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1、快速成型技术及应用快速成型技术及应用上次课内容回顾：v1、光固化成型的原理；v2、光固化成型的设备组成和个组成的作用；v3、光固化成型过程；v4、光固化成型精度问题；v5、支持结构问题；v6、光固化成型特点。第二章第二章 薄形材料选择性切割薄形材料选择性切割(叠层实体制造工艺叠层实体制造工艺)一.概述 v 薄形材料选择性切割（薄形材料选择性切割（Laminated Object Manufacturing，简称，简称LOM）成形技术，又称分层）成形技术，又称分层物件制造或是叠层成形技术。物件制造或是叠层成形技术。v 该工艺是采用激光束和薄层材料（纸片、塑料薄该工艺是采用激光束和薄层材料（纸片、
2、塑料薄膜或复合材料等）生成任意形状三维物体的方法，膜或复合材料等）生成任意形状三维物体的方法，是早期较成熟的四个快速成形工艺之一，该工艺的是早期较成熟的四个快速成形工艺之一，该工艺的市场占有率大约为市场占有率大约为7。一.概述v目前研究目前研究LOM工艺的有工艺的有Helisys公司、公司、华中科技大学、清华大学、华中科技大学、清华大学、Kira公司、公司、Sparx公司和公司和Kinergy公司。公司。vHelisys公司除原有的公司除原有的LPH、LPS、LPF三个系列纸材品种以外，还开发了三个系列纸材品种以外，还开发了塑料和复合材料品种。塑料和复合材料品种。v华中科技大学推出的华中科技大
3、学推出的HRP系列成形机系列成形机和成形材料和成形材料,具有较高的性价比。具有较高的性价比。v清华大学推出了清华大学推出了SSM系列成型机及成系列成型机及成型材料。型材料。二.LOM成形的基本组成及原理 1.LOM成形的基本原理v1).工作开始时，送料机构把单面涂有热溶胶的纸片工作开始时，送料机构把单面涂有热溶胶的纸片一段段的送至工作台的上方，热压滚筒将料压平并一段段的送至工作台的上方，热压滚筒将料压平并粘在底层上；粘在底层上；v 2).激光束按计算机数据系统给出的信息指令，切出激光束按计算机数据系统给出的信息指令，切出工件的截面形状，并把周围多余材料切碎工件的截面形状，并把周围多余材料切碎。
4、LOM成形的基本原理v3).然后工作台下降一个层厚的高度，送料机构再铺然后工作台下降一个层厚的高度，送料机构再铺新一层纸片。如此反复逐层粘切，最终得到由许多新一层纸片。如此反复逐层粘切，最终得到由许多小废料块包围的三维原型零件；小废料块包围的三维原型零件；v 4).然后取出，将多余的废料小块剔除，最终获得三然后取出，将多余的废料小块剔除，最终获得三维产品。维产品。2.LOM成形系统的组成v LOM成形系统由成形系统由计算机及控制软件、计算机及控制软件、原材料存储及送料原材料存储及送料机构、热碾压机构、机构、热碾压机构、激光切割系统、可激光切割系统、可升降工作台、数控升降工作台、数控系统、模型取
5、出装系统、模型取出装置和机架组成。置和机架组成。激光切割系统v激光器的作用：激光器的作用：v切割作用切割作用v对激光器的要求：对激光器的要求：v1.激光器输出的能量必须稳定并能随运动激光器输出的能量必须稳定并能随运动速度的改变而改变。速度的改变而改变。v2.激光器能够快速输出和关闭。激光器能够快速输出和关闭。v3.激光器能够长时间连续工作。激光器能够长时间连续工作。v 因此，在因此，在LOM快速成形系统中，激光切快速成形系统中，激光切割单元应具有结构紧凑、可自动控制、监割单元应具有结构紧凑、可自动控制、监测、响应快速、运行可靠等功能，所以多测、响应快速、运行可靠等功能，所以多选用选用CO2激光
6、器。激光器电源多为开关电激光器。激光器电源多为开关电源。源。计算机及控制软件v LOM成形用计算机为工业计算机，在计算机中配成形用计算机为工业计算机，在计算机中配有如下控制软件：有如下控制软件：v1.STL格式文件的纠错和修补文件格式文件的纠错和修补文件 用来标识读入的用来标识读入的STL格式文件中三角形的错误，格式文件中三角形的错误，并由操作者修改。并由操作者修改。v2.三维模型的切片软件。三维模型的切片软件。用来对三维模型的用来对三维模型的STL格式文件，沿成形的高度格式文件，沿成形的高度方向，每隔一定的时间，自动提取截面的边界轮廓方向，每隔一定的时间，自动提取截面的边界轮廓信息。信息。计
