分層實(shí)體制造工藝材料和應(yīng)用分層實(shí)體制造工藝材料和應(yīng)用

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分層實(shí)體制造技術(shù)

（二）

《快速成型技術(shù)與應(yīng)用》本節(jié)知識(shí)點(diǎn)分層實(shí)體制造成型工藝的特點(diǎn)4分層實(shí)體制造成型工藝的材料5分層實(shí)體制造成型工藝的精度6分層實(shí)體制造成型工藝的發(fā)展和應(yīng)用71.掌握分層實(shí)體制造成型技術(shù)的工藝特點(diǎn)。2.掌握分層實(shí)體制造成型技術(shù)材料與精度。重點(diǎn)1.分層實(shí)體制造成型技術(shù)的工藝特點(diǎn)。2.分層實(shí)體制造成型技術(shù)的材料與精度。學(xué)習(xí)重點(diǎn)與難點(diǎn)難點(diǎn)四、LOM成型的優(yōu)、缺點(diǎn)（1）制作精度高，翹曲變形較小；這是因?yàn)樵诒⌒尾牧线x擇性切割成型時(shí)，在原材料涂膠的紙中，只有極薄的一層膠發(fā)生狀態(tài)變化由固態(tài)變?yōu)槿廴趹B(tài)，而主要的基底（紙）仍保持固態(tài)不變，因此翹曲變形較小，零件的精度較高，目前工藝成型的零件精度可達(dá)±0.1-0.2mm。（2）成型速度較快，易于制造大型零件；只需在片材上切割出零件截面的輪廓，而不用掃描整個(gè)截面，因此常用于加工內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的大型零件。（3）原材料價(jià)格便宜，原型制作成本低；（4）成型時(shí)無需設(shè)計(jì)支承，前期處理的工作量??；（5）原型具有較高的硬度和較好的力學(xué)性能，可進(jìn)行切削加工。優(yōu)點(diǎn)

缺點(diǎn)（1）材料利用率低，并且廢料不能重復(fù)利用；（2）工件表面有臺(tái)階紋，其高度為材料的厚度（通常為0.1mm）。因此表面質(zhì)量相對(duì)較差，成型后需進(jìn)行表面打磨；（3）工件易吸濕膨脹變形，成型后應(yīng)盡快進(jìn)行表面防潮處理；（4）工件特別是薄壁件的抗拉強(qiáng)度和彈性不夠好；（5）去除廢料的工作比較費(fèi)時(shí)，并且有些廢料拔離比較困難；（6）疊層方向和垂直于疊層方向上的機(jī)械特性差異非常大。課后練習(xí)1.下列選項(xiàng)中不是分層實(shí)體制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)的是（

）A工件表面有臺(tái)階紋B原型精度高C無須后固化處理D制件尺寸大2.判斷以下說法正確與否。分層實(shí)體制造技術(shù)制造的樣件有較高的硬度和較好的機(jī)械性能，可進(jìn)行切削加工。（

）A對(duì)

