分层实体制造工艺材料和应用分层实体制造工艺材料和应用

院级精品在线课程

分层实体制造技术

（二）

《快速成型技术与应用》本节知识点分层实体制造成型工艺的特点4分层实体制造成型工艺的材料5分层实体制造成型工艺的精度6分层实体制造成型工艺的发展和应用71.掌握分层实体制造成型技术的工艺特点。2.掌握分层实体制造成型技术材料与精度。重点1.分层实体制造成型技术的工艺特点。2.分层实体制造成型技术的材料与精度。学习重点与难点难点四、LOM成型的优、缺点（1）制作精度高，翘曲变形较小；这是因为在薄形材料选择性切割成型时，在原材料涂胶的纸中，只有极薄的一层胶发生状态变化由固态变为熔融态，而主要的基底（纸）仍保持固态不变，因此翘曲变形较小，零件的精度较高，目前工艺成型的零件精度可达±0.1-0.2mm。（2）成型速度较快，易于制造大型零件；只需在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面，因此常用于加工内部结构简单的大型零件。（3）原材料价格便宜，原型制作成本低；（4）成型时无需设计支承，前期处理的工作量小；（5）原型具有较高的硬度和较好的力学性能，可进行切削加工。优点

缺点（1）材料利用率低，并且废料不能重复利用；（2）工件表面有台阶纹，其高度为材料的厚度（通常为0.1mm）。因此表面质量相对较差，成型后需进行表面打磨；（3）工件易吸湿膨胀变形，成型后应尽快进行表面防潮处理；（4）工件特别是薄壁件的抗拉强度和弹性不够好；（5）去除废料的工作比较费时，并且有些废料拔离比较困难；（6）叠层方向和垂直于叠层方向上的机械特性差异非常大。课后练习1.下列选项中不是分层实体制造技术的优势的是（

）A工件表面有台阶纹B原型精度高C无须后固化处理D制件尺寸大2.判断以下说法正确与否。分层实体制造技术制造的样件有较高的硬度和较好的机械性能，可进行切削加工。（

）A对

1.对材料的要求

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。

乙烯-醋酸乙烯共聚物型热熔胶聚酯类热熔胶尼龙类热熔胶1薄片材料2纸片材陶瓷片材金属片材复合材料片材热熔胶五、分层实体制造技术成形的材料。对纸材性能要求（1）良好的浸润性。即纸纤维的组织结构要好。纤维长且粗大，分布均匀，纤维之间有一定空隙，有利于涂胶，也有利于力学性能的提高。（2）纸的厚薄要适中。在精度要求高时应选择薄纸，纸越薄越均匀，LOM制件的精度就越高；在能满足精度的前提下，尽量选择厚度大的纸，可以提高生产效率。（3）要有一定的力学性能，能承受一定的拉力，以便实现自动传输和收卷。它的耐折度和抗撕裂度也严重影响零件的力学性能。（4）涂胶后的纸厚薄必须均匀。厚薄均匀才便于加工和保证零件的精度。（5）收缩率小（6）剥离性能好（7）易打磨，表面光滑（9）稳定性对热熔胶的性能要求（1）良好的热熔冷固性能（室温固化）；（2）在反复“熔融一固化”条件下其物理化学性能稳定；（3）熔融状态下与薄片材料有较好的涂挂性和涂匀性；（4）与纸具有足够的粘接强度；（5）良好的废料分离性能。（胶粘剂在激光切割后能顺利的分离）课后练习1.下列哪项不是薄片材料的性能要求（）A良好的浸润性B剥离性能好C抗拉强度好D收缩率大2.下列哪项是用于LOM纸基的热熔胶性能要求（）A良好的废料分离性能B足够的粘接强度C化学性能稳定D涂挂性好3.分层实体制造技术成形所用材料一般由

和

两部分组成DABCD薄片材料热熔胶而热熔胶方面，目前EVA型热熔胶应用最广。EVA型热熔胶由共聚物EVA树脂、增粘剂、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。

