連續碳纖維混合3D打印工藝及仿生腿性能研究

高志遠,茅 健,錢 波

(上海工程技術大學 機械與汽車工程學院, 上海 201620)

連續纖維增強熱塑性復合材料(CFRTPCs),因其在密度、剛度、質量、疲勞特性等性能方面的優異性能,且具有更高環境的使用要求,近年來在醫療、汽車、航空航天等行業的應用越來越廣泛[1-3]。國內外研究者根據連續碳纖維復合材料的特點,對連續碳纖維復合材料進行了大量應用研究,如仿生羽毛[4]、小尺寸無人機[5]、帽型梁[6]等。但傳統連續纖維增強復合材料制造工藝,如模壓成型、纏繞成型和拉擠成型等,在成型過程中往往需要模具,導致開發周期長、成本高,而且難以在成型過程中對制件中連續碳纖維的含量進行精確調控[7-9]。

3D打印作為新興增材制造的形式,具有一體成型、無需組裝、設計靈活且節約材料等優勢,不需要任何特殊的工具、設備或模具[10-11]。近年來,連續碳碳纖維增強復合材料在3D打印技術上的應用取得了較好的成果,目前針對連續碳纖維3D打印工藝的研究,主要集中于打印工藝參數分析,或通過設計連續碳纖維的打印路徑調控連續碳纖維的排布方向,提高打印成品的力學性能,較難實現靈活調控零部件中碳纖維的含量[9,12-13]。

田小永等[1]以連續纖維和熱塑性樹脂為原材料進行3D打印,通過調控纖維與樹脂的進給速度,實現打印過程中纖維含量的動態調控。Markforged X7打印機能夠在打印中動態調控零件內部各處的連續碳纖維的含量,使用兩個擠出機和兩個打印頭,分別將基體和連續碳纖維擠出到所需的位置,通過逐層打印方法對需要放置的連續纖維進行調控[14-16]。

本文分析了碳纖維復合材料3D 打印制件中連續碳纖維的排布方式和分布含量對制件力學性能的影響,并以此為依據通過連續碳纖維與Onyx材料混合增強3D打印出四足機器人仿生腿,根據其受力情況與幾何特征,討論碳纖維在仿生腿中的分布及含量對仿生腿力學性能及失效行為的影響。根據靜力學仿真結果與承載力實驗結果,對仿生腿各部位的連續碳纖維的分布及含量進行工藝規劃,提升四足機器人仿生腿的承載比性能。

1 雙噴頭混合3D打印工藝

1.1 打印材料和設備

選用Markforged公司連續碳纖維絲材,直徑約為0.34～0.38 mm,以短切碳纖維與高性能尼龍混合所得Onyx復合材料為基材,其中短切碳纖維材料占比約為15%,直徑約為1.75 mm,該材料具有良好的耐腐蝕性和耐熱性。打印設備采用Markforged公司雙噴頭連續碳纖維復合材料3D打印機,其由兩對擠出電機、兩個加熱塊和兩個工作噴嘴組成,打印時雙打印噴頭分別擠出連續碳纖維和基材,噴頭結構如圖1所示,支持基體材料與連續碳纖維同時進行打印。

1.2 打印原理

雙噴頭裝置3D打印原理如圖2所示,在打印過程中根據要求對連續碳纖維的鋪設位置和含量進行動態調整,通過改變打印層中的纖維量或者指定要增強的層數,調控3D打印制件中不同部位的連續碳纖維的鋪設含量和分布。

圖2 雙噴頭3D打印原理圖

1.3 連續碳纖維復合材料打印分析

由于碳纖維復合材料3D打印制件的拉伸強度,會隨著碳纖維鋪設含量的增加而增強,其層間連續碳纖維的含量與拉伸強度成正相關,其層間連續碳纖維含量與拉伸強度的增強趨勢如圖3所示。

圖3 連續碳纖維復合材料拉伸強度

為了能夠直觀地分析連續碳纖維在制件中的排布方式對制件力學性能產生的影響,利用ANSYS軟件對連續碳纖維復合材料3D打印樣條進行有限元建模與仿真分析,樣條選用ASTM D638標準進行測試[17]。如圖4所示,對樣條施加一個垂直向下力,觀察樣條受力時各處的等效彈性應變分布和等效應力分布。當樣條受力發生凸向下的彎曲變形時,其靠近底面的下半部分受到拉伸力,導致纖維伸長,靠近頂面上部分受到壓縮的力,導致纖維縮短,y中性層受力較小。

圖4 樣條受力狀況分析

仿真結果如圖5所示,可以看到,樣條彎曲變形時,從中性層至兩側面等效彈性應變分布和等效應力分布逐漸增大,因此可增加樣條上下表面附近連續碳纖維含量,減小樣條中心處的連續碳纖維分布,以達到更優秀的承載能力。