1.對(duì)材料的要求

分層實(shí)體制造中的成形材料為涂有熱熔膠的薄層材料，層與層之間的粘結(jié)是靠熱熔膠保證的。

LOM材料一般由薄片材料和熱熔膠兩部分組成。

乙烯-醋酸乙烯共聚物型熱熔膠聚酯類熱熔膠尼龍類熱熔膠1薄片材料2紙片材陶瓷片材金屬片材復(fù)合材料片材熱熔膠五、分層實(shí)體制造技術(shù)成形的材料。對(duì)紙材性能要求（1）良好的浸潤性。即紙纖維的組織結(jié)構(gòu)要好。纖維長(zhǎng)且粗大，分布均勻，纖維之間有一定空隙，有利于涂膠，也有利于力學(xué)性能的提高。（2）紙的厚薄要適中。在精度要求高時(shí)應(yīng)選擇薄紙，紙?jiān)奖≡骄鶆颍琇OM制件的精度就越高；在能滿足精度的前提下，盡量選擇厚度大的紙，可以提高生產(chǎn)效率。（3）要有一定的力學(xué)性能，能承受一定的拉力，以便實(shí)現(xiàn)自動(dòng)傳輸和收卷。它的耐折度和抗撕裂度也嚴(yán)重影響零件的力學(xué)性能。（4）涂膠后的紙厚薄必須均勻。厚薄均勻才便于加工和保證零件的精度。（5）收縮率?。?）剝離性能好（7）易打磨，表面光滑（9）穩(wěn)定性對(duì)熱熔膠的性能要求（1）良好的熱熔冷固性能（室溫固化）；（2）在反復(fù)“熔融一固化”條件下其物理化學(xué)性能穩(wěn)定；（3）熔融狀態(tài)下與薄片材料有較好的涂掛性和涂勻性；（4）與紙具有足夠的粘接強(qiáng)度；（5）良好的廢料分離性能。（膠粘劑在激光切割后能順利的分離）課后練習(xí)1.下列哪項(xiàng)不是薄片材料的性能要求（）A良好的浸潤性B剝離性能好C抗拉強(qiáng)度好D收縮率大2.下列哪項(xiàng)是用于LOM紙基的熱熔膠性能要求（）A良好的廢料分離性能B足夠的粘接強(qiáng)度C化學(xué)性能穩(wěn)定D涂掛性好3.分層實(shí)體制造技術(shù)成形所用材料一般由

和

兩部分組成DABCD薄片材料熱熔膠而熱熔膠方面，目前EVA型熱熔膠應(yīng)用最廣。EVA型熱熔膠由共聚物EVA樹脂、增粘劑、蠟類和抗氧劑等組成。

增粘劑的作用是增加對(duì)被粘物體的表面粘附性和膠接強(qiáng)度。

抗氧劑的作用是防止熱熔膠熱分解、膠變質(zhì)和膠接強(qiáng)度下降，延長(zhǎng)膠的使用壽命，一般加入量為0.5％-2％。

填料的作用是降低成本，減少固化時(shí)的收縮率和過度滲透性。分層實(shí)體制造（LOM）的工件用途不同，對(duì)薄片材料和熱熔膠的要求也不同。當(dāng)LOM工件用作功能構(gòu)件或代替木模時(shí)，滿足一般性能要求即可；若將LOM工件作為消失模進(jìn)行精密熔模鑄造，則要求高溫灼燒時(shí)LOM工件的發(fā)氣速度較小，發(fā)氣量及殘留灰分較少等。LOM工件直接作模具時(shí)，還要求片層材料和粘結(jié)劑具有一定的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能。（一）分層實(shí)體原型制作誤差分析弦差CAD模型STL文件輸出造成的誤差切片軟件STL文件輸入設(shè)置造成的誤差設(shè)備精度誤差激光頭的運(yùn)動(dòng)定位精度成型之后環(huán)境變化引起誤差

熱變形濕變形成型過程誤差X、Y軸系導(dǎo)軌垂直度，Z軸與工作臺(tái)面垂直度六、分層實(shí)體成型的精度成型功率控制不當(dāng)切碎網(wǎng)格尺寸工藝參數(shù)不穩(wěn)定粘膠厚度引起的變形

減小臺(tái)階誤差的方法：1）減小層厚。薄層材料一般在0.05-0.3mm，若采用非常小的分層厚度，則會(huì)影響制件的生產(chǎn)效率。2）控制激光頭的方向可以減小臺(tái)階效應(yīng)。由于分層而產(chǎn)生的臺(tái)階效應(yīng)的主要原因，是因?yàn)榧す庵荒苎卮怪庇诠ぷ髋_(tái)的方向?qū)γ恳粚悠M(jìn)行平面加工，而沒有考慮模型在分層方向上的曲率變化。因而實(shí)際加工的每一層面都為一柱體，于是在垂直方向上就會(huì)產(chǎn)生臺(tái)階效應(yīng)。所以通過控制激光的切割方向，使激光的切割方向能夠隨著輪廓的斜率的方向而改變，使其切割方向與斜率的方向相一致。1.分層產(chǎn)生的臺(tái)階誤差。