抗氧剂的作用是防止热熔胶热分解、胶变质和胶接强度下降，延长胶的使用寿命，一般加入量为0.5％-2％。

填料的作用是降低成本，减少固化时的收缩率和过度渗透性。分层实体制造（LOM）的工件用途不同，对薄片材料和热熔胶的要求也不同。当LOM工件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工件作为消失模进行精密熔模铸造，则要求高温灼烧时LOM工件的发气速度较小，发气量及残留灰分较少等。LOM工件直接作模具时，还要求片层材料和粘结剂具有一定的导热和导电性能。（一）分层实体原型制作误差分析弦差CAD模型STL文件输出造成的误差切片软件STL文件输入设置造成的误差设备精度误差激光头的运动定位精度成型之后环境变化引起误差

热变形湿变形成型过程误差X、Y轴系导轨垂直度，Z轴与工作台面垂直度六、分层实体成型的精度成型功率控制不当切碎网格尺寸工艺参数不稳定粘胶厚度引起的变形

减小台阶误差的方法：1）减小层厚。薄层材料一般在0.05-0.3mm，若采用非常小的分层厚度，则会影响制件的生产效率。2）控制激光头的方向可以减小台阶效应。由于分层而产生的台阶效应的主要原因，是因为激光只能沿垂直于工作台的方向对每一层片进行平面加工，而没有考虑模型在分层方向上的曲率变化。因而实际加工的每一层面都为一柱体，于是在垂直方向上就会产生台阶效应。所以通过控制激光的切割方向，使激光的切割方向能够随着轮廓的斜率的方向而改变，使其切割方向与斜率的方向相一致。1.分层产生的台阶误差。

“台阶效应”2.粘胶厚度对精度的影响

（1）粘胶厚度不均匀产生的误差在成形过程中，原材料的基底纸的厚度虽然占有很大的比例，但是几乎不发生塑性变形。粘胶的厚度所占比例小，每层胶的厚度仅0.02左右，但塑性变形大，当几百层或上千层累积起来后，若胶厚不均匀，将严重影响叠层厚度的均匀性。（2）改善粘胶厚度均匀分布的措施1）将长热压辊分成几段。工作台倾斜及叠层块上表面不平都会引起热压辊的压力变化，从而影响粘胶压应力的稳定。当热压辊较长时，上述影响更为显著。因此，将长热压辊分成几段，有助于改善粘胶压应力沿方向的分布均匀性。2）调整热压辊与胶纸的接触弧长。

影响胶温的三个重要参数是热源发热强度、热压辊运动速度和热压辊与胶纸的接触弧长。

热源发热强度主要由热压辊内部发热源的功率决定，所以热压辊运行过程中，面热源发热强度可视为基本稳定。

热压辊运动速度可以根据模型的尺寸调节热压辊增速、匀速、减速的过程，使得热压辊在热压胶纸时基本为匀速运动，促成胶温均匀分布。当制件方向的尺寸比较小时，由于热压辊的行程较短，热压胶纸时辊速不可能完全匀速，在此情况下，可以在热压时使工作台作微量浮动，增加热压辊与胶纸的接触弧长，促使胶温尽量均匀分布。

工作台微量浮动的方法是：当热压辊增速热压时，工作台向上微微移动，增加热压辊的压力，增大热压辊与胶纸的接触弧长，补偿因辊速提高引起的胶温下降；当热压辊匀速运动时，工作台不动；

当热压辊减速运动时，工作台微微下降，减少热压辊的压力，从而减小热压辊与胶纸的接触弧长，缓和因辊速下降引起的胶温上升，热压辊和工作台的这种联动控制能使热压过程中胶温基本稳定。3）选用流动活化能较小的粘胶。流动活化能大的粘胶由于胶温变化引起的粘胶塑性形变大，因此制件中粘胶厚度不均匀程度大。所以应该选用流动活化能较小的粘胶，它的变形随胶温的改变而变化幅度较小，胶厚分布比较均匀。3.制件的热变形引起翘曲变形1.制件的热变形翘曲分析