7、算机及控制软件v3.激光切割速度与切割功率的自动匹配软件激光切割速度与切割功率的自动匹配软件 根据激光的瞬时切割速度自动调节激光的输出功根据激光的瞬时切割速度自动调节激光的输出功率，从而得到合适尺寸的零件率，从而得到合适尺寸的零件。计算机及控制软件v4.激光光束宽度的自动补偿软件激光光束宽度的自动补偿软件 可以自动识别截面的内、外轮廓边界，根据激光可以自动识别截面的内、外轮廓边界，根据激光的光束宽度（的光束宽度（0.10.2mm），控制切割头，相对），控制切割头，相对理论内、外轮廓边界，自动向内或向外偏移半个光理论内、外轮廓边界，自动向内或向外偏移半个光束宽度，从而保证实际切出的轮廓边界和理论
8、轮廓束宽度，从而保证实际切出的轮廓边界和理论轮廓边界重合。边界重合。原料存储及送料机构 v 依靠电机运动，送进成形所需的薄层材料，如纸依靠电机运动，送进成形所需的薄层材料，如纸片、塑料薄膜或复合材料等，每次送进一个层厚的片、塑料薄膜或复合材料等，每次送进一个层厚的材料。材料。热黏压机构 v 利用步进电机，驱动热压辊，使其在工作台上往利用步进电机，驱动热压辊，使其在工作台上往复运动，这时热压辊上的发热元件发热，促使材料复运动，这时热压辊上的发热元件发热，促使材料发生黏结。发生黏结。可升降工作台 v 用来支撑成形的工件，并在每一层成形后，下降用来支撑成形的工件，并在每一层成形后，下降一个层厚，厚度
9、一般为一个层厚，厚度一般为0.025mm0.125mm，以，以便送进、黏合和切断新的材料。便送进、黏合和切断新的材料。三.LOM成形用材料 v LOM快速成形采用经过快速处理的纸作快速成形采用经过快速处理的纸作原材料，这种纸由纸质基底和涂覆在上面的原材料，这种纸由纸质基底和涂覆在上面的一层黏结剂、改性添加剂组成。故其原材料一层黏结剂、改性添加剂组成。故其原材料为胶和纸；为胶和纸；v成本低，大约在人民币成本低，大约在人民币5060元元/Kg。对纸的要求:v(1)抗湿好抗湿好,保证不会因时间长而吸水保证不会因时间长而吸水,从而从而保证热压过程中不会因为水分的损失而产生保证热压过程中不会因为水分的损
10、失而产生变形变形v(2)良好的侵润性良好的侵润性,保证良好的涂胶能力保证良好的涂胶能力v(3)抗拉强度好抗拉强度好,保证在加工过程中不被拉断保证在加工过程中不被拉断v(4)收缩率小收缩率小,保证热压过程中不会因为水分保证热压过程中不会因为水分的损失而产生变形的损失而产生变形v剥离性好剥离性好,容易打磨容易打磨,稳定性好稳定性好对胶的要求:v(1)良好的热熔稳定性良好的热熔稳定性v(2)在反复的热熔在反复的热熔-固化条件下固化条件下,具备好的物具备好的物理和化学稳定性理和化学稳定性v(3)熔融状态下与纸具有好的涂挂性及黏结熔融状态下与纸具有好的涂挂性及黏结性性v(4)与纸具有足够的黏结强度与纸具
11、有足够的黏结强度v(5)良好的废料剥离分离性能良好的废料剥离分离性能对涂布工艺:v涂布工艺包括涂布形状和涂布厚度涂布工艺包括涂布形状和涂布厚度.v涂布形状指采用均匀涂布和不均匀涂布涂布形状指采用均匀涂布和不均匀涂布,均均匀涂布采用狭缝刮板涂布匀涂布采用狭缝刮板涂布,不均匀涂布有条不均匀涂布有条纹式和颗粒式纹式和颗粒式.一般讲一般讲,不均匀涂布可以减少不均匀涂布可以减少应力集中应力集中,但设备很贵但设备很贵.v涂布厚度指在纸上涂多少厚度的胶涂布厚度指在纸上涂多少厚度的胶,选择原选择原则是保证可靠的黏结性的前提下则是保证可靠的黏结性的前提下,尽可能少尽可能少涂涂,一减少变形一减少变形,溢胶和错位溢
