機械臂3D打印技術及系統的試驗研究

夏 馳 ，曹良成 ，馮聯華 ，2，范樹遷 ，3

（1.中國科學院重慶綠色智能技術研究院，重慶 400714；2.長春理工大學 光電工程學院，吉林 長春 130022；3.智能增材制造技術與系統重慶市重點實驗室，重慶 400714）

1 引言

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

隨著技術的發展，3D打印技術及設備逐步由單材均質向多材異質、單工藝向多工藝、平面向曲面的方向發展。日本浦松機械所研制出了融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作復合成形方向發展，已經開始應用于制作家電模具[5]；文獻[6]使用ABB機械手利用3D打印技術搭建了柔性增材再制造平臺，對缺省的零件進行反向求模再制造；一家名為Branch Technology的公司率先采用世界最大自由曲面3D打印機成功打印出實用性很強的建筑物墻壁，該款打印機使用的KUKA機器人進行作業；荷蘭某大學機器學院的研究人員與荷蘭某公司合作，共同研發出了機械臂3D打印機能夠在復雜曲面上進行打??；文獻[7]使用KUKA機械手搭建了一個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。綜上所述，隨著3D打印技術的突破，結合機械手在切削、復雜曲面加工等柔性制造的優勢，機械臂3D打印裝置相比目前主流的3D打印設備具有制造優勢。以流體的擠出成型和激光熔融為基礎，結合工業機械手6自由度的空間特性，對機械臂3D打印系統進行了初步搭建。完成了對納米銀粒子、樹脂基復合材料、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驗，并對激光燒結后的銀線進行了導電性能測試。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構化器件奠定基礎。

2 機械臂3D打印系統

機械臂3D打印系統總共分為三個子系統：運動平臺、點膠系統、光學系統，如圖1（a）所示。其中，運動平臺是由6自由度機械手本體及其控制系統構成。點膠機系統由針筒式點膠頭（料筒及針頭）和點膠控制器構成，外接壓縮空氣由空壓機提供。光學系統由自行搭建的激光光路與激光控制器（808nm半導體激光）組成。打印系統的協調運作是通過各系統控制器之間的通訊與控制實現的，其連接方式，如圖1（b）所示。機械手控制器為整個系統的核心，與計算機通過工業以太網的形式連接，實現工程文件的下載與上裝；與激光系統通過串口通訊發送控制指令；通過邏輯電平信號來控制點膠系統的供料時機。整個系統在計算機下裝文件代碼后，機械手控制器執行文件中的代碼，機械手本體開始對文件中的軌跡進行鋪層，同時對點膠系統與激光系統發出相應的控制指令，完成工件的制造。

圖 1機械手3D打印系統組成結構圖Fig.1 Schematic Outline of Multi-Material 3D Printing Apparatus

3 機械手加工編程

此3D打印系統，用6自由度機械手進行軌跡鋪層，完成復雜的軌跡的行走。傳統的機械手的軌跡控制大都采用的示教的方式完成，面對軌跡比較復雜的模型軌跡，采用示教的方式將很難實現，即便實現精度也不高[8-9]。離線編程在不占用機械手作業時間的情況下，使用機械手編程語言進行編程作業，最后將編寫好的程序下裝到機械手控制器，控制機械手完成整個作業[10]。機械手3D打印系統借助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，整個模型數據鏈，如圖2所示。首先確定制件的數學模型，這樣確定了模型的各個控制點的坐標關系。之后，需要對其控制點進行坐標轉換，以確保軌跡點與材料落點是一致的。在完成坐標的轉換后，在WincapⅢ中進行模型代碼的編寫、編譯、仿真和下裝。模型代碼下裝到RC7M控制器中，然后RC7M通過控制機械手本體完成整個模型的制作。

圖2 工件模型數據鏈Fig.2 Workpiece Model Data Link

4 實驗

系統搭建完成后，初步探索了銀導線、樹脂基復合材料、硅酮橡膠、碳化硅陶瓷等材料的3D打印成型工藝，并對制件進行了簡單的表征，如表1所示。

表1 多種材料3D打印對應的系統、工藝及潛在應用Tab.1 Systems，Processes and Potential Applications of 3D Printing of Various Materials

