分层实体制造讲解

1、分层实体制造 LOM 分层实体制造分层实体制造 ? LOM工艺称为分层实体制造，由美国Helisys公司的 Michael Feygin于1986年研制成功。该公司已推出LOM- 1050和LOM-2030两种型号成形机。 ? 研究LOM工艺的公司除了Helisys公司，还有日本Kira 公司、瑞典Sparx公司、新加坡Kinergy精技私人有限公司、 清华大学、华中理工大学等。 ? LOM是几种最成熟的快速成型制造技术之一。这种制造方 法和设备自1991年问世以来，得到迅速发展。由于叠层实 体制造技术多使用纸材，成本低廉，制件精度高，而且制 造出来的木质原型具有外在的美感性和一些特殊的品质，

2、 因此受到了较为广泛的关注，在产品概念设计可视化、造 型设计评估、装配检验、熔模铸造型芯、砂型铸造木模、 快速制模母模以及直接制模等方面得到了迅速应用。 LOM（分层实体制造法）快速 成形系统的成形原理 LOMLOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。 片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时， 热压辊热压片材，使之与下面已成形的工件 粘接；用CO2CO2激光器在刚粘接的新层上切割出 零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与 外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网 格；激光切割完成后，工作台带动已成形的 工件下降，与带状片材( (料带) )分离；供料机 构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使 新层移

3、到加工区域；工作台上升到加工平面； 热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增 加一个料厚；再在新层上切割截面轮廓。如 此反复直至零件的所有截面粘接、切割完， 得到分层制造的实体零件。 在 这 种 快 速 成 形 机 上 ? 截 面 轮 廓 被 切 割 和 叠 合 后 所 成 的 制 品 如 图 所 示 ? 其 中 ? 所 需 的 工 件 被 废 料 小 方 格 包 围 ? 剔 除 这 些 小 方 格 之 后 ? 便 可 得 到 三 维 工 件 ? ? 截 面 轮 廓 被 切 割 和 叠 合 后 所 成 的 制 件 LOM流程 流程 ? CAD模型的形成于一般CAD造型过程没有区别，其作用是 进行

4、零件的三维几何造型，许多具有三维造型功能的软件 ， 如Pro/E、AutoCAD,UG,CATIA等均可以完成这样的任务。利 用这些软件对零件造型以后，还能将零件的实体造型转化 为易于对其进行分层处理的三角面片造型格式，即STL格 式。 ? 模型Z向分层是一个切片的过程，它将STL文件格式的CAD 模型根据有利于零件堆积制造而优选的特殊方位，横截成 一系列具有一定厚度的薄片，得到每一个切片的内外轮廓 等几何信息。 ? 层面信息处理就是根据经过分层处理后得到的层面信息， 通过层面内外轮廓识别及料区的特性判断等，生成成型机 工作的数控代码，以便成型机的激光头对每一层进行精确 加工。 ? 层面粘接与

5、加工处理就是将新的切片与 前一层进行粘接，并根据生成的数控代 码对当前面进行加工，它包括对前面进 行截面轮廓切割以及网格切割。 ? 逐层堆积是指当前层与前一层粘接且加 工结束后，使得零件下降一个层面，送 纸机构送上新的纸，成型机再重新加工 新的一层，如此反复，直至加工完成。 ? 后处理是对成型机加工完成的制件进行 必要的处理，如清洗掉嵌入在工件内不 需要的废料。 LOM成型机需要的主要装置 ?根据LOM工艺的，LOM成型机需要的主要装置如下： 1. 工作台及升降装置 工作台用于放置切割加工后的模型，升降装置用 于实现工作台的上下运动，以便调整工作台的位置以及实现模型的按 层堆积。 2. 热压装

