华中科技大学《Compos Sci Technol》：机器人辅助激光增材技术

摘要：华中科技大学材料科学与工程学院材料加工及模具技术国家重点实验室和武汉理工大学交通运输与物流工程学院在复合材料领域具有显著影响力的学术期刊《Composites Science and Technology》上发表了题为“Robot-assisted laser

华中科技大学材料科学与工程学院材料加工及模具技术国家重点实验室和武汉理工大学交通运输与物流工程学院在复合材料领域具有显著影响力的学术期刊《Composites Science and Technology》上发表了题为“Robot-assisted laser additive manufacturing for high-strength/low-porosity continuous fiber-reinforced thermoplastic composites ”的研究成果。提出了一种机器人辅助激光增材制造（RLAM）技术，该技术涉及使用激光束将丝材加热至半熔融状态，然后用滚轮压实并逐层粘结以创建高强度、低孔隙率的部件。此外，通过偏航轴的动态偏移校正实际成型路径的偏差，控制纤维预制件在滚轮下的位置，提高了部件的精度。这种方法结合了工业机器人和基于激光、滚轮的连续纤维增材制造工艺的优势，在轨道交通和航空航天工业打印轻质结构显示出了巨大潜力。

通讯作者简介

杨磊：博士毕业于华中科技大学，现任武汉理工大学教授/博导，入选湖北省高层次人才计划（楚天学子）、武汉理工大学15551卓越人才工程（青年拔尖），现任中国材料研究学会增材制造材料分会秘书长。主要从事纤维复材与极小曲面点阵增材制造与应用研究，主持国家自然科学基金青年项目、湖北省自然科学基金青年项目等项目。主要研究方向为纤维复合材料增材制造装备与工艺开发、轻量化/承载一体化功能点阵结构的设计、制备及力学分析。

研究背景

连续纤维增强热塑性复合材料（CFRTPCs）因其出色的轻质特性、高比刚度和强度，在航空航天、交通运输和精密加工领域受到了广泛关注。除了这些优势外，CFRTPCs在工程领域也被视为传统塑料、热固性复合材料和金属的有力替代品。然而，CFRTPCs的传统加工方法包括注塑成型、真空袋压成型、高压釜处理、拉挤成型和挤出成型都存在一定的局限性，特别是它们依赖于昂贵的模具且无法适应特定的纤维取向。制造复杂零件时，往往需要采用减材加工技术，如切割或钻孔以获得所需的边缘和孔洞。但这些操作不可避免地会破坏纤维，从而损害复合材料的结构完整性。

本文介绍了一种创新的机器人辅助激光增材制造技术（RLAM），该技术使用细纤维预制件作为原材料，通过激光加热和压辊压实，能够在无需后处理的情况下制造出具有优异机械性能的CFRTPCs。RLAM技术克服了传统加工方法的局限性，提供了更大的打印灵活性和空间适应性，有助于制造复杂和大型CFRTPCs部件。通过结合AM和工业机器人的优势，这项创新在实现大型、复杂、高性能复合材料的增材制造方面迈出了重要一步。

文章亮点

1.激光辅助和辊压增强技术可在打印过程中实现更高的成型温度和压力。
2.集成了硬件、软件和控制功能，以实现机器人辅助增材制造的快速开发。
3.机械性能高且孔隙率低，超越了基于喷嘴的3D打印技术。
4.动态偏航轴校正技术可纠正拉挤成型引起的偏差，提高成型精度。
5.机器人辅助激光增材制造（RLAM）技术提高了纤维路径的设计自由度，能够实现复杂碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTPC）的增材制造。其应用范围涵盖航空航天和铁路领域。

主要内容

RLAM系统架构

图1 RLAM框架架构，包含硬件、软件和控制系统以及从CAD模型到生产的流程。

硬件系统包含一个二轴定位器、一个六轴机器人臂、一个打印头及其专用控制器。信息流从部件的CAD模型开始，通过软件生成制造系统执行数据文件。自行开发的离线编程（OLP）软件在路径生成、控制策略生成、运动模拟和数据交换中起着核心作用。软件运行在实时操作系统上，通过以太网协议与机器人控制器KRC4进行通信。为了处理机器人增材制造过程中的超长连续轨迹跟踪，系统通过Kuka机器人传感器接口（RSI）实现集成，以确保打印结果的高质量。

