第三章-疊層實體快速成型工藝

第三章疊層實體快速成型工藝,快速成型與快速模具制造技術及其應用,機械工業(yè)出版社（第三版）,疊層實體制造技術（LaminatedObjectManufacturing，LOM）是幾種最成熟的快速成型制造技術之一。這種制造方法和設備自1991年問世以來，得到迅速發(fā)展。由于疊層實體制造技術多使用紙材，成本低廉，制件精度高，而且制造出來的木質(zhì)原型具有外在的美感性和一些特殊的品質(zhì)，因此受到了較為廣泛的關注，在產(chǎn)品概念設計可視化、造型設計評估、裝配檢驗、熔模鑄造型芯、砂型鑄造木模、快速制模母模以及直接制模等方面得到了迅速應用。,第三章疊層實體快速成型工藝,1,2,疊層實體快速成型的材料與設備,疊層實體快速成型的工藝過程,疊層實體制造工藝的基本原理和特點,3,6,5,4,提高疊層實體成型制作質(zhì)量的措施,新型疊層實體快速成型工藝方法,疊層實體制造工藝后置處理中的表面涂覆,第三章疊層實體快速成型工藝,1.疊層實體快速成型工藝的基本原理,第一節(jié)疊層實體制造工藝的基本原理和特點,由計算機、材料存儲及送進機構(gòu)、熱粘壓機構(gòu)、激光切割系統(tǒng)、可升降工作臺和數(shù)控系統(tǒng)和機架等組成。首先在工作臺上制作基底，工作臺下降，送紙滾筒送進一個步距的紙材，工作臺回升，熱壓滾筒滾壓背面涂有熱熔膠的紙材，將當前迭層與原來制作好的迭層或基底粘貼在一起，切片軟件根據(jù)模型當前層面的輪廓控制激光器進行層面切割，逐層制作，當全部迭層制作完畢后，再將多余廢料去除。,圖3-1疊層實體制造技術的原理簡圖,圖3-2截面輪廓及網(wǎng)格廢料,在疊層實體快速成型機上，截面輪廓被切割和疊合后所成的制品如下圖所示。其中，所需的工件被廢料小方格包圍，剔除這些小方格之后，便可得到三維工件。,第一節(jié)疊層實體制造工藝的基本原理和特點,原材料價格便宜，原型制作成本低,制件尺寸大,無須后固化處理,無須設計和制作支撐結(jié)構(gòu),廢料易剝離,不能直接制作塑料工件,工件的抗拉強度和彈性不夠好,工件易吸濕膨脹,工件表面有臺階紋，需打磨,熱物性與機械性能好，可實現(xiàn)切削加工,精度高,第一節(jié)疊層實體制造工藝的基本原理和特點,2.疊層實體快速成型技術的特點,優(yōu)點：,設備可靠性好，壽命長,操作方便,缺點：,1,2,疊層實體快速成型的材料與設備,疊層實體快速成型的工藝過程,疊層實體制造工藝的基本原理和特點,3,6,5,4,提高疊層實體快速成型制作質(zhì)量的措施,新型疊層實體快速成型工藝方法,疊層實體制造工藝后置處理中的表面涂覆,第三章疊層實體快速成型工藝,1.疊層實體快速成型材料薄層材料:紙、塑料薄膜、金屬箔等粘結(jié)劑:熱熔膠制備工藝：涂布工藝紙的性能要求：1）抗?jié)裥?）良好的浸潤性3）抗拉強度4）收縮率小5）剝離性能好6）易打磨，表面光滑7）穩(wěn)定性,第二節(jié)疊層實體快速成型的材料和設備,熱熔膠：1）良好的熱熔冷固性（約70100開始熔化，室溫下固化）。2）在反復“熔融固化”條件下，具有較好的物理化學穩(wěn)定性。3）熔融狀態(tài)下與紙具有較好的涂掛性和涂勻性。4）與紙具有足夠粘結(jié)強度。5）良好的廢料分離性能。,涂布工藝：涂布工藝有涂布形狀和涂布厚度兩個方面。涂布形狀指的是采用均勻式涂布還是非均勻涂布，非均勻涂布又有多種形狀。均勻式涂布采用狹縫式刮板進行涂布，非均勻涂布有條紋式和顆粒式。一般來講，非均勻涂布可以減小應力集中，但涂布設備比較貴。涂布厚度指的是在紙材上涂多厚的膠，選擇涂布厚度的原則是在保證可靠粘接的情況下，盡可能涂的薄，以減少變形、溢膠和錯移。,第二節(jié)疊層實體快速成型的材料和設備,第二節(jié)疊層實體快速成型的材料和設備,新加坡KINERGY公司的紙材,第二節(jié)疊層實體快速成型的材料和設備,美國CubicTechnologies公司的薄材,2.