圖5 樣條仿真分析結果

樣條靠近上下表面處連續碳纖維增強的排布結構如圖6(a)所示,相對于圖6(b)中的連續碳纖維在打印層中均勻分布的打印方式,可在減少連續碳纖維整體含量的情況下承受同樣的載荷,提升連續碳纖維復合材料3D打印制件的性價比,打印時樣條層間切片中連續碳纖維的分布如圖6(c)所示。樣條中連續碳纖維含量呈兩側高中間低分布,如下式所示

圖6 連續碳纖維排布分析

(1)

2 四足機器人仿生腿仿真

2.1 腳部受力分析

由于四足仿生機器人在行走時,腳部與地面的接觸部位隨四足機器人步態的變化而改變,其受力部位也隨著腳部與地面的接觸部位而變化,如圖7所示。仿生腿受載工作時,需保證不會因受力方向的改變而導致失效變形,從而影響其性能。根據四足機器人自然站立工況下大小腿之間的夾角,設定仿真時仿生腿大小腿之間的夾角為114°,連接類型為綁定連接,此時大小腿之間無相對運動。行走過程中,腳部的6個曲面從左至右依次接觸低地面,由于前擺關節的最小活動范圍為-25°至150°,因此最右側曲面在行走過程幾乎與地面無接觸。

圖7 仿生腿運動時腳部的受力方向

參考仿生四足機器人行走時腳面與地面接觸的順序,從左至右選用3組極端受力工況,分別以腳部最左端兩曲面、中間兩曲面、右端兩曲面作為受力曲面,如圖7所示,對3組工況進行靜力學仿真。

古希臘哲學家亞里斯多德說：“兒童善于模仿知識，模仿就是學習?！蹦７碌奶攸c在于針對性強、有法可循，既降低了學習的難度，又收到了明顯的效果，為今后真正寫作打好基礎。我以蘇教版二上《我叫黑臉琵鷺》仿寫指導課為例，淺談自己在提升學生寫話能力方面做的一些嘗試。

2.2 連續碳纖維復合材料特性

Onyx材料是由短切碳纖維與高性能尼龍材料混合所得的具有各向同性的復合材料,連續碳纖維增強復合材料為各向異性材料,其材料特性在縱向與橫向具有很大的不同,平行于碳纖維方向的力學性能要遠好于垂直碳纖維方向的力學性能。因此,仿生腿打印時碳纖維的排列方向與主要受力方向應盡可能保持一致,如圖8所示。

圖8 仿生腿中連續碳纖維的排布方向:(a) 小腿上部;(b) 大腿下部

仿真時需要對連續碳纖維復合材料本構常數,如楊氏模量和泊松比進行求解,常用數學和數值技術,如混合物法則(ROM),反ROM(IROM),Halpin-Tsai模型等。本文采用ROM方法對碳纖維增強復合材料的縱向楊氏模量EL和縱向泊松比μLT求解,使用Halpin-Tsai方程計算碳纖維復合材料的橫向楊氏模量ET,使用混合規則模型對橫向泊松比μTL進行計算[11,18-19]。

(2)

由上文1.3小節可知,材料拉伸強度隨著纖維含量的增加不斷提高,但當連續碳纖維含量超過40%后,連續纖維復合材料的界面性能會隨著連續碳纖維含量的增加而降低,從而導致抗彎性能下降[20]。假設打印時連續碳纖維在仿生腿中均勻分布含量為20%,根據Markforged公司材料參數表可知,基材Onyx材料Em=1 400 MPa,μm=0.4;連續碳纖維束的楊氏模量Ef=60 000 MPa,泊松比,μf=0.32。計算可得:碳纖維復合材料縱向楊氏模量EL=13 120 MPa,縱向泊松比μLT=0.384,橫向楊氏模量ET=2 385 MPa,橫向泊松比,μTL=0.655。其橫向兩方向模量相等為E1=E2=ET,縱向模量為E3=Ef,通過復合材料柔性矩陣對材料本構的彈性常數進行計算賦值。

2.3 四足機器人仿生腿網格劃分

仿真時首先對仿生腿進行網格劃分,如圖9所示,對可能產生應力集中的部位,如關節連接處與腳步連接處進行網格加密,對網格密度進行靈敏度檢查。當雙倍增大網格密度時,仿真結果的變化程度小于1%,則認為設定的網格密度是足夠的,最終網格由162 196個網格和281 457個節點組成。

圖9 仿生腿網格分布

2.4 不同工況仿生腿仿真結果及分析

根據四足機器人仿生腿的載荷要求,單腿承載力不低于700 N,因此在仿真時,分別對3種工況的受力曲面施加一個垂直向上的700 N作用力,可得四足機器人仿生腿等效應力的分布仿真結果,如圖10所示。

圖10 仿生腿等效應力分布仿真結果

從圖11仿生腿應力集中部位的仿真結果看,仿生腿3組工況在受力時,其等效應力集中分布在腳部與腿的交界處、大小腿的關節連接處及零件的孔洞結構處,最大等效應力為299.10 MPa。由于仿生腿大小腿結構不同,使用篩選器對大腿與小腿的主要平面進行過濾,觀察其等效應力分布情況,可知大腿仿生腿大腿處應力最大為79.6 MPa,小腿應力集中處的最大應力為112.4 MPa,四足機器人仿生腿小腿部主體部分的等效應力分布要大于大腿部的等效應力分布,小腿下半部的等效應力分布更為明顯。

