第7章 薄材叠层快速成形技术.ppt

思考题,LOM原型制造技术的原理、系统组成及各部分的主要作用？LOM原型制造技术是否需要支撑？并说明其原因LOM原型制造技术的优缺点？LOM原型制造技术为什么必须后处理，并说明后处理注意事项。,逆向工程与快速成形技术ReverseEngineeringandRapidPrototypeTechnology,天津科技大学TianjinUniversityofScience&Technology,第6章薄材叠层快速成形技术,LOM(LaminatedObjectManufacturing)SSM(SlicingSolidManufacturing)SOM(StratifiedObjectManufacturing)叠层实体制造,(LOM,registeredtrademarkbyHelisysofTorrance,California,USA),天津科技大学TianjinUniversityofScience&Technology,HighlightsofLaminatedObjectManufacturingLayersofglue-backedpaperformthemodel.Lowcost:Rawmaterialisreadilyavailable.Largeparts:Becausethereisnochemicalreactioninvolved,partscanbemadequitelarge.AccuracyinzislessthanthatforSLAandSLS.Nomillingstep.Outsideofmodel,cross-hatchingremovesmaterialModelsshouldbesealedinordertoprohibitmoisture.Beforesealing,modelshaveawood-liketexture.NotasprevalentasSLAandSLS.Prevalentadj.普遍的,流行的Readilyadv.乐意地,欣然,容易地,天津科技大学TianjinUniversityofScience&Technology,天津科技大学TianjinUniversityofScience&Technology,PROCESSES过程：Materialisusuallyapapersheetlaminatedwithadhesiveononeside,butplasticandmetallaminatesareappearing.Layerfabricationstartswithsheetbeingadheredtosubstratewiththeheatedroller.Thelaserthentracesouttheoutlineofthelayer.Non-partareasarecross-hatchedtofacilitateremovalofwastematerial.Oncethelasercuttingiscomplete,theplatformmovesdownandoutofthewaysothatfreshsheetmaterialcanberolledintoposition.Oncenewmaterialisinposition,theplatformmovesbackuptoonelayerbelowitspreviousposition.Theprocesscannowberepeated.,天津科技大学TianjinUniversityofScience&Technology,Theexcessmaterialsupportsoverhangsandotherweakareasofthepartduringfabrication.支撑Thecross-hatchingfacilitatesremovaloftheexcessmaterial.Oncecompleted,theparthasawood-liketexturecomposedofthepaperlayers.Moisturecanbeabsorbedbythepaper,whichtendstoexpandandcompromisethedimensionalstability.Therefore,mostmodelsaresealedwithapaintorlacquertoblockmoistureingress.