分层实体制造技术的发展与应用

1、分层实体制造（LOM）技术的发展与应用摘要：分层实体制造技术是快速成型技术之一。该技术属于先进制造技术，它以 CAD/CAM 技术、数控技术、材料科学等为基础，能够以较快的速度将计算机实体模型转化为具有一定结构功能的产品原型，或直接制造出零件。本文论述了分层实体制造（LOM）技术的原理，并说明了它的国内外研究现状及其应用。关键词：分层实体制造；快速成型；原理；研究现状；应用1. 引言人类社会已经进入 21 世纪，传统的制造业也面临着新的挑战和机遇。一方面，世界经济全球化，企业面临着来自全球市场的激烈竞争，必须快速创造和把握商机而求生存，产品的市场响应速度成为企业战略的第一要素。另一方面，消费者

2、需求日益个性化、多元化和主体化，消费者兴趣的短时效性显著，企业需要的是以小批量甚至单件生产、高精度、多品种及产品几何形状复杂、不增加成本的柔性生产模式，用以代替传统的大量生产模式。因此，快速灵活地响应市场需求已是制造业发展的重要走向。与此同时，制造业作为国民经济重要支柱，其制造技术水平的高低也体现和决定了一个国家的综合科技水平，必须不遗余力地开发各种先进制造技术，提高制造工业的发展水平，增强国际市场竞争能力。以计算机、微电子、激光、自动化、信息、新材料等为代表的各种高新技术的普及应用，为各种新的制造技术和制造模式的层出不穷并不断发展奠定了坚实的基础。快速原型制造技术（Rapid Prototy

3、ping & Manufacturing，简称 RPM），正是在这一背景下产生的，它综合了上述各种高新技术最新发展，被广泛用于制作产品原型和模具，能自动、快速、精确地将设计思想转变成一定功能的产品原型或直接制造零件，给制造业带来了加工方式上的根本上的变化，对缩短产品开发周期、减少产品开发费用，提高企业竞争力有重要作用。RPM 技术发展初期，大都采用树脂、ABS、尼龙、纸、陶瓷粉末等材料制造原型零件用于产品设计评估、功能实验及快速开发等。随着其应用领域逐渐地扩大到汽车、机械工程等行业，上述材料已经不能满足功能原型或功能零件在机械、力学等性能方面的要求，因此必须采用金属为造型材料制造可以直

4、接投入使用的最终用途零件，这也是当今 RP/M 技术的研究热点14。金属基陶瓷粉末、金属复合材料粉末、金属板材、锡箔等都可以用来做造型材料，其中利用金属板材作造型材料的分层实体制造（LOM）是一个实现金属功能零件快速制造的有效方法，具有广阔的应用前景。2. 分层实体制造分层实体制造的工作原理是（参见图1）：首先将涂有热熔胶的纸通过热压辊的碾压作用与前一层纸粘结在一起，然后让激光束按照对 CAD 模型分层处理后获得的截面轮廓数据对当前层的纸进行截面轮廓扫描切割，切割出截面的对应轮廓，并对当前层的非截面轮廓部分切割成网格状，然后使工作台下降，再将新的一层纸铺在前一层的上面，再通过热压辊碾压，使当前

5、层的纸与下面已切割的层粘接在一起，再次由激光束进行扫描切割。如此反复，直到切割出所有各层的轮廓。分层实体制造中，不属于截面轮廓的纸片以网格状保留在原处，起着支撑和固化的作用5, 6。分层实体制造工艺的主要特点为：（1）成型速率较高。由于该工艺不需要激光束扫描整个模型截面，只需切割出内外轮廓等，所以加工时间主要取决于零件的尺寸及其复杂程度，（2）不需要进行支撑设计，所以前期处理的工作量小。分层实体制造工艺的缺点是：（1）由于其工艺特点所致，因此制造出的原型在各方向的机械性能有显著的不同，（2）完成加工后，还需要手工清除无用的碎块，较为费时费工，（3）由于原材料的原因，所以应用范围受到一定的影响。

6、图1 LOM技术工作原理图Fig. 1 Working principle diagram of LOM technique3. LOM 成型机成型流程剖析图1介绍了 LOM 成型机的工作原理。为设计 LOM 成型机，需要进一步了解 LOM 成型机的成型流程。图2所示为 LOM 工艺的成型流程6, 7。图2 LOM 工艺的成型流程Fig. 1 Shaping process of LOM technique在如图2所示中，CAD模型的形成与一般的CAD造型过程没有区别，其作用是进行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

