基于机械臂3D打印的两种常用材料性能研究

田伟华 ，徐勇光，田军伟

(1.周口职业技术学院 汽车与机电工程学院，河南 周口 466000；2.广西大学 机械工程学院，广西 南宁 530000)

3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术，即“积层造形法”[1-2]。该技术在军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、雕刻、国防、汽车等领域都得到了广泛应用[3]。在实际应用过程中，3D打印技术选材直接影响产品的质量和精度，故有必要对3D打印耗材进行优化选择。研究人员对耗材进行了研究，如张云波等[4]对3D打印用高分子材料及应用进行了研究，战丽娜[5]对3D打印材料ABS与PLA丝材进行了分析与比较。也有一些研究人员借助机械设备对3D打印耗材进行实验分析比较，如夏驰等[6]借助机械臂3D打印技术系统对复合材料、碳化硅陶瓷等材料的成型工艺进行了研究，但直接借助3D打印设备对耗材进行实验分析和比较的研究较少。本研究以3D打印风能发电装置模型为例，利用三维建模软件UG NX[7]和机械臂3D打印系统，分别采用ABS和PLA两种耗材对模型进行3D打印，对产品的打印温度、打印特性、打印产品的结构和强度进行比较与分析并得出结论，以期为今后3D打印材料的优化选择和应用提供参考。

1 3D打印机械臂结构模型及主要性能参数

1.1 3D打印机械臂结构

机械臂是一种可以通过计算机程序控制的机械装置，是工业机器人的一种特殊形式。本研究采用的机械臂主要由总电源开关、小臂、大臂、末端工具、指示灯及底座等基本部件组成，相邻两部件用转动关节连接。3D打印机械臂如图1所示。

图1 3D打印机械臂示意图Fig.1 Schematic diagram of 3D printing manipulator

在3D打印中，常见的主要配套部件有挤出机、热端、电机线、耗材及进料管等，配套部件与机械臂按照工作顺序和操作规程相互连接。

1.2 3D打印机械臂主要技术参数

在整个装置的运行中，机械臂起着关键作用，其最大负载达到500 g，最大伸长距离达到320 mm，主要部件技术参数如表1所示。

表1 机械臂主要部件技术参数Tab.1 Technical parameters of main parts of manipulator

2 基于机械臂3D打印的ABS与PLA材料对比

2.1 建立3D模型

以风能发电装置为例，通过UG NX 10.0软件界面中的拉伸、旋转、阵列、镜像、倒圆(斜)角、曲面构建等主要指令进行三维建模，叶片分别设计成长方形和扇形。在建模过程中，为保证打印时坐标正确，选取XYZ坐标系的原点为建模的中心点、Z轴为中心轴线。建模完成后，对构建的风能发电装置图形建立约束，确定数学模型，即确定模型各个控制点的坐标关系，然后对控制点进行坐标转换，确保与机械臂3D打印坐标保持一致，最后对模型代码进行编写，通过机械臂完成对3D模型的打印。为保证建模与3D打印对应的Studio软件相互兼容，3D模型保存格式为.stl。

2.2 采用ABS与PLA材料进行3D打印的流程及结果

本研究分别采用ABS与PLA材料进行3D打印，选用的丝材直径均为1.75 mm，具体打印流程如下：首先在计算机上安装3D打印机械臂对应的Studio软件，通过USB插口连接3D打印机械臂；然后进行打印前的准备工作，设置打印间隔、打印坐标、打印速度、打印温度、切片等相关参数；最后启动UG NX 10.0软件，把三维建模结果保存为.stl文件，导入Studio软件中进行3D打印。打印结果如图2所示。

图2 PLA和ABS材料打印结果示意图Fig.2 Schematic diagram of PLA and ABS material printing results

在打印过程中，喷嘴与打印玻璃床的间隔要合适，打印玻璃床要用胶带粘牢，防止打印坐标发生变动，软件中对应的打印机和挤出头相关参数设置如图3和图4所示。

图3 打印机相关参数设置Fig.3 Printer parameters configuration

图4 挤出头相关参数设置Fig.4 Extrusion head parameters configuration

2.3 ABS与PLA材料打印结果对比

(1)打印外观：PLA材料较ABS材料透明光亮，但PLA材料的塑料毛刺比较多，影响成品的外观美感和质量。

(2)打印温度：PLA材料需要加热到190 ℃、ABS材料需要加热到220 ℃，挤出装置才能顺畅挤出材料。温度过低或过高，材料都不易挤出。在打印过程中，发现ABS材料耐热性好，而PLA材料较易堵塞热端，产品周围和底端存在大量多余的挤出材料，如图2(a)所示。

(3)打印特性(功能)：加热装置方面，ABS材料打印必须使用加热板(棒)，PLA材料在一定温度下可以不用；气味方面，打印过程中发现PLA材料没有气味，而ABS材料气味相对重一些。

(4)应用场合：选择密封和不密封的两种场合进行3D打印，发现敞开或密封不严的工作空间中，ABS较PLA材料遇冷易收缩。

(5)打印产品的结构和强度：由图2可知，尽管结构稍有不同，但图2(b)的效果好于图2(a)。另外，在打印过程中，发现采用PLA材料的产品容易折断，而采用ABS材料的产品不易折断，强度高，更具有韧性。

3 结语

分别采用ABS与PLA两种塑料耗材进行3D打印，对打印温度、打印特性、打印产品的结构和强度进行对比分析与优化选择。结果表明：3D打印较薄和受冲击力大的产品时，打印材料优先考虑使用ABS；在敞开或密闭不严的空间，打印材料优先考虑使用PLA。