快速成型技術(shù)-第二章薄形材料選擇性切割.ppt

快速成型技術(shù)及應(yīng)用,上次課內(nèi)容回顧：,1、光固化成型的原理； 2、光固化成型的設(shè)備組成和個組成的作用； 3、光固化成型過程； 4、光固化成型精度問題； 5、支持結(jié)構(gòu)問題； 6、光固化成型特點。,第二章,薄形材料選擇性切割 (疊層實體制造工藝),一.概述,薄形材料選擇性切割（Laminated Object Manufacturing，簡稱LOM）成形技術(shù)，又稱分層物件制造或是疊層成形技術(shù)。 該工藝是采用激光束和薄層材料（紙片、塑料薄膜或復(fù)合材料等）生成任意形狀三維物體的方法，是早期較成熟的四個快速成形工藝之一，該工藝的市場占有率大約為7。,一.概述,目前研究LOM工藝的有Helisys公司、華中科技大學(xué)、清華大學(xué)、Kira公司、Sparx公司和Kinergy公司。 Helisys公司除原有的LPH、LPS、LPF三個系列紙材品種以外，還開發(fā)了塑料和復(fù)合材料品種。 華中科技大學(xué)推出的HRP系列成形機(jī)和成形材料,具有較高的性價比。 清華大學(xué)推出了SSM系列成型機(jī)及成型材料。,二.LOM成形的基本組成及原理,1.LOM成形的基本原理,1).工作開始時，送料機(jī)構(gòu)把單面涂有熱溶膠的紙片一段段的送至工作臺的上方，熱壓滾筒將料壓平并粘在底層上； 2).激光束按計算機(jī)數(shù)據(jù)系統(tǒng)給出的信息指令，切出工件的截面形狀，并把周圍多余材料切碎。,LOM成形的基本原理,3).然后工作臺下降一個層厚的高度，送料機(jī)構(gòu)再鋪新一層紙片。如此反復(fù)逐層粘切，最終得到由許多小廢料塊包圍的三維原型零件； 4).然后取出，將多余的廢料小塊剔除，最終獲得三維產(chǎn)品。,2.LOM成形系統(tǒng)的組成,LOM成形系統(tǒng)由計算機(jī)及控制軟件、原材料存儲及送料機(jī)構(gòu)、熱碾壓機(jī)構(gòu)、激光切割系統(tǒng)、可升降工作臺、數(shù)控系統(tǒng)、模型取出裝置和機(jī)架組成。,激光切割系統(tǒng),激光器的作用： 切割作用 對激光器的要求： 1.激光器輸出的能量必須穩(wěn)定并能隨運(yùn)動速度的改變而改變。 2.激光器能夠快速輸出和關(guān)閉。 3.激光器能夠長時間連續(xù)工作。 因此，在LOM快速成形系統(tǒng)中，激光切割單元應(yīng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、可自動控制、監(jiān)測、響應(yīng)快速、運(yùn)行可靠等功能，所以多選用CO2激光器。激光器電源多為開關(guān)電源。,計算機(jī)及控制軟件,LOM成形用計算機(jī)為工業(yè)計算機(jī)，在計算機(jī)中配有如下控制軟件： 1.STL格式文件的糾錯和修補(bǔ)文件 用來標(biāo)識讀入的STL格式文件中三角形的錯誤，并由操作者修改。 2.三維模型的切片軟件。 用來對三維模型的STL格式文件，沿成形的高度方向，每隔一定的時間，自動提取截面的邊界輪廓信息。,計算機(jī)及控制軟件,3.激光切割速度與切割功率的自動匹配軟件 根據(jù)激光的瞬時切割速度自動調(diào)節(jié)激光的輸出功率，從而得到合適尺寸的零件。,計算機(jī)及控制軟件,4.激光光束寬度的自動補(bǔ)償軟件 可以自動識別截面的內(nèi)、外輪廓邊界，根據(jù)激光的光束寬度（0.10.2mm），控制切割頭，相對理論內(nèi)、外輪廓邊界，自動向內(nèi)或向外偏移半個光束寬度，從而保證實際切出的輪廓邊界和理論輪廓邊界重合。,原料存儲及送料機(jī)構(gòu),依靠電機(jī)運(yùn)動，送進(jìn)成形所需的薄層材料，如紙片、塑料薄膜或復(fù)合材料等，每次送進(jìn)一個層厚的材料。,熱黏壓機(jī)構(gòu),利用步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動熱壓輥，使其在工作臺上往復(fù)運(yùn)動，這時熱壓輥上的發(fā)熱元件發(fā)熱，促使材料發(fā)生黏結(jié)。,可升降工作臺,用來支撐成形的工件，并在每一層成形后，下降一個層厚，厚度一般為0.025mm0.125mm，以便送進(jìn)、黏合和切斷新的材料。