分層實(shí)體制造技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

1、分層實(shí)體制造（LOM ）技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用摘要：分層實(shí)體制造技術(shù)是快速成型技術(shù)之一.該技術(shù)屬于先進(jìn)制造技術(shù)，它以 CAD/CAM 技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)等為基礎(chǔ)，能夠以較快的速度將計算機(jī) 實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為具有一定結(jié)構(gòu)功能的產(chǎn)品原型，或直接制造出零件.本文論述了分 層實(shí)體制造（LOM）技術(shù)的原理，并說明了它的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：分層實(shí)體制造；快速成型；原理；研究現(xiàn)狀；應(yīng)用 1.引言人類社會已經(jīng)進(jìn)入21世紀(jì),傳統(tǒng)的制造業(yè)也面臨著新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。 一方面, 世界經(jīng)濟(jì)全球化，企業(yè)面臨著來自全球市場的激烈競爭， 必須快速創(chuàng)造和把握商 機(jī)而求生存，產(chǎn)品的市場響應(yīng)速度成為企業(yè)戰(zhàn)略的第一要素。另一

2、方面，消費(fèi)者需求日益?zhèn)€性化、多元化和主體化，消費(fèi)者興趣的短時效性顯著，企業(yè)需要的是 以小批量甚至單件生產(chǎn)、高精度、多品種及產(chǎn)品幾何形狀復(fù)雜、不增加成本的柔 性生產(chǎn)模式，用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的大量生產(chǎn)模式。因此，快速靈活地響應(yīng)市場需求已 是制造業(yè)發(fā)展的重要走向。與此同時，制造業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)重要支柱，具制造技術(shù)水平的高低也體現(xiàn)和決定了一個國家的綜合科技水平，必須不遺余力地開發(fā)各種先進(jìn)制造技術(shù)，提高制造工業(yè)的發(fā)展水平，增強(qiáng)國際市場競爭能力。以計算機(jī)、 微電子、激光、自動化、信息、新材料等為代表的各種高新技術(shù)的普及應(yīng)用，為各種新的制造技術(shù)和制造模式的層出不窮并不斷發(fā)展奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)?？焖僭椭圃旒夹g(shù)（Rap

3、id Prototyping & Manufacturing ,簡稱 RPM）,正是 在這一背景下產(chǎn)生的，它綜合了上述各種高新技術(shù)最新發(fā)展，被廣泛用于制作產(chǎn) 品原型和模具，能自動、快速、精確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)變成一定功能的產(chǎn)品原型或 直接制造零件，給制造業(yè)帶來了加工方式上的根本上的變化， 對縮短產(chǎn)品開發(fā)周 期、減少產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用，提高企業(yè)競爭力有重要作用。RPM技術(shù)發(fā)展初期，大都采用樹脂、ABS、尼龍、紙、陶瓷粉末等材料制造 原型零件用于產(chǎn)品設(shè)計評估、功能實(shí)驗及快速開發(fā)等。隨著其應(yīng)用領(lǐng)域逐漸地擴(kuò) 大到汽車、機(jī)械工程等行業(yè)，上述材料已經(jīng)不能滿足功能原型或功能零件在機(jī)械、 力學(xué)等性能方面的要求，

4、因此必須采用金屬為造型材料制造可以直接投入使用的 最終用途零件，這也是當(dāng)今RP/M技術(shù)的研究熱點(diǎn)14。金屬基陶瓷粉末、金屬 復(fù)合材料粉末、金屬板材、錫箔等都可以用來做造型材料，其中利用金屬板材作造型材料的分層實(shí)體制造（LOM ）是一個實(shí)現(xiàn)金屬功能零件快速制造的有效方 法，具有廣闊的應(yīng)用前景。2.分層實(shí)體制造分層實(shí)體制造的工作原理是（參見圖1）:首先將涂有熱熔膠的紙通過熱壓輾 的碾壓作用與前一層紙粘結(jié)在一起，然后讓激光束按照對CAD模型分層處理后獲得的截面輪廓數(shù)據(jù)對當(dāng)前層的紙進(jìn)行截面輪廓掃描切割，切割出截面的對應(yīng)輪廓，并對當(dāng)前層的非截面輪廓部分切割成網(wǎng)格狀， 然后使工作臺下降，再將新 的一層紙鋪