后处理,特点,天津科技大学TianjinUniversityofScience&Technology,TheLOMdevelopercontinuestoimprovetheprocesswithsheetsofstrongermaterialssuchasplasticandmetal.Nowavailablearesheetsofpowdermetal(boundwithadhesive)thatcanproduceagreenpart.Thepartisthenheattreatedtosinterthematerialtoitsfinalstate.,最新进展,天津科技大学TianjinUniversityofScience&Technology,天津科技大学TianjinUniversityofScience&Technology,Theexcessmaterialsupportsoverhangsandotherweakareasofthepartduringfabrication.Thecross-hatchingfacilitatesremovaloftheexcessmaterial.Oncecompleted,theparthasawood-liketexturecomposedofthepaperlayers.Moisturecanbeabsorbedbythepaper,whichtendstoexpandandcompromisethedimensionalstability.Therefore,mostmodelsaresealedwithapaintorlacquertoblockmoistureingress.TheLOMdevelopercontinuestoimprovetheprocesswithsheetsofstrongermaterialssuchasplasticandmetal.Nowavailablearesheetsofpowdermetal(boundwithadhesive)thatcanproduceagreenpart.Thepartisthenheattreatedtosinterthematerialtoitsfinalstate.,天津科技大学TianjinUniversityofScience&Technology,原理：Laminated-objectmanufacturing(LOM)薄形材料选择性切割，直译名为“分层物体制造”。其成形系统由计算机、原材料存储及其送进机构、热粘压机构、激光切割系统、可升降工作台和数控系统、模型取出装置和机架等组成。激光烧结系统按照计算机提取的横截面轮廓线，逐一在工作台上方的材料上切割出轮廓线，并将无轮廓去切割成小方网格，这是为了在成形之后能剔除废料。可升降工作台支承正在成形的工件，并在每层成形后，降低一个材料厚度，以便送进、粘合和切割新的一层材料。特点：由于该工艺只能使用纸，塑料等片材，需要粘结，其成形件的强度等性能无法同SLA，FDM，SLS等工艺相比。成本价格上，无法与基于非激光技术的RP工艺竞争。LOM设备系统比较复杂，工作稳定性不高,天津科技大学TianjinUniversityofScience&Technology,天津科技大学TianjinUniversityofScience&Technology,天津科技大学TianjinUniversityofScience&Technology,工艺原理,天津科技大学TianjinUniversityofScience&Technology,天津科技大学TianjinUniversityofScience&Technology,天津科技大学TianjinUniversityofScience&Technology,1、工艺过程,系统组成：它由计算机、原材料存储及送进机构、热粘压机构、激光切割系统、可升降工作台和数控系统、模型取出装置和机架等组成。计算机：用于接受和存储工件的三维模型，沿模型的高度方向提取一系列的横截面轮廓线，发出控制指令。原材料存储及送进机构：将底面有热熔胶和添加剂的纸（原材料)，逐步送至工作台的上方。热粘压机构将一层层材料粘合在一起。激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线，逐一在工作台上方的材料上切割出轮廓线，并将无轮廓区切割成小方网格，这是为了在成形之后能剔除废料。,工艺过程,网格的大小据被成形件的形状复杂程度选定，网格愈小，愈容易剔除废料，但花费的时间较长。可升降工作台支承正在成形的工件，并在每层成形之后，降低一个材料厚度(通常为0.10.2mm)，以便送进、粘合和切割新的一层材料。数控系统执行计算机发出的指令，使一段段的材料逐步送至工作台的上方，然后粘合、切割，最终形成三维工件。模型取出装置用于方便地卸下已成形的模型。机架是整个机器的支撑。不需要单独设计支撑。,3、数控系统基本的控制对象,数控系统基本控制对象为材料送进(R轴)、热压辊移动(H轴)、扫描与切割(X轴、y轴)、工作台(Z轴)、温控、激光能量控制等。这是一个两级控制系统，由此产生了上、下位机。第一级的下位机负责完成运动轴闭环控制及信息反馈。这里实时切片厚度参数由智能模板CPU完成，并且由两块智能化控制模块负责五轴伺服控制。第二级的上位机用于整个数控系统的集中管理，由工业控制计算机完成动态仿真、适时切片、键盘管理、信息处理、参数设置与显示，并向控制计算机发送切片数据及控制命令。,4、材料处理系统,1)原材料存储及送进机构设有材料撕断报警器，当某种原因偶然造成材料撕断时，停止送料直流电动机的转动及后续工作循环。2）热粘压机构由步进电动机、同步齿形带、发热板、热压板、温控器及高度检测器等组成。温度设定值根据所采用材料的粘接温度而定。