12、胶和错位.四.工艺过程v工艺过程也分为三个过程工艺过程也分为三个过程:前处理过程前处理过程,叠层叠层,后处理过程后处理过程v1.前处理过程前处理过程:v(1)CAD三维模型的造型三维模型的造型,要求计算机软件有要求计算机软件有很强的三维造型功能很强的三维造型功能,包括实体造型以及表包括实体造型以及表面造型面造型.主要软件有主要软件有PRO/E,UGII等等v(2)三维模型切片处理三维模型切片处理:由于快速成型是按一由于快速成型是按一层层叠加起来层层叠加起来,故加工前要进行切片故加工前要进行切片,切片间切片间隔的大小根据成型件精度和生产率的要求来隔的大小根据成型件精度和生产率的要求来确定确定,间
13、隔越小间隔越小,精度越高精度越高,但成型时间越长但成型时间越长,否则反之否则反之.间隔的范围为间隔的范围为0.05-0.5mm.2.中处理过程中处理过程v(1)工艺参数工艺参数v主要参数有主要参数有:v激光切割速度激光切割速度:激光切割速度影响原型件表激光切割速度影响原型件表面质量和制作时间面质量和制作时间,通常由激光器的规格决通常由激光器的规格决定定v加热辊的温度和压力加热辊的温度和压力:有加工原型件的层面有加工原型件的层面尺寸大小尺寸大小,纸张厚度和环境温度确定纸张厚度和环境温度确定激光能量激光能量:影响切割速度和纸张的厚度影响切割速度和纸张的厚度,通常切割速度通常切割速度和能量之间为抛物
14、线的关系和能量之间为抛物线的关系,如图所示如图所示:(2).原型制作过程原型制作过程v(1)基底制作基底制作:由于叠层在制作过程中由于叠层在制作过程中,工作台回带动工作台回带动频繁频繁,为实现两者之间的连接为实现两者之间的连接,需要制作基底需要制作基底,目的目的是为了连接是为了连接v(2)原型制作原型制作:三维的叠加过程三维的叠加过程3.后处理过程v主要包括:原型件的剥离,后固化,修补,打磨,抛光,表面强化处理.v其中有一道重要工序:表面涂覆起作用有:提高强度,提高耐热性,抗湿性,延长寿命等五.改善原型件的质量方法v成型件的精度主要取决于二维成型件的精度主要取决于二维(X-Y)平面的加工精度平
15、面的加工精度和高度和高度(Z)方向上的叠加精度方向上的叠加精度,可以控制到微米级的可以控制到微米级的水平水平,因而加工精度很高因而加工精度很高.但不只是机型的原因但不只是机型的原因,还有还有其他的原因其他的原因,导致加工精度只能控制在毫米级导致加工精度只能控制在毫米级.,下面下面是几种主要造成误差的原因是几种主要造成误差的原因:v(1)CAD模型前处理造成的误差模型前处理造成的误差v在早模型前及前处理阶段在早模型前及前处理阶段,由于由于CAD是用有限的三是用有限的三角形的组合来逼近角形的组合来逼近CAD模型表面的模型表面的,从而回有一定从而回有一定的误差的误差,三角形越多三角形越多,精度越高精
16、度越高,但但,控制处理数据增控制处理数据增大大,时间长时间长,三角形数量越少三角形数量越少,处理数据少处理数据少,但加工精但加工精度不高度不高.v(2)设备精度误差设备精度误差v由于设备自身有一定的加工范围以及其加工由于设备自身有一定的加工范围以及其加工精度精度,对最后加工工件有一定的误差对最后加工工件有一定的误差v(3)成型过程中的误差成型过程中的误差v不一致的约束不一致的约束v由于相临两层的轮廓有所不同由于相临两层的轮廓有所不同,成型轨迹也成型轨迹也不同不同,每层都要受到相临层的约束每层都要受到相临层的约束,导致内应导致内应力力,从而产生翘曲从而产生翘曲.v成型功率控制不恰当成型功率控制不
17、恰当v功率过大功率过大,回导致刮破前一层回导致刮破前一层,同时会烧纸同时会烧纸,机器寿命也降低机器寿命也降低,过小过小,黏结不好黏结不好.v切去的网格尺寸的多样性切去的网格尺寸的多样性v网格线内的材料要去掉网格线内的材料要去掉,网格线的多样性网格线的多样性,尺尺寸的合理性寸的合理性,影响余料的去掉的难易程度和影响余料的去掉的难易程度和工件的精度工件的精度.v工艺参数的不稳定工艺参数的不稳定v温度温度,压力压力,功率功率,速度的不稳定速度的不稳定,导致层与层导致层与层之间或同层不同位置成型状况的差异之间或同层不同位置成型状况的差异,从而从而导致翘曲及或度不均匀导致翘曲及或度不均匀.(4)成型之后