疊層實體快速成型制造設備,圖3-3Helisys公司的LOM-2030機型,第二節(jié)疊層實體快速成型的材料和設備,圖3-4Solidimension公司開發(fā)的SD300疊層打印機,第二節(jié)疊層實體快速成型的材料和設備,圖3-5SD300疊層打印機耗材配件及制作的模型,第二節(jié)疊層實體快速成型的材料和設備,圖3-6HRP系列薄材疊層快速成型機,第二節(jié)疊層實體快速成型的材料和設備,第二節(jié)疊層實體快速成型的材料和設備,1,2,疊層實體快速成型的材料與設備,疊層實體快速成型的工藝過程,疊層實體制造工藝的基本原理和特點,3,6,5,4,提高疊層實體快速成型制作質(zhì)量的措施,新型疊層實體快速成型工藝方法,疊層實體制造工藝后置處理中的表面涂覆,第三章疊層實體快速成型工藝,第三節(jié)疊層實體快速成型的工藝過程,分層疊加,前處理,后處理,STL文件,切片處理,設置工藝參數(shù),基底制作,原型制作,余料去除,表面質(zhì)量處理,提高強硬度處理,激光切割速度,加熱輥溫度,切片軟件精度,切碎網(wǎng)格尺寸,1,2,疊層實體快速成型的材料與設備,疊層實體快速成型的工藝過程,疊層實體制造工藝的基本原理和特點,3,6,5,4,提高疊層實體快速成型制作質(zhì)量的措施,新型疊層實體快速成型工藝方法,疊層實體制造工藝后置處理中的表面涂覆,第三章疊層實體快速成型工藝,第四節(jié)提高疊層實體成型制作質(zhì)量的措施,1.疊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,不一致的約束,成型功率控制不當,切碎網(wǎng)格尺寸,工藝參數(shù)不穩(wěn)定,X、Y軸系導軌垂直度，Z軸與工作臺面垂直度,在進行STL轉(zhuǎn)換時，可以根據(jù)零件形狀的不同復雜程度來定。在保證成形件形狀完整平滑的前提下，盡量避免過高的精度。不同的CAD軟件所用的精度范圍也不一樣，例如Pro/E所選用的范圍是0.010.05mm，UG所選用的范圍是0.020.08mm，如果零件細小結(jié)構(gòu)較多可將轉(zhuǎn)換精度設高一些。,2.提高疊層實體原型制作精度的措施,1,STL文件輸出精度的取值應與相對應的原型制作設備上切片軟件的精度相匹配。過大會使切割速度嚴重減慢，過小會引起輪廓切割的嚴重失真。,2,CADSTL精度：0.08切片軟件精度：0.08,CADSTL精度：0.08切片軟件精度：0.01,CADSTL精度：0.08切片軟件精度：2.00,第四節(jié)提高疊層實體成型制作質(zhì)量的措施,模型的成型方向?qū)ぜ焚|(zhì)（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。,3,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(nèi)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(nèi)部采用小網(wǎng)格劃分。,4,第四節(jié)提高疊層實體成型制作質(zhì)量的措施,熱濕變形控制：采用新的材料和新的涂膠方法；改進后處理方法；根據(jù)制件的熱變形規(guī)律預先對CAD模型進行反變形修正；原型制作后的處理措施：加壓下冷卻疊層塊；充分冷卻后剝離；及時進行表面處理（涂覆增強劑如強力膠、環(huán)氧樹脂漆或聚氨酯漆等，有助于增加制件的強度和防潮效果）。,5,從此表可以看出，未經(jīng)任何處理的疊層塊對水分十分敏感，在水中浸泡10min，疊層方向便漲高45mm，增長41%，而且水平方向的尺寸也略有增長，吸入水分的重量達164g，說明未經(jīng)處理的LOM原型是無法在水中進行使用，或者在潮濕環(huán)境中不宜存放太久。為此，將疊層塊涂上薄層油漆進行防濕處理。從實驗結(jié)果看，涂漆起到了明顯的防濕效果。在相同浸水時間內(nèi)，疊層方向僅增長3mm，吸水重量僅4g。當涂刷兩層漆后，原型尺寸已得到穩(wěn)定控制，防濕效果已十分理想。,第四節(jié)提高疊層實體成型制作質(zhì)量的措施,原型的吸濕性及涂漆防濕效果試驗：,1,2,疊層實體快速成型的材料與設備,疊層實體快速成型的工藝過程,疊層實體制造工藝的基本原理和特點,3,6,5,4,提高疊層實體快速成型制作質(zhì)量的措施,新型疊層實體快速成型工藝方法,疊層實體制造工藝后置處理中的表面涂覆,第三章疊層實體快速成型工藝,第五節(jié)疊層實體制造工藝后處理中的表面涂覆,LOM原型經(jīng)過余料去除后，為了提高原型的性能和便于表面打磨，經(jīng)常需要對原型進行表面涂覆處理，表面涂覆的好處有：（1）提高強度；（2）提高耐熱性；（3）改進抗?jié)裥裕唬?）