“臺(tái)階效應(yīng)”2.粘膠厚度對(duì)精度的影響

（1）粘膠厚度不均勻產(chǎn)生的誤差在成形過程中，原材料的基底紙的厚度雖然占有很大的比例，但是幾乎不發(fā)生塑性變形。粘膠的厚度所占比例小，每層膠的厚度僅0.02左右，但塑性變形大，當(dāng)幾百層或上千層累積起來后，若膠厚不均勻，將嚴(yán)重影響疊層厚度的均勻性。（2）改善粘膠厚度均勻分布的措施1）將長(zhǎng)熱壓輥分成幾段。工作臺(tái)傾斜及疊層塊上表面不平都會(huì)引起熱壓輥的壓力變化，從而影響粘膠壓應(yīng)力的穩(wěn)定。當(dāng)熱壓輥較長(zhǎng)時(shí)，上述影響更為顯著。因此，將長(zhǎng)熱壓輥分成幾段，有助于改善粘膠壓應(yīng)力沿方向的分布均勻性。2）調(diào)整熱壓輥與膠紙的接觸弧長(zhǎng)。

影響膠溫的三個(gè)重要參數(shù)是熱源發(fā)熱強(qiáng)度、熱壓輥運(yùn)動(dòng)速度和熱壓輥與膠紙的接觸弧長(zhǎng)。

熱源發(fā)熱強(qiáng)度主要由熱壓輥內(nèi)部發(fā)熱源的功率決定，所以熱壓輥運(yùn)行過程中，面熱源發(fā)熱強(qiáng)度可視為基本穩(wěn)定。

熱壓輥運(yùn)動(dòng)速度可以根據(jù)模型的尺寸調(diào)節(jié)熱壓輥增速、勻速、減速的過程，使得熱壓輥在熱壓膠紙時(shí)基本為勻速運(yùn)動(dòng)，促成膠溫均勻分布。當(dāng)制件方向的尺寸比較小時(shí)，由于熱壓輥的行程較短，熱壓膠紙時(shí)輥速不可能完全勻速，在此情況下，可以在熱壓時(shí)使工作臺(tái)作微量浮動(dòng)，增加熱壓輥與膠紙的接觸弧長(zhǎng)，促使膠溫盡量均勻分布。

工作臺(tái)微量浮動(dòng)的方法是：當(dāng)熱壓輥增速熱壓時(shí)，工作臺(tái)向上微微移動(dòng)，增加熱壓輥的壓力，增大熱壓輥與膠紙的接觸弧長(zhǎng)，補(bǔ)償因輥速提高引起的膠溫下降；當(dāng)熱壓輥勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，工作臺(tái)不動(dòng)；

當(dāng)熱壓輥減速運(yùn)動(dòng)時(shí)，工作臺(tái)微微下降，減少熱壓輥的壓力，從而減小熱壓輥與膠紙的接觸弧長(zhǎng)，緩和因輥速下降引起的膠溫上升，熱壓輥和工作臺(tái)的這種聯(lián)動(dòng)控制能使熱壓過程中膠溫基本穩(wěn)定。3）選用流動(dòng)活化能較小的粘膠。流動(dòng)活化能大的粘膠由于膠溫變化引起的粘膠塑性形變大，因此制件中粘膠厚度不均勻程度大。所以應(yīng)該選用流動(dòng)活化能較小的粘膠，它的變形隨膠溫的改變而變化幅度較小，膠厚分布比較均勻。3.制件的熱變形引起翹曲變形1.制件的熱變形翹曲分析

在成型過程中疊層塊不斷被熱壓和冷卻，成型后制件逐步冷卻至室溫，在這兩個(gè)過程中，制件內(nèi)部存在復(fù)雜變化的內(nèi)應(yīng)力，會(huì)使制件產(chǎn)生不可恢復(fù)的熱翹曲變形。

這是因?yàn)椋诔尚瓦^程中，由于粘膠的熱膨脹系數(shù)與紙的熱膨脹系數(shù)一般相差甚大，所以粘膠和紙受熱時(shí)的膨脹量相差大。在熱壓輥熱壓和激光切割傳遞給零件熱量時(shí)，熱熔膠在受熱后迅速熔化膨脹，而紙的變形相對(duì)較小，會(huì)導(dǎo)致正在制作的工件翹曲。