5、在前一層的上面，再通過熱壓輾碾壓，使當(dāng)前層的紙與下面已切割的 層粘接在一起，再次由激光束進(jìn)行掃描切割.如此反復(fù)，直到切割出所有各層的 輪廓。分層實(shí)體制造中，不屬于截面輪廓的紙片以網(wǎng)格狀保留在原處，起著支撐 和固化的作用5'咒分層實(shí)體制造工藝的主要特點(diǎn)為：（1）成型速率較高.由于該工藝不需要激光 束掃描整個模型截面，只需切割出內(nèi)外輪廓等，所以加工時間主要取決于零件的尺 寸及其復(fù)雜程度，（2）不需要進(jìn)行支撐設(shè)計，所以前期處理的工作量小。分層實(shí)體 制造工藝的缺點(diǎn)是：（1）由于其工藝特點(diǎn)所致，因此制造出的原型在各方向的機(jī) 械性能有顯著的不同，（2）完成加工后，還需要手工清除無用的碎塊，較為費(fèi)時

6、費(fèi)工，（3）由于原材料的原因，所以應(yīng)用范圍受到一定的影響種加新的瓜忖料熱質(zhì)集療圖1 LOM技術(shù)工作原理圖Fig. 1 Working principle diagram of LOM technique3 . LOM成型機(jī)成型流程剖析圖1介紹了 LOM成型機(jī)的工作原理。為設(shè)計 LOM成型機(jī)，需要進(jìn)一步了解LOM成型機(jī)的成型流程.圖2所示為LOM工藝的成型流程S”創(chuàng)電CAD模甲I模型Z向離散（分層）層面信息處理層面加工處理與粘結(jié)逐層母枳制造后處理圖2 LOM工藝的成型流程Fig。 1 Shaping process of LOM technique在如圖2所示中，CAD模型的形成與一般的CAD造

7、型過程沒有區(qū)別，其作 用是進(jìn)行零件的三維幾何造型.許多具有三維造型功能的軟件，如Pro/E、AutoCAD、UG、CATIA等均可以完成這樣的任務(wù)。利用這些軟件對零件造型后， 還能夠?qū)⒘慵膶?shí)體造型轉(zhuǎn)化成易于對其進(jìn)行分層處理的三角面片造型格式，即STL格式。模型Z向離散（分層）是一個切片的過程，它將STL文件格式的CAD模 型，根據(jù)有利于零件堆積制造而優(yōu)選的特殊方位，橫截成一系列具有一定厚度的薄 層，得到每一切層的內(nèi)外輪廓等幾何信息。層面信息處理就是根據(jù)經(jīng)過分層處理后得到的層面幾何信息，通過層面內(nèi)外輪廓識別及料區(qū)的特性判斷等，生成成型機(jī)工作的數(shù)控代碼，以便成型機(jī)的激光 頭對每一層面進(jìn)行精確加工

8、。層面粘接與加工處理就是將新的切割層與前一層進(jìn)行粘接，并根據(jù)生成的數(shù) 控代碼，對當(dāng)前面進(jìn)行加工，它包括對當(dāng)前面進(jìn)行截面輪廓切割以及網(wǎng)格切割。逐層堆積是指當(dāng)前層與前一層粘結(jié)且加工結(jié)束后，使零件下降一個層面，送紙機(jī)構(gòu)送上新的紙，成型機(jī)再重新加工新的一層，如此反復(fù)，直到加工完成.后處理是對成型機(jī)加工完的制件進(jìn)行必要的處理，如清理掉嵌在加工件中不 需要的廢料等。在圖2所示的成型流程中，創(chuàng)建 CAD模型、模型Z向離散以及層面信息 處理通過軟件實(shí)現(xiàn)，后處理部分由人工實(shí)現(xiàn)。本章主要介紹實(shí)現(xiàn)層面加工處理和 粘結(jié)逐漸堆積制造的機(jī)械部分的設(shè)計.4 .分層實(shí)體制造技術(shù)的發(fā)展從歷史上看，國外很早就出現(xiàn)過 材料疊加”這

9、樣的制造設(shè)想，例如，在1892 年，J. E. Blanther在其美國授權(quán)專利（# 473901）中，提出了利用分層制造的 方法來構(gòu)成地形圖，該方法的原理是：將地形圖的各輪廓線通過某些方法壓印在 一些蠟片上，然后再按照輪廓線切割各蠟片，并將切割后的各蠟片粘結(jié)在一起，從而得到對應(yīng)的三維地形圖.1940年，Perera提出了在一些硬紙板上切割地形圖 輪廓線，然后再將對應(yīng)的紙板粘結(jié)在一起來形成三維地形圖.Paul L Dimatteo在其1976年的美國受權(quán)專利（#3932923）中明確提出，先利用輪廓跟蹤器，將三維物體轉(zhuǎn)換成許多的二維輪廓薄片，然后利用激光切割這些薄片，再利用螺釘、 銷釘?shù)葘⒁幌?/p>

