分層實體制造工藝材料和應用分層實體制造工藝材料和應用

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分層實體制造技術

（二）

《快速成型技術與應用》本節(jié)知識點分層實體制造成型工藝的特點4分層實體制造成型工藝的材料5分層實體制造成型工藝的精度6分層實體制造成型工藝的發(fā)展和應用71.掌握分層實體制造成型技術的工藝特點。2.掌握分層實體制造成型技術材料與精度。重點1.分層實體制造成型技術的工藝特點。2.分層實體制造成型技術的材料與精度。學習重點與難點難點四、LOM成型的優(yōu)、缺點（1）制作精度高，翹曲變形較??；這是因為在薄形材料選擇性切割成型時，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±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，而不用掃描整個截面，因此常用于加工內部結構簡單的大型零件。（3）原材料價格便宜，原型制作成本低；（4）成型時無需設計支承，前期處理的工作量??；（5）原型具有較高的硬度和較好的力學性能，可進行切削加工。優(yōu)點

缺點（1）材料利用率低，并且廢料不能重復利用；（2）工件表面有臺階紋，其高度為材料的厚度（通常為0.1mm）。因此表面質量相對較差，成型后需進行表面打磨；（3）工件易吸濕膨脹變形，成型后應盡快進行表面防潮處理；（4）工件特別是薄壁件的抗拉強度和彈性不夠好；（5）去除廢料的工作比較費時，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械特性差異非常大。課后練習1.下列選項中不是分層實體制造技術的優(yōu)勢的是（

）A工件表面有臺階紋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。分層實體制造技術制造的樣件有較高的硬度和較好的機械性能，可進行切削加工。（

）A對

1.對材料的要求

分層實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合材料片材熱熔膠五、分層實體制造技術成形的材料。對紙材性能要求（1）良好的浸潤性。即紙纖維的組織結構要好。纖維長且粗大，分布均勻，纖維之間有一定空隙，有利于涂膠，也有利于力學性能的提高。（2）紙的厚薄要適中。在精度要求高時應選擇薄紙，紙越薄越均勻，LOM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）要有一定的力學性能，能承受一定的拉力，以便實現(xiàn)自動傳輸和收卷。它的耐折度和抗撕裂度也嚴重影響零件的力學性能。（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“熔融一固化”條件下其物理化學性能穩(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1.下列哪項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抗拉強度好D收縮率大2.下列哪項是用于LOM紙基的熱熔膠性能要求（）A良好的廢料分離性能B足夠的粘接強度C化學性能穩(wěn)定D涂掛性好3.分層實體制造技術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被粘物體的表面粘附性和膠接強度。

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

填料的作用是降低成本，減少固化時的收縮率和過度滲透性。分層實體制造（LOM）的工件用途不同，對薄片材料和熱熔膠的要求也不同。當LOM工件用作功能構件或代替木模時，滿足一般性能要求即可；若將LOM工件作為消失模進行精密熔模鑄造，則要求高溫灼燒時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，還要求片層材料和粘結劑具有一定的導熱和導電性能。（一）分層實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文件輸入設置造成的誤差設備精度誤差激光頭的運動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軸系導軌垂直度，Z軸與工作臺面垂直度六、分層實體成型的精度成型功率控制不當切碎網(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，則會影響制件的生產(chǎn)效率。2）控制激光頭的方向可以減小臺階效應。由于分層而產(chǎn)生的臺階效應的主要原因，是因為激光只能沿垂直于工作臺的方向對每一層片進行平面加工，而沒有考慮模型在分層方向上的曲率變化。因而實際加工的每一層面都為一柱體，于是在垂直方向上就會產(chǎn)生臺階效應。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)生的臺階誤差。