7、的任务。利用这些软件对零件造型后，还能够将零件的实体造型转化成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 向离散（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层，得到每一切层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几何信息，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面进行精确加工。层面粘接与加工处理就是将新的切割层与前一层进行粘接，并根据生成的数控代码，对当前面进行加工，它包括对当前面进行截面轮廓切割以及网格切

8、割。逐层堆积是指当前层与前一层粘结且加工结束后，使零件下降一个层面，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，直到加工完成。后处理是对成型机加工完的制件进行必要的处理，如清理掉嵌在加工件中不需要的废料等。在图2所示的成型流程中，创建 CAD 模型、模型 Z 向离散以及层面信息处理通过软件实现，后处理部分由人工实现。本章主要介绍实现层面加工处理和粘结逐渐堆积制造的机械部分的设计。4. 分层实体制造技术的发展从历史上看，国外很早就出现过“材料叠加”这样的制造设想，例如，在 1892年，JEBlanther 在其美国授权专利（#473901）中，提出了利用分层制造的方法来构成地形图，该

9、方法的原理是：将地形图的各轮廓线通过某些方法压印在一些蜡片上，然后再按照轮廓线切割各蜡片，并将切割后的各蜡片粘结在一起，从而得到对应的三维地形图。1940 年，Perera 提出了在一些硬纸板上切割地形图轮廓线，然后再将对应的纸板粘结在一起来形成三维地形图。Paul L Dimatteo 在其 1976 年的美国受权专利（# 3932923）中明确提出，先利用轮廓跟踪器，将三维物体转换成许多的二维轮廓薄片，然后利用激光切割这些薄片，再利用螺钉、销钉等将一系列的薄片连接成三维物体，这些设想与现代快速成型技术，即“分层实体制造”（LOM）的原理很相似8, 9。在这些专利中，虽然提出了类似于分层实体

10、制造的各种基本原理，但却很不完善，更没有实现分层实体制造工艺的机械设备以及商品化的原材料。从 20 世纪 70 年代末到 80 年代初期，先后有美国 3M 公司的 Alan J. Hebert （1978 年）、日本的小玉秀男（1980 年）、美国 UVP 公司的 Charles W.Hull（1982 年）和日本的丸谷洋二（1983年）等提出了快速成型（RP）这一概念，即通过对连续层中选择区域的固化来形成三维实体这一新的制造思想。20 世纪 80 年起，快速成型技术有了质的发展。Charles W Hull 在其 1986 年的美国授权专利（#4 575330）中，提出了一种用激光束来照射液

11、态光敏树脂，实现分层制作三维物体。1984 年，Michael Feygin 提出了分层实体制造（LOM）方法。Michael Feygin 于 1985年组建了 Helisys 公司，并且基于 LOM 成型原理，于 1990 年开发出了世界上第一台商用 LOM 设备LOM-10150。除 Helisys 公司外，日本的 Kira 公司、瑞典的 Sparx公司以及新加坡的 Kinergy 精技私人有限公司等也一直从事 LOM 工艺的研究与设备的制造。在世界范围内，从 80 年代中期到 90 年代后期，先后出现了十几种不同类型的快速成型技术，但LOM技术仍是快速成型技术的主流之一10, 11。我

12、国对分层实体制造技术的研究起始于 1991 年。从事该研究工作的主要高等院校有西安交通大学、清华大学、华中科技大学、南京航空航天大学等，主要企业有北京隆源公司等，它们在分层实体制造技术的理论研究、实际应用以及分层实体制造设备商品化等方面做了许多工作，并取得显著成果，这些成果包括分层实体制造理论研究、各种处理软件、不同工艺及型号的成型设备、新的控制技术、适应于不同工艺的成型材料以及成形精度控制等各个方面25, 7。以颜永年教授为学科带头人的清华大学研究团队最先引进了美国 3D 公司的SLA-250 设备与技术，并进行了快速成型技术的系列研究，开发出了具有多功能的快速成型制造系统M-RPMS-II

13、。M-RPMS-II 系统是唯一能够在一台设备上实分层实体制造和熔融沉积成型两种快速成型工艺的系统，且拥有自主知识产权。此外，颜教授领导的团队还先后开发出了基于 FDM 工艺原理的快速成型系统以及基于LOM 工艺原理的快速成型系统等设备，并且开展了大量的理论与应用研究，取得了一大批成果。目前，国内已有许多高校、科研院所开展了分层实体制造技术的研究，许多企业利用 RP 设备进行新产品的开发、快速模具制造、产品装配检验等各个方面。5. 分层实体制造技术的应用快速成型技术已经得到了业界的普遍关注，并在许多行业得到了良好的应用，如汽车、家用电器、轻工业产品、玩具、建筑模型、医疗器械和人造器官模型、军事

