至完成所有路徑的速度同步匹配。

2 紅外熱源輔助成形方法

2.1 熱源輔助強(qiáng)化結(jié)合強(qiáng)度原理

工業(yè)機(jī)器人FDM成形設(shè)備由于結(jié)構(gòu)體型較大、所占空間大、無(wú)法裝備恒溫腔、成形環(huán)境處于開(kāi)放的空間中，使得打印件的宏觀力學(xué)性能較低，為了進(jìn)一步提高成形制件的性能，本文提出紅外熱源輔助FDM成形的方法，如圖6所示，在打印頭前方加裝紅外輻射熱源，對(duì)材料表面進(jìn)行打印前的預(yù)加熱和打印后的再加熱。

界面結(jié)合溫度是影響結(jié)合強(qiáng)度最主要的因素。噴頭擠出黏流態(tài)絲材與已沉積股線結(jié)合主要經(jīng)歷三個(gè)過(guò)程：兩者界面接觸（過(guò)程Ⅰ）；接觸面的絲材軟化浸潤(rùn)熔合，熔合線在熱能激發(fā)下逐漸生長(zhǎng)（過(guò)程Ⅱ）；當(dāng)溫度高于無(wú)定形聚合物的玻璃化溫度 Tg或半結(jié)晶聚合物的熔融溫度Tm時(shí)， 絲材處于松弛狀態(tài)，高分子鏈支鏈在熱驅(qū)動(dòng)下擴(kuò)散纏結(jié)，結(jié)合強(qiáng)度隨著分子通過(guò)界面的擴(kuò)散纏結(jié)而繼續(xù)增大（過(guò)程Ⅲ）。當(dāng)溫度低于Tg時(shí)，整個(gè)股線的分子鏈被凍結(jié)， 停止擴(kuò)散， 最終完成了股線之間的黏結(jié)［29-30］。擠出絲材與上一層材料、本層相鄰絲材股線之間的結(jié)合均會(huì)經(jīng)歷上述過(guò)程，界面結(jié)合時(shí)溫度和持續(xù)時(shí)間是影響層間結(jié)合強(qiáng)度最主要的因素，在輔助熱源作用下，基材表面可被穩(wěn)定、充分加熱，擠出絲材股線與基材之間的溫度梯度降低，界面結(jié)合溫度提高，持續(xù)時(shí)間增加，界面接觸時(shí)高分子支鏈可擴(kuò)散纏結(jié)充分，層間結(jié)合強(qiáng)度可以得到提高。

2.2 打印過(guò)程實(shí)際溫度測(cè)量

2.2.1 紅外燈管參數(shù)與測(cè)量方法

為得到實(shí)際打印過(guò)程中材料表面的真實(shí)溫度，進(jìn)一步驗(yàn)證輔助加熱的有效性，本文進(jìn)行了熱源輔助打印工藝試驗(yàn)，對(duì)打印過(guò)程中被輻照材料表面的實(shí)際溫度進(jìn)行了測(cè)量。本文采用測(cè)溫響應(yīng)快、慣性小、可遠(yuǎn)距離傳輸測(cè)量信號(hào)、精確度高的K型超細(xì)熱電偶直接與材料接觸測(cè)量的方法，如圖7所示，通過(guò)搭建在線溫度測(cè)量平臺(tái)，將線徑為0.08 mm的超細(xì)熱電偶預(yù)埋在已打印的上一層材料表面的打印方向上，當(dāng)打印頭經(jīng)過(guò)預(yù)埋傳感器的基材時(shí)，采用100 Hz的頻率通過(guò)熱電偶變送器采集溫度，采集的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)采集卡轉(zhuǎn)換后在電腦主機(jī)實(shí)時(shí)顯示。本文所使用的輔助熱源為杭州萊維光電技術(shù)有限公司的碳中波紅外加熱器，參數(shù)如表1所示，燈管長(zhǎng)度Lc與燈管平均功率密度PI的乘積即為燈管的整體功率，計(jì)算可得輔助熱源的功率為60 W。