10、列的薄片連接成三維物體，這些設(shè)想與現(xiàn)代快速成型技術(shù)，即 分 層實(shí)體制造"（LOM）的原理很相似8' 9。在這些專利中，雖然提出了類似于分層實(shí)體制造的各種基本原理，但卻很不完善，更沒有實(shí)現(xiàn)分層實(shí)體制造工藝的機(jī)械設(shè)備以及商品化的原材料。從 20世 紀(jì)70年代末到80年代初期，先后有美國 3M公司的Alan J. Hebert （1978 年）、日本的小玉秀男（1980年）、美國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）這一概念，即通過對連續(xù) 層中選擇區(qū)域的固化來形成三維實(shí)體這一新的制造思想。20世紀(jì)80年起，快

11、速成型技術(shù)有了質(zhì)的發(fā)展。Charles W Hull在其1986年的美國授權(quán)專利（4 4 575330）中，提出了一種用激光束來照射液態(tài)光敏樹脂， 實(shí)現(xiàn)分層制作三維物體。1984年，Michael Feygin提出了分層實(shí)體制造（LOM） 方法.Michael Feygin于1985年組建了 Helisys公司，并且基于 LOM 成型原理, 于1990年開發(fā)出了世界上第一臺商用LOM 設(shè)備-LOM10150。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從事 LOM工藝的研究與設(shè)備的制造。在世界范圍內(nèi)，從80年代中期到9

12、0年代后期，先后出現(xiàn)了十幾種不同類型的快速成型技術(shù)，但 LOM技術(shù)仍是快速成型技術(shù)的主流之一 口0，11.我國對分層實(shí)體制造技術(shù)的研究起始于1991年.從事該研究工作的主要高等院校有西安交通大學(xué)、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等，主要 企業(yè)有北京隆源公司等，它們在分層實(shí)體制造技術(shù)的理論研究、 實(shí)際應(yīng)用以及分 層實(shí)體制造設(shè)備商品化等方面做了許多工作，并取得顯著成果，這些成果包括分層實(shí)體制造理論研究、各種處理軟件、不同工藝及型號的成型設(shè)備、新的控制技 術(shù)、適應(yīng)于不同工藝的成型材料以及成形精度控制等各個方面立5' 7.以顏永年教授為學(xué)科帶頭人的清華大學(xué)研究團(tuán)隊最先引進(jìn)了美國3D公司

13、的SLA-250設(shè)備與技術(shù)，并進(jìn)行了快速成型技術(shù)的系列研究，開發(fā)出了具有 多功能的快速成型制造系統(tǒng) 一一M-RPMS-II。MRPMS-II系統(tǒng)是唯一能夠在一 臺設(shè)備上實(shí)分層實(shí)體制造和熔融沉積成型兩種快速成型工藝的系統(tǒng)，且擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。止匕外，顏教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊還先后開發(fā)出了基于FDM工藝原理的快速成型系統(tǒng)以及基于LOM工藝原理的快速成型系統(tǒng)等設(shè)備，并且開展了大量的 理論與應(yīng)用研究，取得了一大批成果。目前，國內(nèi)已有許多高校、科研院所開展了分層實(shí)體制造技術(shù)的研究，許多企業(yè)利用RP設(shè)備進(jìn)行新產(chǎn)品的開發(fā)、快速模具制造、產(chǎn)品裝配檢驗等各個方 面.5 .分層實(shí)體制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型技術(shù)已經(jīng)得到了業(yè)界

14、的普遍關(guān)注， 并在許多行業(yè)得到了良好的應(yīng)用 如汽車、家用電器、輕工業(yè)產(chǎn)品、玩具、建筑模型、醫(yī)療器械和人造器官模型、 軍事裝備和航天器等。5.1 新產(chǎn)品在研制開發(fā)期間的試驗驗證利用計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)進(jìn)行新產(chǎn)品的設(shè)計時，雖然能夠提高產(chǎn)品的設(shè)計效率，但設(shè)計人員只能借助于計算機(jī)，利用軟件模擬來評判產(chǎn)品，無法使設(shè)計者以及用戶直接評判設(shè)計的效果，也可能無法讓工藝人員直接評判結(jié)構(gòu)的合理性以及 生產(chǎn)可行性。例如，對于如圖 2所示的形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，可能就存在這樣的問 題。圖3運(yùn)用LOM系統(tǒng)制作的具有復(fù)雜形狀的零件原型Fig。 1 Prototype with complicated shape made by