14、装备和航天器等。5.1 新产品在研制开发期间的试验验证利用计算机辅助设计技术进行新产品的设计时，虽然能够提高产品的设计效率，但设计人员只能借助于计算机，利用软件模拟来评判产品，无法使设计者以及用户直接评判设计的效果，也可能无法让工艺人员直接评判结构的合理性以及生产可行性。例如，对于如图 2所示的形状复杂的产品，可能就存在这样的问题。图3 运用 LOM 系统制作的具有复杂形状的零件原型Fig. 1 Prototype with complicated shape made by LOM system利用快速成型技术，可以较快地制造出样品的实物模型，能够供设计人员和用户直接进行测量、模拟装配、进行

15、功能实验和性能测试，因而能够快速、经济地验证设计人员的设计思想以及产品结构的合理性、可制造性、可装配性和美观性，找出设计的缺陷，并通过修改来完善产品的设计。很显然，采用这样的方法，能够缩短新产品的设计周期，并且使设计结果更加符合用户的使用要求以及制造工艺要求，使设计更为完善，同时也能有效避免由于盲目投产而造成的浪费。5.2 新产品投放市场前的调研与宣传如果利用快速成型技术快速制造出产品的替代品，那么在将新产品投放市场之前，就能够用替代品在潜在的用户群中进行调研与宣传，从而使企业能够及时了解用户对产品的意见以及需求量，并以此来确定是否向市场投放新产品，为企业进行有效决策提供依据。此外，如果决定向

16、市场投放新产品，还能够根据调研结果确定产品的生产规模和价格。5.3 间接快速制模分层实体制造技术是间接快速制模技术所涉及的快速成型方法之一，主要有以下两种制模方法：一种方法是先通过快速成型方式成型模型（塑料模型或蜡模型等），然后利用相应的铸造、金属喷涂或者是电极成型等方法制作出成型模具。另一种方法是先通过快速成型技术制作出铸型（砂型或壳型），然后通过铸造的方式，将对应的砂型或壳型制作成模具。快速成型技术的最大应用领域之一是铸造业。将精密铸造工艺与快速成型技术有机结合，形成了快速铸造技术。快速铸造技术兼备了精密铸造与计算机数控加工的优点，能够有效减少产品的生产时间和费用12。5.4 直接生产小批

17、量和形状复杂的零件对于形状复杂或者是生产批量较小的零部件，如果材料是陶瓷、塑料、金属材料，或者是它门的复合材料，则可以直接用LOM 方法实现快速成型。零件直接实现快速成型有着非常重要的应用价值。由于分层实体制造技术是通过材料堆积的方式来实现将 CAD 实体模型转换成物理模型，因此在成型过程中不需要任何的专业工具，就能够将零件或者是原形快速地制造出来。6. 结束语分层实体制造（LOM）技术是集精密机械、材料科学、计算机辅助设计、计算机数控加工等技术为一体的高新技术。利用分层实体制造技术，不需要通过传统的切削方法就能够制作出零件。分层实体制造技术自 20 世纪 80 年代问世并得到应用以来，得到了

18、迅速的发展。在航天航空、机械、汽车、电器、建筑以及医学等行业中，已广泛利用该技术进行产品概念设计的可视化、造型设计的评估、产品装配的检验以及快速模具制造等多个方面。参考文献1 颜永年, 张伟. 基于离散/堆积成型概念的 RPM 原理和发展J. 中国机械工程, 1994, 5(4): 64-66.2 黄树槐, 肖跃加, 莫健华, 等. 快速成形技术的展望J. 中国机械工程, 2010 (2).3 宋天虎. 我国快速成形制造技术的发展与展望J. 中国机械工程, 2000, 11(10): 1081-1083.4 洪军, 唐一平. 快速成型技术在新产品快速设计与制造中手的应用研究J. 机械设计, 2000, 17(12): 7-9. 5 Park J, Tari M J, Hahn H T. Characterization of the laminated object manufacturing (LOM) processJ. Rapid Prototyping Journal, 2000, 6(1): 36-50.6 王秀峰, 罗宏杰. 快速原型制造技术M. 中国轻工业出版社, 2001. 7 Do