2.2.2 溫度測(cè)量結(jié)果

打印速度15 mm/s時(shí)的溫度測(cè)量結(jié)果如圖8a所示，紅外燈輔助熱源通過(guò)設(shè)定輸出功率比例來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率，測(cè)量未開(kāi)輔助熱源以及輸出功率比例η為40%、45%、50%（對(duì)應(yīng)實(shí)際功率分別為24 W、27 W、30 W）時(shí)的實(shí)際溫度。打印過(guò)程中實(shí)際溫度如圖8a所示，未開(kāi)熱源時(shí)，打印過(guò)程中溫度穩(wěn)定不變，輔助熱源作用時(shí)，隨著輸出功率的增大，材料表面溫度明顯逐漸升高；從圖8b中可以看出，未開(kāi)熱源時(shí)，溫度穩(wěn)定在78 ℃左右，這是因?yàn)榛_(tái)進(jìn)行了預(yù)熱（85 ℃），隨著熱源功率的增大，實(shí)際溫度基本呈近線形升高，當(dāng)熱源功率為30 W時(shí)，溫度已經(jīng)上升到98 ℃左右，初步驗(yàn)證了紅外熱源輔助加熱的有效性和可行性，并確定初步的工藝區(qū)間窗口，以開(kāi)展FDM工藝制件性能研究試驗(yàn)。

3 FDM工藝試驗(yàn)

3.1 工藝試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試樣制備

成形制件的質(zhì)量和性能與FDM設(shè)備以及工藝條件密切相關(guān)［31-33］，基于第2節(jié)中紅外熱源下材料表面溫度測(cè)量結(jié)果開(kāi)展工藝試驗(yàn)，進(jìn)一步探究該工藝的成形性、成形制件的力學(xué)性能以及紅外熱源參數(shù)對(duì)性能的影響規(guī)律。試驗(yàn)材料為易生公司的聚乳酸（PLA），打印溫度為190～230 ℃，熱變形溫度為53 ℃，材料拉伸強(qiáng)度為72 MPa。采用不同工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)際打印試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。

本文主要研究輔助熱源參數(shù)對(duì)成形制件不同打印方向上的力學(xué)性能、層間結(jié)合質(zhì)量和表面質(zhì)量的影響，打印過(guò)程如圖9a所示，打印制備如圖9b所示Ⅰ和Ⅱ種股線方向上不同的標(biāo)準(zhǔn)試樣，Ⅰ類型試樣拉伸方向與股線方向相平行（即0°方向）；Ⅱ類型試樣拉伸方向與股線方向垂直（即90°方向）。最終制備的0°和90°方向的標(biāo)準(zhǔn)試樣分別如圖9c和圖9d所示，所用設(shè)備如圖9e所示，對(duì)試樣進(jìn)行性能測(cè)試并觀察顯微結(jié)構(gòu)。

本文根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1040.2—2006對(duì)上述打印制備的標(biāo)準(zhǔn)試樣采用單軸拉伸試驗(yàn)測(cè)試試樣的拉伸性能，單軸拉伸試驗(yàn)采用德國(guó)Zwick/Roell Z020電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，每種工藝參數(shù)條件下進(jìn)行3組重復(fù)試驗(yàn)并取平均值。打印制件表面采用日本Hirox HR-5000E超景深顯微鏡進(jìn)行觀察和表征表面形貌粗糙程度。為了觀察試樣斷面形貌以及界面結(jié)合情況，試樣拉伸斷面采用JSM-7600F熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FSEM）進(jìn)行觀察。

3.2 結(jié)果分析與討論

3.2.1 輔助熱源參數(shù)對(duì)制件性能的影響

為了探究輔助熱源溫度參數(shù)對(duì)制件力學(xué)性能的影響，對(duì)平行于股線方向（0°方向）和垂直于股線方向（90°方向）進(jìn)行單軸拉伸力學(xué)試驗(yàn)，打印速度均為15 mm/s，拉伸強(qiáng)度結(jié)果如圖10所示。