在成型过程中叠层块不断被热压和冷却，成型后制件逐步冷却至室温，在这两个过程中，制件内部存在复杂变化的内应力，会使制件产生不可恢复的热翘曲变形。

这是因为，在成型过程中，由于粘胶的热膨胀系数与纸的热膨胀系数一般相差甚大，所以粘胶和纸受热时的膨胀量相差大。在热压辊热压和激光切割传递给零件热量时，热熔胶在受热后迅速熔化膨胀，而纸的变形相对较小，会导致正在制作的工件翘曲。

在热压后的冷却过程中，己切割成型的粘胶和纸层的收缩受到相邻层结构的限制，会造成纸和胶的不均匀收缩，均会使成型件产生热翘曲、扭曲变形。从而不能恢复到膨胀前的状态，最终产生不可恢复的热翘曲变形。2.改善热变形翘曲的措施（1）制件热变形的根本原因是纸、胶的热膨胀系数差别大，所以，采用两种热膨胀系数相近的复合材料将有助于减小热变形。（2）粘胶的共混改性。选择不同种类的聚合物，并采用物理或化学方法进行共混，以便改进粘胶的性能。其中，减小热膨胀系数有助于减小制件的热变形和防止开裂。（3）改进粘胶的涂覆方法。涂覆在纸上的粘胶可以为薄膜状或颗粒状，薄膜状的粘胶在降温时呈整体收缩，热应力大，从而使制件翘曲变形较大颗粒状的粘胶在降温收缩时，相互影响较小，热应力较小，所以制件翘曲变形较小，不易开裂。采用高压静电喷涂法，可以获得高品质的颗粒状粘胶。（4）优化组合工艺参数。热压辊的温度、速度、接触压力都会影响叠层的成形和翘曲。优化组合工艺参数，可能减少翘曲作用。（5）改进后处理方法1）加压下冷却叠层块。成型完成后，对叠层块施加一定的压力，待其充分冷却后再撤除压力。这样做可以控制叠层冷却时产生热翘曲变形。2）充分冷却后剥离。成型完成后，不要立即剥离废料，而让工件在叠层内冷却，使废料可以支承工件，减少因工件局部刚度不足和结构复杂引起的较大变形。2.改善热变形翘曲的措施制件的吸湿变形引起翘曲变形（1）制件的吸湿变形分析叠层制造的制件是由复合材料叠加而成的，在空气中容易吸湿变形。会降低刚度和内聚强度，损害连接层的结合强度。（2）减小制件的湿变形的措施

及时进行表面处理。为了防止工件吸湿膨胀，应及时对刚剥离的工件进行表面处理。表面处理的方法有涂覆环氧基涂料或喷镀金属如铝。

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。应该将精度要求较高的轮廓（例如，有较高配合精度要求的圆柱、圆孔），尽可能放置在X-Y平面。

为提高成形效率，在保证易剥离废料的前提下，应尽可能减小网格线长度，可以根据不同的零件形状来设定。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.其他因素六、分层实体成型的精度七、新型叠层实体快速成型工艺方法传统的叠层实体快速成型工艺后处理时余料去除的工作量是比较繁重和费时的，尤其是对于内孔结构和内部型腔结构，其余料的去除是超常的困难，有时甚至是难以实现。

Ennex公司提出了一种新型叠层实体快速成型工艺方法，称为“OffsetFabrication”方法。该方法使用的薄层材料为双层结构，如图3-17a所示。上面一层为制作原型的叠层材料，下面的薄层材料是衬材。双层薄材在叠层之前进行轮廓切割，将叠层材料层按照当前叠层的轮廓进行切割，然后进行粘接堆积，如图3-17b所示。粘接后，衬层材料与叠层材料分离，带走当前叠层的余料。OffsetFabrication叠层实体快速成型工艺方法原理（1）OffsetFabrication叠层实体快速成型工艺方法原理图3-18OffsetFabrication法存在的问题当当前叠层的去除面积大于保留的叠层面积时，余料经常会滞留在当前叠层上。比如，成型图3-18a所示的灰色叠层，进行了图b轮廓切割，然后按照图c粘接在一起。当衬层材料移开时，却未能像预期的如图d所示的情况带走余料，而是像如图e一样，所有的叠层材料全部粘结在前一叠层上了。（2）OffsetFabrication法的缺陷