6、置 通过碾压装置作用，以便使加热了的压辊将新的输入纸与 前一层进行粘合在一起。 3. 激光扫面装置 使得由激光发生器发出的激光束通过反射镜反射，让 激光按照指定的轨迹运动，切割涂有热熔胶的纸，从而切割出相应的 截面轮廓和网格。 4. 送纸装置 当对当前层的纸完成了切割且工作台下降到一定距离后， 利用送纸装置送入新的纸，以便进行新的切割。 5. 其他装置 为了使LOM成型机完成所需的工作，还需要其他的一些辅 助装置，如缓冲装置、平衡装置等。 成型材料 ? 分层实体制造中的成形材料为涂有热熔胶的薄层材料，层 与层之间的粘结是靠热熔胶保证的。LOM材料一般由薄 片材料和热熔胶两部分组成。 ? 1薄片

7、材料 ? 根据对原型件性能要求的不同,薄片材料可分为：纸片 材、金属片材、陶瓷片材、塑料薄膜和复合材料片材。对 基体薄片材料有如下性能要求： ? 抗湿性 ? 良好的浸润性 ? 抗拉强度 ? 收缩率小 ? 剥离性能好 ? 纸片材应用最多。这种纸由纸质基底和涂覆的粘结剂、改 性添加剂组成，成本较低。 ? KINERGY公司生产的纸材采用了熔化温度较高的粘结剂 和特殊的改性添加剂，成形的制件坚如硬木，表面光滑， 有的材料能在200下工作，制件的最小壁厚可达 0.30.5 mm，成形过程中只有很小的翘曲变形，即使间 断地进行成形也不会出现不粘结的裂缝，成形后工件与废 料易分离，经表面涂覆处理后不吸水，

8、有良好的稳定性。 热熔胶 ? 用于LOM纸基的热熔胶按基体树脂划分，主要有乙烯-醋 酸乙烯酯共聚物型热熔胶、聚酯类热熔胶、尼龙类热熔胶 或其混合物。热熔胶要求有如下性能： ? 良好的热熔冷固性能（室温下固化）； ? 在反复“熔融-固化”条件下其物理化学性能稳定； ? 熔融状态下与薄片材料有较好的涂挂性和涂匀性； ? 足够的粘接强度； ? 良好的废料分离性能。 ? 目前，EVA型热熔胶应用最广。EVA型热熔胶由共聚物 EVA树脂、增粘刑、蜡类和抗氧剂等组成。增粘剂的作用 是增加对被粘物体的表面粘附性和胶接强度。随着增粘剂 用量增加，流动性、扩散性变好，能提高胶接面的润湿性 和初粘性。但增粘剂用量

9、过多，胶层变脆，内聚强度下降。 为了防止热熔胶热分解、胶变质和胶接强度下降，延长胶 的使用寿命，一般加入0.52的抗氧剂;为了降低成本， 减少固化时的收缩率和过度渗透性，有时加入填料。热熔 胶涂布可分为均匀式涂布和非均匀涂布两种。均匀式涂布 采用狭缝式刮板进行涂布，非均匀涂布有条纹式和颗粒式。 一般来讲，非均匀涂布可以减少应力集中，但涂布设备比 较贵。 ? LOM原型的用途不同，对薄片材料和 热熔胶的要求也不同。当 LOM原型用 作功能构件或代替木模时，满足一般 性能要求即可。若将 LOM原型作为消 失模进行精密熔模铸造，则要求高温 灼烧时LOM原型的发气速度较小，发 气量及残留灰分较少等。而

10、用 LOM原 型直接作模具时，还要求片层材料和 粘结剂具有一定的导热和导电性能。 LOM 原型成型的一般工艺过程 LOM成型的全过程可以归纳为前处理、分层叠加成型、后 处理3个主要步骤。具体的说，LOM成型的工艺过程大致 如下： (1)图形处理阶段。制造一个产品，首先通过三维造型 软件(如：ProE、UG、SolidWorks)进行产品的三维模 型构造，然后将得到的三维模型转换为STL格式，再将 STL格式的模型导人到专用的切片软件中(如华中科大的 HRP软件)进行切片。 分 层 叠 加 后 处 理 STL文件 切片处理 设置工艺参数 基底制作 原型制作 余料去除 表面质量处理 提高强硬度处理