工艺参数对CFRTPCs机械性能的影响

图2 激光功率和打印速度对打印CFRTPCs复合材料性能的影响：(a) 显示了打印过程中测量的一组成型压力；(b) 不同激光功率下打印复合材料的弯曲强度和模量；(c) 不同打印速度下打印复合材料的弯曲强度和模量。

图2b结果显示，样品的弯曲强度和弯曲模量与激光功率在特定范围内呈正相关。然而，超过某一温度范围可能会影响打印产品的尺寸稳定性，特别是在其长度边缘。图2c结果显示，较低的打印速度有助于提高部件的机械性能，类似于增加激光功率从而提高成型温度的效果。然而，与高温结合的过慢打印速度可能导致纤维预制件卷曲或粘附到滚轮上。因此，选择合适的打印速度需要考虑多种因素。

图3 展示了激光能量为（a）4W、（b）8W和（c）12W的3D打印CCF/PLA复合材料的微观结构和断裂模式。

图3展示了在所有样品经历一致压力的测试过程中，激光功率和打印速度对成型样品的机械性能的影响主要来自于成型温度的变化。结果显示，所有部分的层间剥离可以忽略不计，相邻成型纤维没有规律排列。这表明滚轮施加的更高成型压力增强了层与层之间以及相邻纤维之间的结合强度。断裂形态表现出弯曲测试中常见的不一致的拉伸和压缩侧面特征。详细视图集中在相对平坦和光滑的压缩侧面。在激光功率为4W的样品中，界面性能较弱，在激光功率为8W的样品中界面性能增强，显示出改善的层间粘结且没有剥离，在激光功率为12W的样品的断裂横截面比8W样品相对更光滑。

舱口间距和成型压力

图4 扫描间距和成型压力对打印的CFRTPCs复合材料性能的影响：(a) 不同扫描间距的打印复合材料的弯曲强度和模量，(b) 不同成型压力的打印复合材料的弯曲强度和模量，(c) 不同实验条件下，工艺参数对3D打印复合材料试样中纤维质量分数的影响。

舱口间距指的是两个相邻纤维预制件中心之间的距离，实验结果表明，减小舱口间距可以提高样品的弯曲强度和模量，这是因为更小的舱口间距增加了激光辐射的密度，从而提高了成型温度，使得纤维预制件更加密集和均匀地被压缩。此外，减小舱口间距还会导致样品中纤维质量百分比的增加。

图5 μ-CT（微计算机断层扫描）图像显示：(a) 三维重建图像，(b) 打印试样中的孔隙分布，以及 (c) 侧视图。

图5结果显示：样品中的孔隙分布均匀且分散，孔隙率仅为0.19%，接近于高压釜工艺的水平。

RLAM技术增强力学性能的机制

图6展示了RLAM技术增强CFRTPCs机械性能的机制。

在RLAM技术里，激光束既让纤维预制件半熔融，也作用于成型部件表面。这样既能增加流动性，又让树脂分子更好地穿透相邻层。半熔融的纤维预制件被压成带状并粘合在成型部件上。增加成型压力的同时，也增强了层间和纤维间的粘合，促进了树脂渗透到连续纤维中，减少了上下层中孔隙。这样制成的样品界面性能强，断裂时纤维不易拉出，裂纹不易扩散。这种机制能让应力通过树脂有效传递到碳纤维，显著增强复合材料的机械性能。

末端TCP的偏航轴偏移

图7 通过新偏航轴的动态偏移校正纤维预制件的实际成型路径。

通过调整偏航轴距离，可以有效应对成型路径中的曲线或角落部分，减少纤维变形，优化部件的成型质量。此外，将最佳偏航轴距离存储于数据库并集成至离线编程（OLP）系统中，可以在打印过程中动态调整，进一步提升部件的制造精度。这种动态调整偏航轴的方法为增材制造过程中路径规划和优化提供了一种有效的解决方案，有助于提高CFRTPCs部件的制造成功率和质量。