3）高度检测器固定在热压板的支架上，它的测量分辨率为2m。当热压板对工作台上方的纸进行热压时，高度检测器能精确测量正在成型的制件的实际高度，并将此数据及时反馈至计算机，然后据此高度对产品的三维模型进行切片处理，得到与上述高度完全对应的截面轮廓，从而可以较好地保证成型件在高度方向的轮廓形状和尺寸精度。,5、激光切割系统,激光切割系统由C02激光器、外光路、切割头、x-y工作台、驱动伺服电动机和排烟除尘装置等组成。其中，激光器的功率为2050W，波长为10.5l0.7m(即l050010700nm，处于远红外波段)，配有1625W的冷却器，产生的激光束稳定，连续运行10个月时的功率波动仅为l0即5W)，保证使用寿命20000h。切割光斑的直径为0.10.2mm，配上激光切割速度与切割功率的自动匹配控制后，光束能恰好切透正在成型的一层材料，而不会损伤已成型的下一层截面轮廓。切割头由2台伺服电动机驱动，能在x-y平面上作高速、精密扫描运动。x-y工作台由精密滚珠丝杠传动，用精密直线滚珠导轨导向，重复定位精度为l0m。,激光光束宽度(即切口宽度)的自动补偿,6、分层实体成型与其它方法相比具有以下优点：,1)制件精度高。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，无内应力。制件在X和y方向的精度可达0.10.2mm，Z方向的精度可达0.20.3mm。2)分层实体制造中激光束只需按照分层信息提供的截面轮廓线切割而无需对整个截面进行扫描，且无需设计和制作支撑，所以制作效率高、速度快、成本低。结构制件能承受高达200的温度，有较高的硬度和较好的机械性能，可进行各种切削加工。,7、这种成型机也有不足之处：,1)工件(特别是薄壁件)的抗拉强度和弹性不够好；2)工件易吸湿膨胀，成型后应尽快进行表面防潮处理；3)工件表面有台阶纹，其高度等于材料的厚度(通常为0.1mm左右)因此，成型后需进行表面打磨。根据以上介绍可知，这种方法最适合成型中、大型件，以及多种模具。,LOM快速成形加工的半成品,8、工艺后处理,后处理,涂覆后抛光,表面涂覆,原型叠层制作完毕后应注意如下几点：,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块冷却时产生的热翘曲变形。在成型过程中，如有较长时间的间断，也应对叠层块加压，使其上表面始终保持平整，有助于预防继续成型时的开裂。2)充分冷却后剥离废料。成型完成后，不立即剥离废料，而让工件在叠层块内冷却，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。3)及时进行表面处理。为了防止工件吸湿膨胀，应及时对刚剥离废料的工件进行表面处理。表面处理的方法主要是涂覆增强剂(如强力胶、环氧树脂漆或聚氨酯漆等)有助于增加制件的强度和防潮效果。,试验证实：,未经任何处理的叠层块对水分十分敏感，水中浸泡lOmin，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原型是无法在水中使用的，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。,9、KINGRGY公司生产的纸基卷材,对于LOM成型材料的纸材，有以下要求,1)抗湿性。保证纸原料(卷轴纸)不会因时间长而吸水，从而保证热压过程中不会因水分的损失而产生变形及粘接不牢。纸的施胶度可用来表示纸张抗水能力的大小。2)良好的浸润性。保证良好的涂胶性能。3)抗拉强度。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部分水分损失而导致变形，可用纸的伸缩率参数计量。5)剥离性能好。因剥离时破坏发生在纸张内部，要求纸的垂直方向抗拉强度不是很大。6)易打磨，表面光滑。7)稳定性。成型零件可长时间保存。,LOM制作实例,天津科技大学TianjinUniversityofScience&Technology,天津科技大学TianjinUniversityofScience&Technology,新加坡,LOM原型在制鞋业中的应用,美国WolverineWorldWide公司的鞋类产品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，。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。鞋底和鞋跟的LOM模型非常精巧，为了使模型看起来更真实，可在LOM模型表面喷涂产生不同材质效果。,每一种鞋底配上适当的鞋面后生产若干双样品，放到主要的零售店展示，以收集顾客的意见。根据顾客所反馈的意见，计算机能快速地修改模型。一旦设计通过，CAD中的数据便可用于制造批量生产的模具。这种将CAD技术与快速成型技术的结合，可显著缩短该公司鞋类产品的生产周期，提高产品质量及可靠性，提高系列模型的可重复性。,应用,Helisys公司与Dayton大学联合开发复合材料的制造工艺。苏格兰的Dundee大学使用1000WC02激光切割1mm或2mm厚的钢板，然后使用焊料或粘结剂堆积成型。