11、 激光 切割 速度 加热 辊温 度 切片 软件 精度 切碎 网格 尺寸 (2)基底制作。由于工作台的频繁起降， 所以必须将LOM原型的叠件与工作台 牢固连接，这就需要制作基底，通常 设置35层的叠层作为基底，为了使 基底更牢固，可以在制作基底前给工 作台预热。 (3)原型制作。制作完基底后，快速 成型机就可以根据事先设定好的加工 工艺参数自动完成原型的加工制作， 而工艺参数的选择与原型制作的精度、 速度以及质量有关这其中重要的参 数有激光切割速度、加热辊温度、激 光能量、破碎网格尺寸等。 (4)余料去除。余料去除是一个极其烦 琐的辅助过程，它需要工作人员仔细、 耐心，并且最重要的是要熟悉制件的

12、 原型这样在剥离的过程中才不会损 坏原型。 (5)后置处理。余料去除以后，为 提高原型表面质量或需要进一步翻制 模具则需对原型进行后置处理如 防水、防潮、加同并使其表面光滑等， 只有经过必要的后置处理工作，才能 满足快速原型表面质量、尺寸稳定性、 精度和强度等要求。 分层实体制造工艺后置处理中的表面涂覆 ? LOM原型经过余料去除后，为了提高原型的性能和便于 表面打磨，经常需要对原型进行表面涂覆处理，表面涂覆 的好处有： ? （1）提高强度；（2）提高耐热性； ? （3）改进抗湿性；（4）延长原型的寿命； ? （5）易于表面打磨等处理； （6）经涂覆处理后，原 型可更好地用于装配和功能检验 分

13、层实体制造技术的特点: ? 优点： ?1、 原型精度高 2、 有较高的硬度和较好的机械性能，可进行各种切削加工 3、 无须后固化处理 4、 无须设计和制作支撑结构 5、 废料易剥离 6、制件尺寸大 7、原材料价格便宜，原型制作成本低 8、成型速度快 ?分层实体制造方法与其他快速原型制造技术相比，具有制作效率高、速 度快、成本低等优点，在我国具有广阔的应用前景。 ? 缺点 ? 1、不能直接制作塑料工件 2、 工件的抗拉强度和弹性不够好 ? 4、工件表面有台阶纹 3、工件易吸湿膨胀 5、前后处理费时费力，且不能制造中空结构件。 LOM对产品周期的影响 ? 四方面受益 ? ? 快速成型与传统加工有着

14、本质上的区别，因此可使设计者、制造者、推销者和用户四方面都得到 很大的效益。 ? ? 1 设计者 ? ? 在设计产品时，通常分为概念设计及详细设计。由于设计者的能力有限，不可能在 ?短时间内，仅凭图纸上的思维，就把结构、形状及尺寸等问题考虑得很周全并使结果 ?优化，不但费时费力，往往难免有所疏漏，从而造成返工。为解决上述问题，在现代 ?制造技术领域中，提出了并行工程的方法，它以小组协同工作为基础，通过网络共享 ?数据等信息资源，来同步考虑产品设计、制造的有关技术问题，从而实现并行设计的 ?思想。然而，仅仅依靠计算机及数字模拟，没有必要的物理模拟手段，也难于完美地 ?进行并行设计。 ? ? 采用

