快速成型技术-第二章薄形材料选择性切割.ppt

快速成型技术及应用,上次课内容回顾：,1、光固化成型的原理； 2、光固化成型的设备组成和个组成的作用； 3、光固化成型过程； 4、光固化成型精度问题； 5、支持结构问题； 6、光固化成型特点。,第二章,薄形材料选择性切割 (叠层实体制造工艺),一.概述,薄形材料选择性切割（Laminated Object Manufacturing，简称LOM）成形技术，又称分层物件制造或是叠层成形技术。 该工艺是采用激光束和薄层材料（纸片、塑料薄膜或复合材料等）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，该工艺的市场占有率大约为7。,一.概述,目前研究LOM工艺的有Helisys公司、华中科技大学、清华大学、Kira公司、Sparx公司和Kinergy公司。 Helisys公司除原有的LPH、LPS、LPF三个系列纸材品种以外，还开发了塑料和复合材料品种。 华中科技大学推出的HRP系列成形机和成形材料,具有较高的性价比。 清华大学推出了SSM系列成型机及成型材料。,二.LOM成形的基本组成及原理,1.LOM成形的基本原理,1).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粘在底层上； 2).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。,LOM成形的基本原理,3).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，最终得到由许多小废料块包围的三维原型零件； 4).然后取出，将多余的废料小块剔除，最终获得三维产品。,2.LOM成形系统的组成,LOM成形系统由计算机及控制软件、原材料存储及送料机构、热碾压机构、激光切割系统、可升降工作台、数控系统、模型取出装置和机架组成。,激光切割系统,激光器的作用： 切割作用 对激光器的要求： 1.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。 2.激光器能够快速输出和关闭。 3.激光器能够长时间连续工作。 因此，在LOM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、监测、响应快速、运行可靠等功能，所以多选用CO2激光器。激光器电源多为开关电源。,计算机及控制软件,LOM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： 1.STL格式文件的纠错和修补文件 用来标识读入的STL格式文件中三角形的错误，并由操作者修改。 2.三维模型的切片软件。 用来对三维模型的STL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信息。,计算机及控制软件,3.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率，从而得到合适尺寸的零件。,计算机及控制软件,4.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，根据激光的光束宽度（0.10.2mm），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。,原料存储及送料机构,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材料。,热黏压机构,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，促使材料发生黏结。,可升降工作台,用来支撑成形的工件，并在每一层成形后，下降一个层厚，厚度一般为0.025mm0.125mm，以便送进、黏合和切断新的材料。,三.LOM成形用材料,LOM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一层黏结剂、改性添加剂组成。故其原材料为胶和纸； 成本低，大约在人民币5060元/Kg。,对纸的要求:,(1)抗湿好,保证不会因时间长而吸水,从而保证热压过程中不会因为水分的损失而产生变形 (2)良好的侵润性,保证良好的涂胶能力 (3)抗拉强度好,保证在加工过程中不被拉断 (4)收缩率小,保证热压过程中不会因为水分的损失而产生变形 剥离性好,容易打磨,稳定性好,对胶的要求:,(1)良好的热熔稳定性 (2)在反复的热熔-固化条件下,具备好的物理和化学稳定性 (3)熔融状态下与纸具有好的涂挂性及黏结性 (4)与纸具有足够的黏结强度 (5)良好的废料剥离分离性能,对涂布工艺:,涂布工艺包括涂布形状和涂布厚度. 涂布形状指采用均匀涂布和不均匀涂布,均匀涂布采用狭缝刮板涂布,不均匀涂布有条纹式和颗粒式.