“臺階效應”2.粘膠厚度對精度的影響

（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，當幾百層或上千層累積起來后，若膠厚不均勻，將嚴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）將長熱壓輥分成幾段。工作臺傾斜及疊層塊上表面不平都會引起熱壓輥的壓力變化，從而影響粘膠壓應力的穩(wěn)定。當熱壓輥較長時，上述影響更為顯著。因此，將長熱壓輥分成幾段，有助于改善粘膠壓應力沿方向的分布均勻性。2）調整熱壓輥與膠紙的接觸弧長。

影響膠溫的三個重要參數(shù)是熱源發(fā)熱強度、熱壓輥運動速度和熱壓輥與膠紙的接觸弧長。

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

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

工作臺微量浮動的方法是：當熱壓輥增速熱壓時，工作臺向上微微移動，增加熱壓輥的壓力，增大熱壓輥與膠紙的接觸弧長，補償因輥速提高引起的膠溫下降；當熱壓輥勻速運動時，工作臺不動；

當熱壓輥減速運動時，工作臺微微下降，減少熱壓輥的壓力，從而減小熱壓輥與膠紙的接觸弧長，緩和因輥速下降引起的膠溫上升，熱壓輥和工作臺的這種聯(lián)動控制能使熱壓過程中膠溫基本穩(wěn)定。3）選用流動活化能較小的粘膠。流動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。所以應該選用流動活化能較小的粘膠，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，在這兩個過程中，制件內部存在復雜變化的內應力，會使制件產(chǎn)生不可恢復的熱翹曲變形。

這是因為，在成型過程中，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，熱熔膠在受熱后迅速熔化膨脹，而紙的變形相對較小，會導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構的限制，會造成紙和膠的不均勻收縮，均會使成型件產(chǎn)生熱翹曲、扭曲變形。從而不能恢復到膨脹前的狀態(tài)，最終產(chǎn)生不可恢復的熱翹曲變形。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，并采用物理或化學方法進行共混，以便改進粘膠的性能。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呈整體收縮，熱應力大，從而使制件翹曲變形較大顆粒狀的粘膠在降溫收縮時，相互影響較小，熱應力較小，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）改進后處理方法1）加壓下冷卻疊層塊。成型完成后，對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，而讓工件在疊層內冷卻，使廢料可以支承工件，減少因工件局部剛度不足和結構復雜引起的較大變形。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合材料疊加而成的，在空氣中容易吸濕變形。會降低剛度和內聚強度，損害連接層的結合強度。（2）減小制件的濕變形的措施

及時進行表面處理。為了防止工件吸濕膨脹，應及時對剛剝離的工件進行表面處理。表面處理的方法有涂覆環(huán)氧基涂料或噴鍍金屬如鋁。

模型的成型方向對工件品質（尺寸精度、表面粗糙度、強度等）、材料成本和制作時間產(chǎn)生很大的影響。應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，應盡可能減小網(wǎng)格線長度，可以根據(jù)不同的零件形狀來設定。當原型形狀比較簡單時，可以將網(wǎng)格尺寸設大一些，提高成型效率；當形狀復雜或零件內部有廢料時，可以采用變網(wǎng)格尺寸的方法進行設定，即在零件外部采用大網(wǎng)格劃分，零件內部采用小網(wǎng)格劃分。5.其他因素六、分層實體成型的精度七、新型疊層實體快速成型工藝方法傳統(tǒng)的疊層實體快速成型工藝后處理時余料去除的工作量是比較繁重和費時的，尤其是對于內孔結構和內部型腔結構，其余料的去除是超常的困難，有時甚至是難以實現(xiàn)。

Ennex公司提出了一種新型疊層實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構，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行輪廓切割，將疊層材料層按照當前疊層的輪廓進行切割，然后進行粘接堆積，如圖3-17b所示。粘接后，襯層材料與疊層材料分離，帶走當前疊層的余料。OffsetFabrication疊層實體快速成型工藝方法原理（1）OffsetFabrication疊層實體快速成型工藝方法原理圖3-18OffsetFabrication法存在的問題當當前疊層的去除面積大于保留的疊層面積時，余料經(jīng)常會滯留在當前疊層上。比如，成型圖3-18a所示的灰色疊層，進行了圖b輪廓切割，然后按照圖c粘接在一起。當襯層材料移開時，卻未能像預期的如圖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在前一疊層上了。（2）OffsetFabrication法的缺陷