15、快速成型技术之后，设计者在设计的最初阶段，就能拿到实在的产品样品，并 ?可在不同阶段快速地修改、重做样品，甚至做出试制用工模具及少量的产品，据此判 断有关的各种 ?问题。这给设计者创造了一个优良的设计环境，无需多次反复思考、修改，即可尽快 得到优化结果 ?。因此，快速成型技术是真正实现并行设计的强有力手段。 ? ? 2 制造者 ? ? 制造者在产品设计的最初阶段，也能拿到实在的产品样品、甚至试制用的 工模具及少量产品，这使得他们能及早地对产品设计提出意见，做好原材料、 标准件、外协加工件、加工工艺和批量生产用工模具等准备，最大限度地减 少失误和返工，大大节省工时、降低加工成本和提高产品质量。

16、? 3 推销者 ? ? 推销者在产品设计的最初阶段，也可拿到产品样品、甚至少量产品，这使 ?得他们能据此及早、实在地向用户宣传，征求意见，并进行比较准确的市场 需求预测，而不是仅凭抽象的产品描述或一张图纸、一份样本来推销。所以， 快速成型技术的应用可以显著地降低新产品的销售风险和成本，大大缩短其 投放市场的时间和提高竞争能力。 ? 4 用户 ? ? 用户在产品设计的最初阶段，也能见到产品样品，甚至少量产品，这使得 他们及早、深刻地认识产品，进行必要的测试，并且提出有关的意见，从而 可以在尽可能短的时间内，以合理的价格得到性能最符合要求的产品。 ? 提 高 分 层 实 体 原 型 制 作 质 量

17、 措 施 ?(1) 分层实体原型制作误差分析 ? 1、CAD模型STL文件输出造成的误差 ? 2、切片软件STL文件输入设置造成的误差 ? 3、设备精度差 约束不一致 成型功率控制不当 切碎网格 尺寸问题 工艺参数不稳定 ? 4、成型后环境引起的变化 热变形 湿变形 （2） 提 高 分 层 实 体 原 型 制 作 精 度 的 措 施 ? 1、在进行STL转换时，可以根据零件形状的不同复杂程 度来定。在保证成形件形状完整平滑的前提下，尽量避免 过高的精度。不同的CAD软件所用的精度范围也不一样， 例如Pro/E所选用的范围是0.010.05mm ，UG所选 用的范围是0.020.08mm ，如果

18、零件细小结构较多可将 转换精度设高一些。 ? 2、STL文件输出精度的取值应与相对应的原型制作设备 上切片软件的精度相匹配。过大会使切割速度严重减慢， 过小会引起轮廓切割的严重失真。 ? 3、模型的成型方向对工件品质（尺寸精度、表面粗 糙度、强度等）、材料成本和制作时间产生很大的影 响。一般而言，无论哪种快速成形方法，由于不易控 制工件Z方向的翘曲变形等原因，工件的X-Y方向的 尺寸精度比Z方向的更易保证，应该将精度要求较高 的轮廓尽可能放置在X-Y平面。 ? 4、切碎网格的尺寸有多种设定方法。当原型形状比 较简单时，可以将网格尺寸设大一些，提高成型效率； 当形状复杂或零件内部有废料时，可以采

19、用变网格尺 寸的方法进行设定，即在零件外部采用大网格划分， 零件内部采用小网格划分。 5、 处理湿胀变形的一 般方法是涂漆。为考 察原型的吸湿性及涂 漆的防湿效果，选取 尺寸相同的通过快速 成型机成型的长方形 叠层块经过不同处理 后，置入水中10min 进行实验，其尺寸和 重量的变化情况如下 表所示。 ?从此表可以看出，未经任何处理的叠层块对水分十分 敏感，在水中浸泡10min，叠层方向便涨高45mm， 增长41%，而且水平方向的尺寸也略有增长，吸入水 分的重量达164g，说明未经处理的LOM原型是无法 在水中进行使用，或者在潮湿环境中不宜存放太久。 为此，将叠层块涂上薄层油漆进行防湿处理。从

