二、3D 打印樣品

使用 Raise3D 打印機，選擇 GFRP 和 CFRP 材料，依據 ASTM D638 和 ASTM D790 標準，制備不同層高（0.05mm 和 0.2mm）、填充密度（20%、40%、60%、100%）的拉伸和三點彎曲測試試樣，每個試樣設置三層外殼以保持結構完整性，并確保外殼不影響參數變化對力學性能的觀察。

試件材料及打印參數

實驗打印的樣品示意圖。a拉伸試驗樣本；b三點彎曲試驗樣本

三、實驗研究

（一）微觀觀察

利用 Nikon SMZ800 體視顯微鏡對試樣進行不同放大倍數的觀察，以了解其微觀結構和表面特性。觀察發現試樣具有明顯的層狀和多孔結構，表面粗糙度較高，但無重大缺陷，表明打印過程較為成功，可進一步研究打印參數和材料對力學性能的影響。

試件：a GF 試件，b CF 試件

測試過程中的測試樣本：a拉伸試驗b三點彎曲試驗c帶引伸計的拉伸試驗裝置

（二）力學測試

對 CF 和 GF 試樣進行拉伸和三點彎曲測試，每組參數至少重復三次實驗以獲取可靠數據。測試前對試樣進行退火處理以消除水分影響，在試樣端部安裝金屬片以改善拉伸夾持效果，并使用 Shimadzu DVE - 201 非接觸式視頻引伸計測量位移，以 0.5%/min 的恒定應變率進行測試。

四、纖維增強復合材料建模

重點關注傳動系裙板和支撐板的設計，它們是機器人在設計過程中的重要結構部件。利用本研究材料測試部分的結果，這些部件的外觀設計、填充率和材料選擇都得到了改進。這些設計改進采用了 FEA 和 TO，旨在限制應力和撓度，同時盡量減輕結構質量，為實際應用奠定基礎并做好準備。為了檢查考慮可制造性和其他操作因素的最終設計，對每個部件進行了靜態 FEA。

正在開發的機器人a CAD 渲染圖b組裝好的機器人原型照片

（一）驅動鏈裙板

驅動鏈模塊設計時，因打印機尺寸限制，裙板需分為四部分。其設計為夾在鋁板之間，承受 100kgf 負載，通過有限元分析（FEA）和拓撲優化（TO）改進設計，在確保結構完整性的同時減輕重量。如對初始設計進行 TO 模擬，施加 45kg（441.5N）負載和邊界條件，采用自由形式四面體網格，最終設計實現了 30.3% 的重量減輕，且最大撓度 0.25mm 符合要求，同時優化打印參數縮短了打印時間、降低了成本。

在傳動系統裙部的初始設計上施加載荷和邊界條件

（二）支撐板

根據螺紋支撐要求選擇 6082 級鋁合金制作支撐板，對驅動鏈模塊頂板進行 TO 以確定可減重區域。在 50kgf（490N）負載和邊界條件下建模分析，最終設計使重量降低 60%，中心最大撓度 0.027mm 在可接受范圍內。

在支撐板的初始設計上施加載荷和邊界條件