18、的误差v主要有热变形以及湿变形v热变形:只要是因为在高温下加工,由于纸和胶的热胀系数的不同,导致冷却到室温后,会发生变形v湿变形:由于水分子的扩散导致的变形v人为后处理导致的变形六.提高精度的措施v1.前处理过程的控制前处理过程的控制:CAD模型的制备以及切模型的制备以及切片的控制片的控制,主要是切片的多少选择主要是切片的多少选择.v2.模型的成型方向的选者模型的成型方向的选者,X-Y方向的精度比方向的精度比Z向好控制向好控制,故精度要求高的方向作为故精度要求高的方向作为X-Y向向.v3.切片网格线的设定切片网格线的设定,在保证易剥离废料的前在保证易剥离废料的前提下提下,减小网格线的长度减小网
19、格线的长度.v4.湿热变形可以用以下方法湿热变形可以用以下方法:成型完成后还施成型完成后还施加一定的压力加一定的压力,可以减少翘曲可以减少翘曲;充分冷却后剥充分冷却后剥离废料离废料,让废料支撑工件让废料支撑工件,减少由于局部刚度减少由于局部刚度不够和结构复杂引起的变形不够和结构复杂引起的变形;即使进行表面即使进行表面处理处理,增强制件的强度和防潮效果增强制件的强度和防潮效果.七.LOM快速成形技术的优缺点 v一一 LOM快速成形技术的优点快速成形技术的优点v1.设备价格低廉（与设备价格低廉（与SLA相比），采用小功率相比），采用小功率CO2激光器，成本低廉，使用寿命长，造型材料成本低。激光器，
20、成本低廉，使用寿命长，造型材料成本低。v2.由于只需要使激光束沿着物体的轮廓进行切割，由于只需要使激光束沿着物体的轮廓进行切割，无需扫描整个断面，所以这是一个高速的快速原型无需扫描整个断面，所以这是一个高速的快速原型工艺。常用于加工内部结构简单的大型零件，体积工艺。常用于加工内部结构简单的大型零件，体积越大，效率越高。越大，效率越高。LOM快速成形技术的优点v3.加工后零件可以直接使用，无需进行后固化；加工后零件可以直接使用，无需进行后固化；v4.无需设计和构建支撑结构；无需设计和构建支撑结构；v5.易于使用，无环境污染；易于使用，无环境污染；v6.制件有较高的力学性能制件有较高的力学性能，可
21、进行切削加工；可进行切削加工；v7.制件精度高；制件精度高；v8.操作方便操作方便LOM快速成形技术的缺点v1.不能直接制作塑料产品；不能直接制作塑料产品；v2.工件抗拉强度和弹性不好；工件抗拉强度和弹性不好；v3.表面比较粗糙，工件表面有明显的台阶纹，成型表面比较粗糙，工件表面有明显的台阶纹，成型后要进行打磨；且纸制零件很容易吸潮，必须立即后要进行打磨；且纸制零件很容易吸潮，必须立即进行后处理、上漆；进行后处理、上漆；v4.难以构建精细形状的零件，即仅限于结构简单的难以构建精细形状的零件，即仅限于结构简单的零件。零件。LOM快速成形技术的缺点v5.由于难以（虽然并非不可能）去除里面的废料，由
22、于难以（虽然并非不可能）去除里面的废料，该工艺不宜构建内部结构复杂的零件。该工艺不宜构建内部结构复杂的零件。v6.当加工室的温度过高时常有火灾发生，因此，工当加工室的温度过高时常有火灾发生，因此，工作过程中需要专职人员职守。作过程中需要专职人员职守。八.LOM快速成形技术的应用 v LOM快速原型工艺适合制作大中型原型件，翘曲快速原型工艺适合制作大中型原型件，翘曲变形较小，尺寸精度较高，成型时间较短，激光器变形较小，尺寸精度较高，成型时间较短，激光器使用寿命长，制成件有良好的机械性能，适合于产使用寿命长，制成件有良好的机械性能，适合于产品设计的概念建模和功能性测试零件，且由于制成品设计的概念建模和功能性测试零件，且由于制成的零件具有木质属性，特别适合于直接制作砂型铸的零件具有木质属性，特别适合于直接制作砂型铸造模。造模。本次课内容总结：v1、LOM原理；原理；v2、LOM设备组成和个组成的作用；设备组成和个组成的作用；v3、LOM成型过程；成型过程；v4、LOM成型精度及控制方法；成型精度及控制方法；v5、LOM原材料有哪些及对其要求；原材料有哪些及对其要求；v6、LOM成型特点。成型特点。快速成型技术及应用快速成型技术及应用张汪年张汪年