20、实验 结果看，涂漆起到了明显的防湿效果。在相同浸水时 间内，叠层方向仅增长3mm，吸水重量仅4g。当涂 刷两层漆后，原型尺寸已得到稳定控制，防湿效果已 十分理想。 ?纸材的最显著缺点是对湿度极其敏感，LOM原型吸湿后叠层方向尺寸增长，严 重时叠层会相互之间脱离。为避免因吸湿而引起的这些后果，在原型剥离后短期 内应迅速进行密封处理。表面涂覆可以实现良好的密封，而且同时可以提高原型 的强度和抗热抗湿性。 分层实体制造对激光器及其控制有特殊的要求： ? 激光输出能量稳定且能够随扫描速度变化而变化，因此设备需要装备自动 ?匹配软件，使之能够根据激光的瞬时切割速度自动调节激光输出功率。在快 ?速切割直线

21、时有足够的切割功率，在低速切割圆弧曲线时有较低的切割功率。 ? 激光器能够快速开启和关闭。 ? 激光束光斑尺寸能够自动补偿，能自动快速识别截面的内、外轮廓边界， ?能根据激光的光斑尺寸自动向内或向外偏移半个光斑尺寸，从而保证了实际 ?边界轮廓与理论边界轮廓的一致。 ? 在成型由分段折线围成轮廓的切片截面时，激光头存在多次启停现象。在 ?切割一条折线段时，激光头从开始启动、加速最后达到匀速。在要切割完毕 ?时，扫描速度则存在相反的变化过程，从恒定的扫描速度开始，经过减速最 ?后变为零。如果折线段长度很短，则过渡过程在切割过程中所占比例很大。 ?如果激光器输出功率不变，当扫描速度变小时，激光头在特

22、定距离内停留时 ?间延长，成形纸吸收能量增加，激光热影响区扩大，使切口变宽，尺寸精度 ?降低。当扫描速度变大时，激光头在特定距离内停留时间缩短，激光能量难 ?以进行切割。因此在LOM成形中，激光功率与扫描速度的匹配至关重要，激 ?光输出能量稳定且能够随扫描速度变化具有重要意义。 分层实体制造的成型效率 ?影响分层实体制造效率的因素很多，在实际生产中，可以从设备、工艺、控 制各个方面进行优化和完善，以达到提高成型效率的目的。 ? 将加工平面分为不同加工区域进行并行加工，控制系统同时驱动多套扫描 系统进行快速成型，可以显著提高成型效率。例如将一个矩形区域分割为两 个区域进行并行加工，成型效率可以提

23、高40% ? 在普通LOM工艺中，激光扫描切割后工作台下降实现剩余纸与成型件的分 离，这种方法的脱纸效率很低。通过分析脱纸工艺可知，脱纸操作的实质是 使切割边框与工作台相对运动保持定距离。基于这原则利用涂敷纸上升实现 脱纸，缩短成形周期的30%。 ? 在普通LOM工艺中，各工艺阶段为顺序排列，即每一个工艺过程结束后， 再开始下一个过程。通过对工艺的分析，结合控制系统的硬件特性以及对多 个过程的并行控制，对部分进程叠加进行，可以缩短成形周期。 ?通过对扫描机构惯性问题的分析以及扫描速度与激光功率实时匹配问题的研 究，提高激光扫描加工速度，进而提高成型效率。通过研究开发适合大型原 型成形的热压系统

24、，提高热压工艺的传热效率和热压速度，可以实现总体效 率的提高。 网格处理注意项 ?成型后的模型完全埋在废料中，需要将废料划分成碎块才能与零件分离，因 此需要在成型过程中对每一个加工层面用激光将废料部分划分成网格，在高 度方向上废料网格保持位置和大小一致，加工完成后废料就成为可以分离的 小碎块。网格的划分方式直接影响模型的加工效率和废料的可剥离性，过密 的网格虽然容易废料剥离，但是加工切割网格花费的时间过长，稀疏的网格 导致废料很难剥离，甚至损坏制件细节。图5 -22所示为废料的清理过程。 ? 从废料剥离的角度来说，网格划分应该满足以下要求： ? 网格层间一致。只有网格线在层与层之间的位置和间距