由圖10a可知，未設(shè)置熱源時(shí)，單向拉伸強(qiáng)度為61.7 MPa，為該P(yáng)LA原材料最大拉伸強(qiáng)度的85.7%，這是由于打印過(guò)程中股線之間存在孔隙，并非100%填充；隨著表面溫度的升高，拉伸強(qiáng)度略微下降，當(dāng)熱源功率為30W、材料表面溫度為98.17℃時(shí)，拉伸強(qiáng)度為59.1 MPa，相比無(wú)熱源時(shí)僅下降約4.2%。由此可知，輔助溫度的升高幾乎不會(huì)造成股線方向單向拉伸強(qiáng)度的降低。

垂直股線方向的拉伸強(qiáng)度結(jié)果如圖10b所示，可以看出拉伸強(qiáng)度隨熱源功率的增大而增大。無(wú)熱源時(shí)，拉伸強(qiáng)度為32.62 MPa，此時(shí)的層內(nèi)強(qiáng)度是無(wú)熱源時(shí)0°方向拉伸強(qiáng)度的53%，當(dāng)輔助熱源功率為27 W、材料表面溫度為90.48 ℃時(shí)，拉伸強(qiáng)度為38.4 MPa，在本組參數(shù)試驗(yàn)中強(qiáng)化效果最明顯，相對(duì)于無(wú)熱源時(shí)，強(qiáng)度增大了17.6%，強(qiáng)化效果十分明顯。與功率為27 W相比，功率為30 W時(shí)的結(jié)合強(qiáng)度提升不明顯，這是因?yàn)樵诠β瘦敵霰壤秊?5%～50%（即功率在24～30 W之間），輔助熱源強(qiáng)化作用已經(jīng)達(dá)到極限［34-35］。

由于各向異性的特點(diǎn)，制件中垂直于股線方向的強(qiáng)度（即層內(nèi)股線之間的結(jié)合強(qiáng)度）決定了整個(gè)制件的性能，因此，強(qiáng)化層內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度十分必要，而界面結(jié)合時(shí)溫度和持續(xù)時(shí)間是影響界面結(jié)合強(qiáng)度最關(guān)鍵的因素，層內(nèi)強(qiáng)度結(jié)果表明，隨著材料表面溫度的升高，擠出絲材與基材之間的溫度梯度降低，隨著界面結(jié)合溫度的升高以及持續(xù)時(shí)間的增加，界面處高分子支鏈擴(kuò)散纏結(jié)越來(lái)越充分，宏觀上的層內(nèi)拉伸強(qiáng)度變大，紅外熱源輔助方法強(qiáng)化結(jié)合強(qiáng)度效果顯著。此外，當(dāng)溫度高于某個(gè)最優(yōu)區(qū)間時(shí)，熱驅(qū)動(dòng)的高分子鏈擴(kuò)散纏結(jié)能力達(dá)到極限，溫度則不再成為結(jié)合強(qiáng)度提升的主導(dǎo)因素，因此結(jié)合強(qiáng)度強(qiáng)化達(dá)到極值。

3.2.2 輔助熱源參數(shù)對(duì)制件結(jié)構(gòu)的影響

為了進(jìn)一步探究試樣斷裂破壞原因，觀察制件內(nèi)部的結(jié)合情況，取拉伸斷面噴金進(jìn)行SEM觀察，如圖11所示，其中，圖11a、圖11b為無(wú)熱源時(shí)的試樣斷面形貌SEM顯微圖，其余為有熱源功率參數(shù)（功率輸出比例40%～50%）的試樣斷面形貌SEM顯微圖。在不同輔助熱源參數(shù)下層間結(jié)合情況差別十分明顯，無(wú)輔助熱源時(shí)，層間股線結(jié)合有明顯界面，如圖11a和圖11b所示，熔合線明顯，層與層之間分界清晰分明且間隙較寬，這是因?yàn)椴牧祥g的浸潤(rùn)結(jié)合不充分、高分子支鏈擴(kuò)散程度低；當(dāng)輔助熱源功率為24 W時(shí)，從圖11c和圖11d中可見(jiàn)層間結(jié)合明顯改善，熔合線顯著變細(xì)，其間隙變窄；當(dāng)輔助熱源功率增大至27 W及30 W時(shí)，熔合線已經(jīng)模糊，幾乎完全消失，可見(jiàn)一定寬度的熔合區(qū)，材料界面間的浸潤(rùn)結(jié)合充分，高分子鏈在充分的熱驅(qū)動(dòng)下充分地?cái)U(kuò)散和纏結(jié)，實(shí)現(xiàn)了良好的界面結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度明顯增大。此外，對(duì)比圖11e和圖11g可知，界面結(jié)合程度基本相同，這解釋了前述3.2.1節(jié)中對(duì)應(yīng)的不同溫度下90°方向的拉伸強(qiáng)度大小近乎相同的微觀機(jī)理，這是由于溫度輔助作用致使界面結(jié)合程度已經(jīng)達(dá)到極限，溫度不再是影響90°方向拉伸強(qiáng)度的主導(dǎo)因素。