圖11 仿生腿應力集中部位

圖12為仿生腿受力變形仿真結果,可以看到,仿生腿的變形主要集中在仿生腿小腿及腳部,而大腿部分很少發生變形。為了減小仿生腿的變形量,還需適當增加仿生腿小腿處及腳步的連續碳纖維含量,增強小腿的抗變形能力,減少大腿部位的連續碳纖維含量,進一步提升仿生腿3D打印的性價比。

圖12 仿生腿形變狀況仿真結果

由上文1.3小節可知,連續碳纖維在層間排布為20%時,最大拉伸強度為213 MPa,3組工況下最大應力達到281.15 MPa(表1),此時四足機器人仿生腿有可能出現結構失效情況,為驗證仿真結果的準確性,通過下文實驗對仿真結果進行驗證。

表1 3組工況下仿生腿的最大等效應力與總變形量

2.5 碳纖維3D打印仿生腿實驗驗證

打印時需選擇合理的工藝參數,如打印溫度(t)、打印層高(H)、移動速度(v1)、送料速度(v2)等,對連續碳纖維和基體的浸漬、沉積線和層之間的結合強度、成型精度、成型效率、制造成本及力學性能都會產生重大影響,本實驗選擇的打印工藝參數如表2所示。

表2 連續與短切碳纖維雙噴頭打印工藝參數

在進行承載實驗時,仿生腿中連續碳纖維含量分布較為平均,部分應力集中處還未選擇性增強。為了分析實驗中仿生腿的形變情況,選用仿生腿30°外展工況進行相應的測試,如圖13所示。此時仿生腿在垂直方向和側面受力大小相同,選用30°外展工況進行實驗,不僅可驗證上文垂直方向的仿真結果,還能對仿生腿側面承載力進行評估。對碳纖維仿生腿緩慢施加壓力至額定承載力,在側擺壓力實驗失效時,等效于側擺關節電機輸出約146 N·m,滿足設計要求。

圖13 仿生腿承載測試實驗

由圖13(b)可以看出,仿生腿的主體結構大腿與小腿未發生損傷,但在圖14(a)與(b)中大腿與小腿的交接處有部分損傷,其中大腿損傷點為實驗中最嚴重缺陷,大腿孔洞結構處變形也較為明顯,以上均為仿真中所測的應力集中點,在3D打印時需對其加大連續碳纖維填充量來加強結構。此外,實驗過程中,由于仿生腿小腿處局部纖維填充量不足,導致變形量較大,其中小腿側擺變形為主要原因,如圖14(c)所示,當仿生腿所受載荷為398 N時,彈性變形達到最大值為44.6 mm,因此需增加仿生腿小腿處連續碳纖維填充量。

圖14 仿生腿受力失效情況

由仿真結果和實驗結果對照可以看出,在3D打印過程中,應動態調控腿部碳纖維分布,根據等效應力分布和變形情況,參考實驗結果對連續碳纖維合理進行布局,以最大性價比進行3D打印,將應力集中處的連續碳纖維含量調整至35%,如圖15所示,此時最大拉伸強度為310 MPa。

此外,由于仿生腿大腿主要結構處等效應力最大為79.6 MPa,小腿結構處等效應力最大為112.4 MPa,因此可減少仿生腿大腿結構連續碳纖維的含量至10%～15%。仿生腿小腿在承載強度方面滿足需求,但由于在側面受載時變形量較大,為提高腿部穩定性可提高連續碳纖維含量至20%～25%。若3D打印工藝無法動態調控連續碳纖維分布,為使仿生腿整體強度大于281.15 MPa,則需整體提升仿生腿中連續碳纖維的含量至35%,否則部分結構在承載時將發生失效,導致碳纖維材料浪費。

3 結 論

本文對連續碳纖維雙噴頭3D打印工藝規劃、樣條仿真實驗,分析3種極端工況下的四足機器人仿生腿的受力情況,并通過實驗對仿真結果進行驗證,同時對3D打印工藝進行了優化。

1)根據樣條的受力情況,對打印零件中連續碳纖維進行合理的工藝規劃達到更佳承載效果,證明了3D打印中連續碳纖維靈活排布的優勢。

2)通過仿真結果,對仿生腿的應力集中和形變情況進行了分析,得出仿生腿應力主要集中于大小腿連接關節處,形變主要集中于小腿下部及小腿與腳部連接處。

3)根據仿真與實驗結果,優化了仿生腿中各部位的連續碳纖維含量與分布情況,對應力集中處的碳纖維含量提升至35%,拉伸強度為310 MPa,滿足了連續碳纖維增強Onyx基材3D打印四足機器人仿生腿高承載力的需求。