4.1 銀導線

系統旨在制造出具備一定電氣功能的功能器件，制造出導電性能優異的導線是功能結構化器件的關鍵基礎。與金屬3D打印技術所選的金屬粉末材料不同，所采用的導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，性質穩定[11]，在激光作用下快速去除體系中的溶劑及有機物質，將納米銀離子燒結成型，制備的銀線導電性能好，材料利用率高。銀導線的激光燒結制備，在本試驗中分為兩步：納米銀漿擠出鋪線和激光燒結，試驗中通過兩次重復運動以確保銀漿擠出鋪線軌跡與激光燒結軌跡重合，如圖3（a）所示。經過實驗，選擇內徑200μm的針頭，40psi的供料壓力，8mm/s的走線速率，8W的激光功率，燒結成型的銀導線線寬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。因激光燒結過程中產生有機相的氣化揮發，在導線中形成氣孔[12]，如圖3（b）所示。進一步，通過設計不同的電路圖案，實驗可制備相應的銀電路，如圖3（c）所示。

圖3 銀導線制備工藝示意圖、銀線燒結前后的對比、銀電路照片Fig.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）℃溫度范圍內保持彈性，并具有良好的電絕緣性，常用作密封材料，實驗選用粘度為600cps的酸性硅酮膠為原料，以內徑為400μm的斜式針頭為打印頭，60psi的供料壓力，20mm/s的打印速率，制成蜂窩狀結構的2.5維結構，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構體，如圖4所示。該結構的彈性隨時間的增加而增強。結果表明：結構件的線寬為560μm，鋪層厚度為440μm。

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

4.3 樹脂基復合材料

纖維增強樹脂基復合材料具備輕質高強的優勢，由利于制備結構件。實驗采用E51環氧樹脂為基體樹脂，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6個月的纖維增強環氧基3D打印復合材料。選擇內徑為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，即可得到具有力學強度的網格狀工件，如圖5（a）所示。

4.4 碳化硅陶瓷

碳化硅陶瓷（SiC）不僅具有優良的常溫力學性能，而且高溫力學性能（強度、抗蠕變性等）是已知陶瓷材料中最佳的。實驗采用含水量在20wt%的碳化硅陶瓷漿料，用擠出成型的方式制備了蜂窩狀結構，在微氧環境下經過1200℃高溫燒結，制成了具有一定力學強度耐高溫的碳化硅陶瓷制品，如圖5（b）所示。實驗選用的擠出成型參數為：斜式針頭內徑400μm，供料壓力70psi，12mm/s的走線速度。

圖5 纖維增強環氧基復合材料結構和碳化硅陶瓷材料結構。Fig.5 Carbon Fiber Enforced Epoxy Composite Structure and SiC Ceramic Cellular Structure

5 總結

結合擠出成型技術、激光燒結技術及相應的后處理工藝，完成了機械手3D打印系統的雛形，對納米銀粒子、樹脂基復合材料、硅酮橡膠、碳化硅陶瓷材料進行了初步的工藝探索。目前該系統只能夠針對數學模型為解析的制件進行制備，對于較為復雜難以解析的模型制備存在困難，同時難以完成復雜曲面上的作業，可以借助于使用傳統的CAD-CAM-CNC-機械手代碼的數據鏈模式解決目前存在的問題，目前該數據鏈被廣泛用于機器人切削加工、弧焊等工藝，可靠性高。從該技術發展前景來看，可以利用機械手6自由度空間特性與柔性制造的特點，發展3D打印往多材料多工藝方向發展，同時還可以進行曲面3D打印。利用多材料多工藝技術將外殼部分與具備導電性能的部分同時制備出來，根據軌跡點的性能，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。同時還可以利用其精度，制備出結構功能一體化的微型傳感器為制備微型化電子設備提供了一種可能。

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