在熱壓后的冷卻過程中，己切割成型的粘膠和紙層的收縮受到相鄰層結(jié)構(gòu)的限制，會(huì)造成紙和膠的不均勻收縮，均會(huì)使成型件產(chǎn)生熱翹曲、扭曲變形。從而不能恢復(fù)到膨脹前的狀態(tài)，最終產(chǎn)生不可恢復(fù)的熱翹曲變形。2.改善熱變形翹曲的措施（1）制件熱變形的根本原因是紙、膠的熱膨脹系數(shù)差別大，所以，采用兩種熱膨脹系數(shù)相近的復(fù)合材料將有助于減小熱變形。（2）粘膠的共混改性。選擇不同種類的聚合物，并采用物理或化學(xué)方法進(jìn)行共混，以便改進(jìn)粘膠的性能。其中，減小熱膨脹系數(shù)有助于減小制件的熱變形和防止開裂。（3）改進(jìn)粘膠的涂覆方法。涂覆在紙上的粘膠可以為薄膜狀或顆粒狀，薄膜狀的粘膠在降溫時(shí)呈整體收縮，熱應(yīng)力大，從而使制件翹曲變形較大顆粒狀的粘膠在降溫收縮時(shí)，相互影響較小，熱應(yīng)力較小，所以制件翹曲變形較小，不易開裂。采用高壓靜電噴涂法，可以獲得高品質(zhì)的顆粒狀粘膠。（4）優(yōu)化組合工藝參數(shù)。熱壓輥的溫度、速度、接觸壓力都會(huì)影響疊層的成形和翹曲。優(yōu)化組合工藝參數(shù)，可能減少翹曲作用。（5）改進(jìn)后處理方法1）加壓下冷卻疊層塊。成型完成后，對(duì)疊層塊施加一定的壓力，待其充分冷卻后再撤除壓力。這樣做可以控制疊層冷卻時(shí)產(chǎn)生熱翹曲變形。2）充分冷卻后剝離。成型完成后，不要立即剝離廢料，而讓工件在疊層內(nèi)冷卻，使廢料可以支承工件，減少因工件局部剛度不足和結(jié)構(gòu)復(fù)雜引起的較大變形。2.改善熱變形翹曲的措施制件的吸濕變形引起翹曲變形（1）制件的吸濕變形分析疊層制造的制件是由復(fù)合材料疊加而成的，在空氣中容易吸濕變形。會(huì)降低剛度和內(nèi)聚強(qiáng)度，損害連接層的結(jié)合強(qiáng)度。（2）減小制件的濕變形的措施

及時(shí)進(jìn)行表面處理。為了防止工件吸濕膨脹，應(yīng)及時(shí)對(duì)剛剝離的工件進(jìn)行表面處理。表面處理的方法有涂覆環(huán)氧基涂料或噴鍍金屬如鋁。

模型的成型方向?qū)ぜ焚|(zhì)（尺寸精度、表面粗糙度、強(qiáng)度等）、材料成本和制作時(shí)間產(chǎn)生很大的影響。應(yīng)該將精度要求較高的輪廓（例如，有較高配合精度要求的圓柱、圓孔），盡可能放置在X-Y平面。

為提高成形效率，在保證易剝離廢料的前提下，應(yīng)盡可能減小網(wǎng)格線長(zhǎng)度，可以根據(jù)不同的零件形狀來設(shè)定。當(dāng)原型形狀比較簡(jiǎn)單時(shí)，可以將網(wǎng)格尺寸設(shè)大一些，提高成型效率；當(dāng)形狀復(fù)雜或零件內(nèi)部有廢料時(shí)，可以采用變網(wǎng)格尺寸的方法進(jìn)行設(shè)定，即在零件外部采用大網(wǎng)格劃分，零件內(nèi)部采用小網(wǎng)格劃分。5.其他因素六、分層實(shí)體成型的精度七、新型疊層實(shí)體快速成型工藝方法傳統(tǒng)的疊層實(shí)體快速成型工藝后處理時(shí)余料去除的工作量是比較繁重和費(fèi)時(shí)的，尤其是對(duì)于內(nèi)孔結(jié)構(gòu)和內(nèi)部型腔結(jié)構(gòu)，其余料的去除是超常的困難，有時(shí)甚至是難以實(shí)現(xiàn)。