為了進(jìn)一步研究輔助熱源的引入對(duì)成形制件的表面形貌及粗糙度的影響，采用超景深電子顯微鏡觀察典型輔助熱源參數(shù)下打印的制件并掃描表面輪廓。圖12顯示了掃描的表面形貌圖像，表3所示為粗糙度測(cè)量結(jié)果。未使用輔助熱源時(shí)，成形的表面形貌如圖12a所示，表面股線形狀明顯，溝壑分明，表面最大粗糙度為400.2 μm；使用輔助熱源且功率為24 W時(shí)，如圖12b所示，制件表面的質(zhì)量有所改善，表面粗糙度為281.1 μm；輔助熱源功率增大到27 W時(shí)，如圖12c所示，制件表面形貌得到進(jìn)一步改善，表面粗糙度為206.0 μm，當(dāng)輔助熱源功率增大到30 W時(shí)，如圖12d所示，制件表面較為平滑且均勻，表面粗糙度為168.2 μm，相比于未使用輔助熱源時(shí)減小了58%，表面結(jié)構(gòu)更加平整，表面質(zhì)量得到了提高。

4 結(jié)論

（1）本文自主研發(fā)設(shè)計(jì)并搭建了高集成度工業(yè)機(jī)器人熔融沉積成形（FDM）裝備，依據(jù)工藝特點(diǎn)和需求設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了裝備控制系統(tǒng)。根據(jù)FDM的成形原理與擠料模型提出了擠料速度同步匹配方法，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人熔融沉積成形。

（2）針對(duì)無(wú)恒溫腔開(kāi)放空間環(huán)境下股線界面結(jié)合強(qiáng)度低的難題，本文提出了紅外熱源輔助成形方法調(diào)控界面結(jié)合性能，打印過(guò)程中材料實(shí)際溫度明顯升高，驗(yàn)證了紅外輔助加熱的有效性。

（3）力學(xué)性能測(cè)試表明，機(jī)器人FDM制件0°方向強(qiáng)度能夠達(dá)到原材料強(qiáng)度的85.7%，輔助熱源溫度的升高幾乎不影響該方向上的強(qiáng)度。90°方向的強(qiáng)度強(qiáng)化明顯，輔助熱源顯著強(qiáng)化了界面結(jié)合，當(dāng)打印速度為15 mm/s、輔助熱源功率輸出比例為45%（即熱源功率為27 W）時(shí)，最大強(qiáng)化達(dá)到17.6%，制件力學(xué)性能提升明顯。

（4）觀察斷面顯微結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，未使用輔助熱源時(shí)的制件界面分明，熔合線明顯。輔助熱源以45%輸出比例（即熱源功率為27 W）及以上的功率輔助成形時(shí)，結(jié)合界面模糊，結(jié)合程度高，主要是因?yàn)檩o助熱源使得高分子鏈擴(kuò)散和纏結(jié)充分，宏觀上大幅增強(qiáng)結(jié)合強(qiáng)度。此外，相比于無(wú)輔助熱源成形，輔助熱源成形可有效降低制件表面粗糙度，50%輸出比例（即熱源功率為30 W）時(shí)的制件表面粗糙度可降低58%。

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