延長原型的壽命；（5）易于表面打磨等處理；（6）經(jīng)涂覆處理后，原型可更好地用于裝配和功能檢驗。,紙材的最顯著缺點是對濕度極其敏感，LOM原型吸濕后疊層方向尺寸增長，嚴重時疊層會相互之間脫離。為避免因吸濕而引起的這些后果，在原型剝離后短期內(nèi)應迅速進行密封處理。表面涂覆可以實現(xiàn)良好的密封，而且同時可以提高原型的強度和抗熱抗?jié)裥浴?1.表面涂覆的必要性,（1）將剝離后的原型表面用砂紙輕輕打磨，如圖所示：,2.表面涂覆的工藝過程,第五節(jié)疊層實體制造工藝后處理中的表面涂覆,（2）按規(guī)定比例配備涂覆材料（如雙組份環(huán)氧樹脂的重量比：100份TCC-630配20份TCC-115N硬化劑），并混合均勻；,（3）在原型上涂刷一薄層混合后的材料，因材料的粘度較低，材料會很容易浸入紙基的原型中，浸入的深度可以達到1.21.5mm；,（4）再次涂覆同樣的混合后的環(huán)氧樹脂材料以填充表面的溝痕并長時間固化，如圖所示：,第五節(jié)疊層實體制造工藝后處理中的表面涂覆,（5）對表面已經(jīng)涂覆了堅硬的環(huán)氧樹脂材料的原型再次用砂紙進行打磨，打磨之前和打磨過程中應注意測量原型的尺寸，以確保原型尺寸在要求的公差范圍之內(nèi)；,（6）對原型表面進行拋光，達到無劃痕的表面質(zhì)量之后進行透明涂層的噴涂，以增加表面的外觀效果，如圖所示。,第五節(jié)疊層實體制造工藝后處理中的表面涂覆,通過上述表面涂覆處理后，原型的強度和耐熱防濕性能得到了顯著提高，將處理完畢的原型浸入水中，進行尺寸穩(wěn)定性的檢測，實驗結(jié)果如下圖所示：,第五節(jié)疊層實體制造工藝后處理中的表面涂覆,第六節(jié)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(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(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。,圖3-17OffsetFabrication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(jié)在前一疊層上了。,第六節(jié)新型疊層實體快速成型工藝方法,（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(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)送進進行與原來制作好的疊層實現(xiàn)粘結(jié)，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,第六節(jié)新型疊層實體快速成型工藝方法,（3）InhaengCho新型疊層實體快速成型法,轎車前照燈,轎車后組合燈,根據(jù)某公司提出的轎車系列車燈產(chǎn)品開發(fā)要求，利用疊層實體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，上圖為轎車前照燈和后組合車燈產(chǎn)品的LOM原型。,疊層實體制造工藝的應用示例,根據(jù)某車燈設計公司提出的某六平柴后組合燈產(chǎn)品開發(fā)要求，利用疊層實體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。,疊層實體制造工藝的應用示例,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。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。,鑄鐵手柄CAD模型,疊層實體制造工藝的應用示例,鑄鐵手柄LOM原型,根據(jù)某公司提出的探測儀產(chǎn)品開發(fā)要求，利用疊層實體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。,疊層實體制造工藝的應用示例,上蓋,底座,根據(jù)某通訊公司提出的信號發(fā)生器產(chǎn)品開發(fā)要求，利用疊層實體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,疊層實體制造工藝的應用示例,根據(jù)某客車公司提出的某豪華客車外觀設