Ennex公司提出了一種新型疊層實(shí)體快速成型工藝方法，稱為“OffsetFabrication”方法。該方法使用的薄層材料為雙層結(jié)構(gòu)，如圖3-17a所示。上面一層為制作原型的疊層材料，下面的薄層材料是襯材。雙層薄材在疊層之前進(jìn)行輪廓切割，將疊層材料層按照當(dāng)前疊層的輪廓進(jìn)行切割，然后進(jìn)行粘接堆積，如圖3-17b所示。粘接后，襯層材料與疊層材料分離，帶走當(dāng)前疊層的余料。OffsetFabrication疊層實(shí)體快速成型工藝方法原理（1）OffsetFabrication疊層實(shí)體快速成型工藝方法原理圖3-18OffsetFabrication法存在的問題當(dāng)當(dāng)前疊層的去除面積大于保留的疊層面積時(shí)，余料經(jīng)常會(huì)滯留在當(dāng)前疊層上。比如，成型圖3-18a所示的灰色疊層，進(jìn)行了圖b輪廓切割，然后按照?qǐng)Dc粘接在一起。當(dāng)襯層材料移開時(shí)，卻未能像預(yù)期的如圖d所示的情況帶走余料，而是像如圖e一樣，所有的疊層材料全部粘結(jié)在前一疊層上了。（2）OffsetFabrication法的缺陷

針對(duì)“OffsetFabrication”方法存在的上述問題，InhaengCho提出了另外一種新的疊層實(shí)體快速原型工藝方法。InhaengCho提出的新工藝仍然采用雙層薄材，只是襯層材料只起粘結(jié)作用，而疊層材料被切割兩次。首先切割內(nèi)孔或內(nèi)腔的內(nèi)輪廓，之后，內(nèi)孔或內(nèi)腔的余料在襯層與疊層分離時(shí)被襯層粘結(jié)帶走，然后被去除內(nèi)孔或內(nèi)腔余料的疊層材料繼續(xù)送進(jìn)進(jìn)行與原來制作好的疊層實(shí)現(xiàn)粘結(jié)，之后，進(jìn)行第二次切割，切割其余輪廓。該方法建造過程的原理如圖所示。整個(gè)過程分為如下6步：圖3-19新工藝方法中疊層建造步驟（3）InhaengCho新型疊層實(shí)體快速成型法（1）相比較于其他3D打印技術(shù)，

LOM成型技術(shù)的效率是較高的，LOM成型技術(shù)可以制作大型、復(fù)雜與體積大原型件。（2）缺點(diǎn)是可實(shí)際應(yīng)用的原材料種類較少、所完成之快速原型件很容易吸潮，因此原型件之尺寸容易變形以及所制作完成之原型件機(jī)械強(qiáng)度仍不足。（3）LOM快速原型系統(tǒng)仍有諸多地方須改善，材料的性能、種類以及后處理工藝等幾個(gè)方面的技術(shù)是未來LOM成型技術(shù)研發(fā)的重要方向。八、分層實(shí)體制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)分層實(shí)體制造方法與其他快速原型制造技術(shù)相比，具有制作效率高、速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在我國具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖LOM技術(shù)制造的樣件馬桶模型電話機(jī)模型

1.制作紙質(zhì)功能制件用作新產(chǎn)品開發(fā)中工業(yè)造型的外觀評(píng)價(jià)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證九、分層實(shí)體制造技術(shù)的應(yīng)用前景2.分層實(shí)體制造技術(shù)在模具行業(yè)的應(yīng)用隨著汽車制造業(yè)的迅猛發(fā)展，車型更新?lián)Q代的周期不斷縮短，導(dǎo)致對(duì)與整車配套的各主要部件的設(shè)計(jì)也提出了更高要求。其中，汽車車燈組件的設(shè)計(jì)，要求在內(nèi)部結(jié)構(gòu)滿足裝配和使用要求外，其外觀的設(shè)計(jì)也必須達(dá)到與車體外形的完美統(tǒng)一。車燈設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的專業(yè)廠家傳統(tǒng)的開發(fā)手段受到了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。快速成型技術(shù)的出現(xiàn)，較好地迎合了車燈結(jié)構(gòu)與外觀開發(fā)的需求。下面為某車燈配件公司為國內(nèi)某大型汽車制造廠開發(fā)的某型號(hào)轎車車燈LOM原型，通過與整車的裝配檢驗(yàn)和評(píng)估，顯著提高了該組車燈的開發(fā)效率和成功率。轎車前照燈轎車后組合燈

