六、結果與討論

（一）微觀觀察結果

顯微鏡圖像顯示試樣表面層狀和多孔，表面粗糙度高，但無明顯不一致或缺陷，表明打印過程能保證研究所需的一致性。

（二）力學測試結果

拉伸測試：隨著填充密度增加，試樣的極限拉伸強度（UTS）和楊氏模量增大，100% 填充時呈非線性增長，可能由大位移和缺陷導致。0.2mm 層高試樣的 UTS 高于 0.05mm 層高試樣，且在兩種層高下 GF 試樣 UTS 高于 CF 試樣。20% - 40% 填充密度間 UTS 差異不顯著（GF 0.05 除外），材料缺陷可能是導致某些趨勢不一致的原因。

CF 試件的拉伸強度和楊氏模量

GF 試件的拉伸強度和楊氏模量

三點彎曲測試：0.05mm 層高的 CF 和 GF 試樣彎曲強度和模量顯著高于 0.2mm 層高試樣，相同層高下 GF 試樣剛度和強度優于 CF 試樣（0.2mm 層高時 CF 試樣性能稍好但差異不明顯）。

（三）建模結果

Voigt 和 Reuss 方法為 CFRP 和 GFRP 的有效剛度提供了上下限，自洽方法給出的有效模量通常在其范圍內，Halpin - Tsai 方程可估算縱向和橫向有效模量。實驗結果與理論模型存在偏差，如 CFRP 和 GFRP 的某些試樣有效模量偏離自洽模型，這是由于 AM 過程改變材料相性能、引入層間粘結區域，使實際力學行為復雜，現有理論模型難以精確預測。

（四）應用結果

通過 TO 和優化打印參數，驅動鏈裙板和支撐板在滿足結構和性能要求的同時實現了顯著的重量和成本降低（最終設計使重量減輕了 60%，從 1500 克減輕到 894 克）。證明了增材制造材料在機器人應用中的可行性，也凸顯了優化設計的重要性。

支撐板拓撲優化結果；支撐板最終設計的 FEA 結果。撓度以毫米為單位

七、結論

本研究系統探究了填充密度和層高對 FDM 制備的 GFRP 和 CFRP 材料力學性能的影響，通過實驗和建模分析得出以下結論：

力學性能與填充密度和層高密切相關，增加填充密度可提高 UTS 和楊氏模量，0.2mm 層高試樣在拉伸和彎曲性能上有一定優勢，GF 在部分情況下強度表現更佳，優化打印參數對獲得理想性能至關重要。

實驗結果與理論預測總體趨勢相符，但存在偏差，FDM 打印缺陷是導致偏差的主要原因，未來需進行統計分析以深入研究材料缺陷影響。

增材制造復合結構在機器人部件中的應用通過 TO 實現了減重和成本降低，滿足性能要求，驗證了其可行性，為后續研究和應用提供了參考。

參考文獻：

Bisoi, A., Tüfekci, M., ?ztekin, V.et al. Experimental Investigation of Mechanical Properties of Additively Manufactured Fibre-Reinforced Composite Structures for Robotic Applications. Appl Compos Mater 31, 421–446 (2024). https://doi.org/10.1007/s10443-023-10179-9