一般讲,不均匀涂布可以减少应力集中,但设备很贵. 涂布厚度指在纸上涂多少厚度的胶,选择原则是保证可靠的黏结性的前提下,尽可能少涂,一减少变形,溢胶和错位.,四.工艺过程,工艺过程也分为三个过程:前处理过程,叠层,后处理过程 1.前处理过程: (1)CAD三维模型的造型,要求计算机软件有很强的三维造型功能,包括实体造型以及表面造型.主要软件有PRO/E,UGII等 (2)三维模型切片处理:由于快速成型是按一层层叠加起来,故加工前要进行切片,切片间隔的大小根据成型件精度和生产率的要求来确定,间隔越小,精度越高,但成型时间越长,否则反之.间隔的范围为0.05-0.5mm.,2.中处理过程,(1)工艺参数 主要参数有: 激光切割速度:激光切割速度影响原型件表面质量和制作时间,通常由激光器的规格决定 加热辊的温度和压力:有加工原型件的层面尺寸大小,纸张厚度和环境温度确定,激光能量:影响切割速度和纸张的厚度,通常切割速度和能量之间为抛物线的关系,如图所示:,(2).原型制作过程,(1)基底制作:由于叠层在制作过程中,工作台回带动频繁,为实现两者之间的连接,需要制作基底,目的是为了连接 (2)原型制作:三维的叠加过程,3.后处理过程,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. 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,成型件的精度主要取决于二维(X-Y)平面的加工精度和高度(Z)方向上的叠加精度,可以控制到微米级的水平,因而加工精度很高.但不只是机型的原因,还有其他的原因,导致加工精度只能控制在毫米级.,下面是几种主要造成误差的原因: (1)CAD模型前处理造成的误差 在早模型前及前处理阶段,由于CAD是用有限的三角形的组合来逼近CAD模型表面的,从而回有一定的误差,三角形越多,精度越高,但,控制处理数据增大,时间长,三角形数量越少,处理数据少,但加工精度不高.,(2)设备精度误差 由于设备自身有一定的加工范围以及其加工精度,对最后加工工件有一定的误差 (3)成型过程中的误差 不一致的约束 由于相临两层的轮廓有所不同,成型轨迹也不同,每层都要受到相临层的约束,导致内应力,从而产生翘曲. 成型功率控制不恰当 功率过大,回导致刮破前一层,同时会烧纸,机器寿命也降低,过小,黏结不好.,切去的网格尺寸的多样性 网格线内的材料要去掉,网格线的多样性,尺寸的合理性,影响余料的去掉的难易程度和工件的精度. 工艺参数的不稳定 温度,压力,功率,速度的不稳定,导致层与层之间或同层不同位置成型状况的差异,从而导致翘曲及或度不均匀.,(4)成型之后的误差,主要有热变形以及湿变形 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 湿变形:由于水分子的扩散导致的变形 人为后处理导致的变形,六.提高精度的措施,1.前处理过程的控制:CAD模型的制备以及切片的控制,主要是切片的多少选择. 2.模型的成型方向的选者,X-Y方向的精度比Z向好控制,故精度要求高的方向作为X-Y向. 3.切片网格线的设定,在保证易剥离废料的前提下,减小网格线的长度. 4.湿热变形可以用以下方法:成型完成后还施加一定的压力,可以减少翘曲;充分冷却后剥离废料,让废料支撑工件,减少由于局部刚度不够和结构复杂引起的变形;即使进行表面处理,增强制件的强度和防潮效果.,七.LOM快速成形技术的优缺点,一 LOM快速成形技术的优点 1.设备价格低廉（与SLA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。 2.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。,LOM快速成形技术的优点,3.加工后零件可以直接使用，无需进行后固化； 4.无需设计和构建支撑结构； 5.易于使用，无环境污染； 6 .制件有较高的力学性能 ，可进行切削加工； 7 .制件精度高； 8 .操作方便,LOM快速成形技术的缺点,1.不能直接制作塑料产品； 2.工件抗拉强度和弹性不好； 3.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，必须立即进行后处理、上漆； 4.难以构建精细形状的零件，即仅限于结构简单的零件。,LOM快速成形技术的缺点,5.由于难以（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。 6.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。,八.LOM快速成形技术的应用,LOM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，