根據(jù)魯?shù)秘惞咎岢龅霓I車系列車燈產(chǎn)品開發(fā)要求，利用HRP-III型LOM激光快速成型機(jī)按三維計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行各種車燈的快速原型制造，上圖為本轎車前照燈和后組合車燈產(chǎn)品的LOM原型。1、汽車車燈

根據(jù)魯?shù)秘惞咎岢龅囊黄讲窈蠼M合燈產(chǎn)品開發(fā)要求，利用HRP-III型LOM激光快速成型機(jī)按三維計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行該組各種車燈的快速原型制造，本組圖片為該系列燈型產(chǎn)品的LOM原型。某機(jī)床操作手柄為鑄鐵件，人工方式制作砂型鑄造用的木模十分費(fèi)時(shí)困難，而且精度得不到保證。隨著CAD／CAM技術(shù)的發(fā)展和普及，具有復(fù)雜曲面形狀的手柄的設(shè)計(jì)直接在CAD/CAM軟件平臺(tái)上完成，借助快速成型技術(shù)尤其是疊層實(shí)體制造技術(shù)，可以直接由CAD模型高精度地快速制作砂型鑄造的木模，克服了人工制作的局限和困難，極大地縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)的周期并提高了產(chǎn)品的精度和質(zhì)量。下圖為鑄鐵手柄的CAD模型和LOM原型。

2、鑄鐵手柄

CAD模型LOM原型3．分層實(shí)體制造技術(shù)在制鞋業(yè)中的應(yīng)用當(dāng)前國際上制鞋業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，而美國WolverineWorldWide公司無論在國際還是美國國內(nèi)市場(chǎng)都一直保持著旺盛的銷售勢(shì)頭，該公司鞋類產(chǎn)品的款式一直保持著快速的更新，時(shí)時(shí)能夠?yàn)轭櫩吞峁└哔|(zhì)量的產(chǎn)品，而使用PowerSHAPE軟件和Helysis公司的分層實(shí)體制造技術(shù)（LOM）是WolverineWorldWide公司成功的關(guān)鍵。

根據(jù)山東長(zhǎng)通通訊公司提出的探測(cè)儀產(chǎn)品開發(fā)要求，利用HRP-III型LOM激光快速成型機(jī)按三維計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行各零部件快速原型制造，上圖為本產(chǎn)品的各零件的LOM原型。上蓋底座

根據(jù)山東長(zhǎng)通通訊公司提出的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)品開發(fā)要求，利用HRP-III型LOM激光快速成型機(jī)按三維計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行各零部件快速原型制造，本圖為該產(chǎn)品的部分零件的LOM原型。裝配知識(shí)拓展美國公司LOM分層實(shí)體制造的應(yīng)用美國的QualityMetalCraft公司利用采用LOM工藝制造的奧迪汽車制動(dòng)鉗體和支架精密鑄造模型的快速原型，制件尺寸精度高，穩(wěn)定性好，表面光潔，如圖5-24所示。奧迪轎車剎車鉗體本節(jié)內(nèi)容回顧1.分層實(shí)體制造的特點(diǎn)是什么？2.分層實(shí)體制造的主要材料是什么？有什么要求？3.影響分層實(shí)體制造工藝的誤差因素主要有哪些？解決方法是什么？391.分層實(shí)體制造的特點(diǎn)是什么？（1）制作精度高，翹曲變形較??；（2）成型速度較快，易于制造大型零件；（3）原材料價(jià)格便宜，原型制作成本低；（4）成型時(shí)無需設(shè)計(jì)支承，前期處理的工作量?。唬?）原型具有較高的硬度和較好的力學(xué)性能，可進(jìn)行切削加工。優(yōu)點(diǎn)

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