针对“OffsetFabrication”方法存在的上述问题，InhaengCho提出了另外一种新的叠层实体快速原型工艺方法。InhaengCho提出的新工艺仍然采用双层薄材，只是衬层材料只起粘结作用，而叠层材料被切割两次。首先切割内孔或内腔的内轮廓，之后，内孔或内腔的余料在衬层与叠层分离时被衬层粘结带走，然后被去除内孔或内腔余料的叠层材料继续送进进行与原来制作好的叠层实现粘结，之后，进行第二次切割，切割其余轮廓。该方法建造过程的原理如图所示。整个过程分为如下6步：图3-19新工艺方法中叠层建造步骤（3）InhaengCho新型叠层实体快速成型法（1）相比较于其他3D打印技术，

LOM成型技术的效率是较高的，LOM成型技术可以制作大型、复杂与体积大原型件。（2）缺点是可实际应用的原材料种类较少、所完成之快速原型件很容易吸潮，因此原型件之尺寸容易变形以及所制作完成之原型件机械强度仍不足。（3）LOM快速原型系统仍有诸多地方须改善，材料的性能、种类以及后处理工艺等几个方面的技术是未来LOM成型技术研发的重要方向。八、分层实体制造技术的发展趋势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。

图LOM技术制造的样件马桶模型电话机模型

1.制作纸质功能制件用作新产品开发中工业造型的外观评价、结构设计验证九、分层实体制造技术的应用前景2.分层实体制造技术在模具行业的应用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。轿车前照灯轿车后组合灯

根据鲁得贝公司提出的轿车系列车灯产品开发要求，利用HRP-III型LOM激光快速成型机按三维计算机模型进行各种车灯的快速原型制造，上图为本轿车前照灯和后组合车灯产品的LOM原型。1、汽车车灯

根据鲁得贝公司提出的一汽六平柴后组合灯产品开发要求，利用HRP-III型LOM激光快速成型机按三维计算机模型进行该组各种车灯的快速原型制造，本组图片为该系列灯型产品的LOM原型。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CAD／CAM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。

2、铸铁手柄

CAD模型LOM原型3．分层实体制造技术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WolverineWorldWide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公司的分层实体制造技术（LOM）是WolverineWorldWide公司成功的关键。

根据山东长通通讯公司提出的探测仪产品开发要求，利用HRP-III型LOM激光快速成型机按三维计算机模型进行各零部件快速原型制造，上图为本产品的各零件的LOM原型。上盖底座

根据山东长通通讯公司提出的信号发生器产品开发要求，利用HRP-III型LOM激光快速成型机按三维计算机模型进行各零部件快速原型制造，本图为该产品的部分零件的LOM原型。装配知识拓展美国公司LOM分层实体制造的应用美国的QualityMetalCraft公司利用采用LOM工艺制造的奥迪汽车制动钳体和支架精密铸造模型的快速原型，制件尺寸精度高，稳定性好，表面光洁，如图5-24所示。奥迪轿车刹车钳体本节内容回顾1.分层实体制造的特点是什么？2.分层实体制造的主要材料是什么？有什么要求？3.影响分层实体制造工艺的误差因素主要有哪些？解决方法是什么？391.分层实体制造的特点是什么？（1）制作精度高，翘曲变形较小；（2）成型速度较快，易于制造大型零件；（3）原材料价格便宜，原型制作成本低；（4）成型时无需设计支承，前期处理的工作量小；（5）原型具有较高的硬度和较好的力学性能，可进行切削加工。优点

缺