針對“OffsetFabrication”方法存在的上述問題，InhaengCho提出了另外一種新的疊層實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作用，而疊層材料被切割兩次。首先切割內孔或內腔的內輪廓，之后，內孔或內腔的余料在襯層與疊層分離時被襯層粘結帶走，然后被去除內孔或內腔余料的疊層材料繼續(xù)送進進行與原來制作好的疊層實現(xiàn)粘結，之后，進行第二次切割，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新型疊層實體快速成型法（1）相比較于其他3D打印技術，

LOM成型技術的效率是較高的，LOM成型技術可以制作大型、復雜與體積大原型件。（2）缺點是可實際應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械強度仍不足。（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方面的技術是未來LOM成型技術研發(fā)的重要方向。八、分層實體制造技術的發(fā)展趨勢分層實體制造方法與其他快速原型制造技術相比，具有制作效率高、速度快、成本低等優(yōu)點，在我國具有廣闊的應用前景。

圖LOM技術制造的樣件馬桶模型電話機模型

1.制作紙質功能制件用作新產(chǎn)品開發(fā)中工業(yè)造型的外觀評價、結構設計驗證九、分層實體制造技術的應用前景2.分層實體制造技術在模具行業(yè)的應用隨著汽車制造業(yè)的迅猛發(fā)展，車型更新?lián)Q代的周期不斷縮短，導致對與整車配套的各主要部件的設計也提出了更高要求。其中，汽車車燈組件的設計，要求在內部結構滿足裝配和使用要求外，其外觀的設計也必須達到與車體外形的完美統(tǒng)一。車燈設計與生產(chǎn)的專業(yè)廠家傳統(tǒng)的開發(fā)手段受到了嚴重的挑戰(zhàn)。快速成型技術的出現(xiàn)，較好地迎合了車燈結構與外觀開發(fā)的需求。下面為某車燈配件公司為國內某大型汽車制造廠開發(fā)的某型號轎車車燈LOM原型，通過與整車的裝配檢驗和評估，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激光快速成型機按三維計算機模型進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激光快速成型機按三維計算機模型進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時困難，而且精度得不到保證。隨著CAD／CAM技術的發(fā)展和普及，具有復雜曲面形狀的手柄的設計直接在CAD/CAM軟件平臺上完成，借助快速成型技術尤其是疊層實體制造技術，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．分層實體制造技術在制鞋業(yè)中的應用當前國際上制鞋業(yè)的競爭日益激烈，而美國WolverineWorldWide公司無論在國際還是美國國內市場都一直保持著旺盛的銷售勢頭，該公司鞋類產(chǎn)品的款式一直保持著快速的更新，時時能夠為顧客提供高質量的產(chǎn)品，而使用PowerSHAPE軟件和Helysis公司的分層實體制造技術（LOM）是WolverineWorldWide公司成功的關鍵。

根據(jù)山東長通通訊公司提出的探測儀產(chǎn)品開發(fā)要求，利用HRP-III型LOM激光快速成型機按三維計算機模型進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)山東長通通訊公司提出的信號發(fā)生器產(chǎn)品開發(fā)要求，利用HRP-III型LOM激光快速成型機按三維計算機模型進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。裝配知識拓展美國公司LOM分層實體制造的應用美國的QualityMetalCraft公司利用采用LOM工藝制造的奧迪汽車制動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)內容回顧1.分層實體制造的特點是什么？2.分層實體制造的主要材料是什么？有什么要求？3.影響分層實體制造工藝的誤差因素主要有哪些？解決方法是什么？391.分層實體制造的特點是什么？（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）原材料價格便宜，原型制作成本低；（4）成型時無需設計支承，前期處理的工作量小；（5）原型具有較高的硬度和較好的力學性能，可進行切削加工。優(yōu)點

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