25、一致，才能保证形 成有效的切口，废料才能被划分成碎块。 ? 对制件的凹洞等部分，需要根据凹洞的窄小程度，划分致密网格，否则凹 洞将难以掏空。 ? 尖角、薄壁等制件的细小部分位置附近，要专门划分网格，否则剥离废料 时会损伤工件。 ? 如果制件在加工方向上有突变，则需要在突变处划分致密的细网格，否则 废料会和制件粘连在一起。在此基础上，更多的网格不会显著提高废料的可 剥离性，反而会导致废料碎块太小而延长剥离时间，激光切割时间大大延长， 降低成型效率。 空行程优化 ?x、y轴通过滚轴丝杠传动，因此机械惯性大，加工速度低。在实际运动过程 中，轮廓和网格线的切割时间受制于设备性能，不可能提高，所以减少空

26、行 程就显得特别重要。空行程是指激光头从一个轮廓环移动到另一个廓环，或 者从一个网格线移动到另一个网格线的过程，在此期间激光不开启。空行程 的运行时间直接依赖于软件设置的加工顺序，通过对路径进行优化可以显著 减少空行程时间，对网格线的加工也可以进行类似优化。对轮廊和网格的路 径与加工顺序进行优化能显著提高LOM的加工速度。图5-23所示的实线表示 轮廓环，黑点为环加工起点，虚线表示空行程。路径优化后的空行程时间显 然要少得多。 分层实体制造工艺的应用示例 ? 1、汽车车灯 ?随着汽车制造业的迅猛发展，车型更新换代的周期不断缩短， 导致对与整车配套的各主要部件的设计也提出了更高要求。 其中，汽车

27、车灯组件的设计，要求在内部结构满足装配和使 用要求外，其外观的设计也必须达到与车体外形的完美统一。 车灯设计与生产的专业厂家传统的开发手段受到了严重的挑 战。快速成型技术的出现，较好地迎合了车灯结构与外观开 发的需求。下面为某车灯配件公司为国内某大型汽车制造厂 开发的某型号轿车车灯LOM原型，通过与整车的装配检验 和评估，显著提高了该组车灯的开发效率和成功率。 轿 车 后 组 合 灯 轿 车 前 照 灯 2、铸铁手柄 某机床操作手柄为铸铁件，人工方式制作砂型铸造用的木模十分费时 困难，而且精度得不到保证。随着CADCAM技术的发展和普及， 具有复杂曲面形状的手柄的设计直接在CAD/CAM 软件

28、平台上完成， 借助快速成型技术尤其是叠层实体制造技术，可以直接由CAD模型高 精度地快速制作砂型铸造的木模，克服了人工制作的局限和困难，极 大地缩短了产品生产的周期并提高了产品的精度和质量。下图为铸铁 手柄的CAD模型和LOM原型。 CAD模型 LOM原型 3、LOM原型在制鞋业中的应用 ?当前国际上制鞋业的竞争日益激烈，而美国Wolverine World Wide 公司无论在国际还是美国国内市场都一直保持着旺盛的销售势头，该公 司鞋类产品的款式一直保持着快速的更新，时时能够为顾客提供高质量 的产品，而使用PowerSHAPE 软件和Helysis 公司的LOM快速原型加工 技术是Wolverine World Wide 公司成功的关键。 ?Wolverine 的设计师们首先设计鞋底和鞋跟的模型或图形，从不同角度 用各种材料产生三维光照模型显示，这种高质的图像显示使得在开发过 程中能及早地排除任何看起来不好的装饰和设计。 即使前期的设计已经排除了许多不理想的地方， 但是投入加工之前，Wolverine公司仍然需要有实物 模型。鞋底和鞋跟的LOM模型非常精巧，但其外观是 木质的，为使模型看起来更真实，可在LOM表面喷涂 产生不同材质效果。