15、LOM system利用快速成型技術(shù)，可以較快地制造出樣品的實(shí)物模型，能夠供設(shè)計人員和 用戶直接進(jìn)行測量、模擬裝配、進(jìn)行功能實(shí)驗和性能測試，因而能夠快速、經(jīng)濟(jì) 地驗證設(shè)計人員的設(shè)計思想以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理性、可制造性、可裝配性和美觀 性，找出設(shè)計的缺陷，并通過修改來完善產(chǎn)品的設(shè)計.很顯然，采用這樣的方法，能 夠縮短新產(chǎn)品的設(shè)計周期，并且使設(shè)計結(jié)果更加符合用戶的使用要求以及制造工 藝要求，使設(shè)計更為完善，同時也能有效避免由于盲目投產(chǎn)而造成的浪費(fèi)。5.2 新產(chǎn)品投放市場前的調(diào)研與宣傳如果利用快速成型技術(shù)快速制造出產(chǎn)品的替代品，那么在將新產(chǎn)品投放市場 之前，就能夠用替代品在潛在的用戶群中進(jìn)行調(diào)研與宣傳

16、，從而使企業(yè)能夠及時了解用戶對產(chǎn)品的意見以及需求量， 并以此來確定是否向市場投放新產(chǎn)品， 為企 業(yè)進(jìn)行有效決策提供依據(jù).此外，如果決定向市場投放新產(chǎn)品，還能夠根據(jù)調(diào)研 結(jié)果確定產(chǎn)品的生產(chǎn)規(guī)模和價格。5.3 間接快速制模分層實(shí)體制造技術(shù)是間接快速制模技術(shù)所涉及的快速成型方法之一，主要有以下兩種制模方法：一種方法是先通過快速成型方式成型模型（塑料模型或蠟?zāi)Ｐ偷龋?，然后利用相?yīng)的鑄造、金屬噴涂或者是電極成型等方法制作出成型模具。另一種方法是先通過快速成型技術(shù)制作出鑄型（砂型或殼型），然后通過鑄造的方式，將對應(yīng)的砂型或殼型制作成模具.快速成型技術(shù)的最大應(yīng)用領(lǐng)域之一 是鑄造業(yè)。將精密鑄造工藝與快速成型技

17、術(shù)有機(jī)結(jié)合，形成了快速鑄造技術(shù).快速 鑄造技術(shù)兼?zhèn)淞司荑T造與計算機(jī)數(shù)控加工的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效減少產(chǎn)品的生產(chǎn)時 問和費(fèi)用12。5.4 直接生產(chǎn)小批量和形狀復(fù)雜的零件對于形狀復(fù)雜或者是生產(chǎn)批量較小的零部件，如果材料是陶瓷、塑料、金屬 材料，或者是它門的復(fù)合材料，則可以直接用 LOM方法實(shí)現(xiàn)快速成型。零件直 接實(shí)現(xiàn)快速成型有著非常重要的應(yīng)用價值。由于分層實(shí)體制造技術(shù)是通過材料堆 積的方式來實(shí)現(xiàn)將 CAD實(shí)體模型轉(zhuǎn)換成物理模型，因此在成型過程中不需要 任何的專業(yè)工具，就能夠?qū)⒘慵蛘呤窃慰焖俚刂圃斐鰜?6 .結(jié)束語分層實(shí)體制造（LOM）技術(shù)是集精密機(jī)械、材料科學(xué)、計算機(jī)輔助設(shè)計、計算 機(jī)數(shù)控加工等技

18、術(shù)為一體的高新技術(shù)。利用分層實(shí)體制造技術(shù)，不需要通過傳統(tǒng) 的切削方法就能夠制作出零件。分層實(shí)體制造技術(shù)自20世紀(jì)80年代問世并得 到應(yīng)用以來，得到了迅速的發(fā)展.在航天航空、機(jī)械、汽車、電器、建筑以及醫(yī) 學(xué)等行業(yè)中，已廣泛利用該技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品概念設(shè)計的可視化、造型設(shè)計的評估、 產(chǎn)品裝配的檢驗以及快速模具制造等多個方面.參考文獻(xiàn)1顏永年，張偉?；陔x散/堆積成型概念的RPM原理和發(fā)展J.中國機(jī) 械工程，1994, 5 (4): 6466.2黃樹槐，肖躍加，莫健華，等?？焖俪尚渭夹g(shù)的展望J。中國機(jī)械工程， 2010 (2).3宋天虎.我國快速成形制造技術(shù)的發(fā)展與展望J.中國機(jī)械工程，2000, 11 (10): 1081-1083.4洪軍，唐一平.快速成型技術(shù)在新產(chǎn)品快速設(shè)計與制造中手的應(yīng)用研究J.機(jī)械設(shè)計，2000, 17(12) : 79。5 Park J, Tari M J, Hahn H T。 Characterization of the laminated object manufacturing (LOM) processJ。Rapid Prototyping Journal, 2000, 6(1): 36-50o6王秀峰，羅宏杰?？焖僭椭圃旒夹g(shù)M.中國輕