,三.LOM成形用材料,LOM快速成形采用經(jīng)過快速處理的紙作原材料，這種紙由紙質(zhì)基底和涂覆在上面的一層黏結(jié)劑、改性添加劑組成。故其原材料為膠和紙； 成本低，大約在人民幣5060元/Kg。,對紙的要求:,(1)抗?jié)窈?保證不會因時間長而吸水,從而保證熱壓過程中不會因為水分的損失而產(chǎn)生變形 (2)良好的侵潤性,保證良好的涂膠能力 (3)抗拉強(qiáng)度好,保證在加工過程中不被拉斷 (4)收縮率小,保證熱壓過程中不會因為水分的損失而產(chǎn)生變形 剝離性好,容易打磨,穩(wěn)定性好,對膠的要求:,(1)良好的熱熔穩(wěn)定性 (2)在反復(fù)的熱熔-固化條件下,具備好的物理和化學(xué)穩(wěn)定性 (3)熔融狀態(tài)下與紙具有好的涂掛性及黏結(jié)性 (4)與紙具有足夠的黏結(jié)強(qiáng)度 (5)良好的廢料剝離分離性能,對涂布工藝:,涂布工藝包括涂布形狀和涂布厚度. 涂布形狀指采用均勻涂布和不均勻涂布,均勻涂布采用狹縫刮板涂布,不均勻涂布有條紋式和顆粒式.一般講,不均勻涂布可以減少應(yīng)力集中,但設(shè)備很貴. 涂布厚度指在紙上涂多少厚度的膠,選擇原則是保證可靠的黏結(jié)性的前提下,盡可能少涂,一減少變形,溢膠和錯位.,四.工藝過程,工藝過程也分為三個過程:前處理過程,疊層,后處理過程 1.前處理過程: (1)CAD三維模型的造型,要求計算機(jī)軟件有很強(qiáng)的三維造型功能,包括實體造型以及表面造型.主要軟件有PRO/E,UGII等 (2)三維模型切片處理:由于快速成型是按一層層疊加起來,故加工前要進(jìn)行切片,切片間隔的大小根據(jù)成型件精度和生產(chǎn)率的要求來確定,間隔越小,精度越高,但成型時間越長,否則反之.間隔的范圍為0.05-0.5mm.,2.中處理過程,(1)工藝參數(shù) 主要參數(shù)有: 激光切割速度:激光切割速度影響原型件表面質(zhì)量和制作時間,通常由激光器的規(guī)格決定 加熱輥的溫度和壓力:有加工原型件的層面尺寸大小,紙張厚度和環(huán)境溫度確定,激光能量:影響切割速度和紙張的厚度,通常切割速度和能量之間為拋物線的關(guān)系,如圖所示:,(2).原型制作過程,(1)基底制作:由于疊層在制作過程中,工作臺回帶動頻繁,為實現(xiàn)兩者之間的連接,需要制作基底,目的是為了連接 (2)原型制作:三維的疊加過程,3.后處理過程,主要包括:原型件的剝離,后固化,修補(bǔ),打磨,拋光,表面強(qiáng)化處理. 其中有一道重要工序:表面涂覆起作用有:提高強(qiáng)度,提高耐熱性,抗?jié)裥?延長壽命等,五.改善原型件的質(zhì)量方法,成型件的精度主要取決于二維(X-Y)平面的加工精度和高度(Z)方向上的疊加精度,可以控制到微米級的水平,因而加工精度很高.但不只是機(jī)型的原因,還有其他的原因,導(dǎo)致加工精度只能控制在毫米級.,下面是幾種主要造成誤差的原因: (1)CAD模型前處理造成的誤差 在早模型前及前處理階段,由于CAD是用有限的三角形的組合來逼近CAD模型表面的,從而回有一定的誤差,三角形越多,精度越高,但,控制處理數(shù)據(jù)增大,時間長,三角形數(shù)量越少,處理數(shù)據(jù)少,但加工精度不高.,(2)設(shè)備精度誤差 由于設(shè)備自身有一定的加工范圍以及其加工精度,對最后加工工件有一定的誤差 (3)成型過程中的誤差 不一致的約束 由于相臨兩層的輪廓有所不同,成型軌跡也不同,每層都要受到相臨層的約束,導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力,從而產(chǎn)生翹曲. 成型功率控制不恰當(dāng) 功率過大,回導(dǎo)致刮破前一層,同時會燒紙,機(jī)器壽命也降低,過小,黏結(jié)不好.,切去的網(wǎng)格尺寸的多樣性 網(wǎng)格線內(nèi)的材料要去掉,網(wǎng)格線的多樣性,尺寸的合理性,影響余料的去掉的難易程度和工件的精度. 工藝參數(shù)的不穩(wěn)定 溫度,壓力,功率,速度的不穩(wěn)定,導(dǎo)致層與層之間或同層不同位置成型狀況的差異,從而導(dǎo)致翹曲及或度不均勻.,(4)成型之后的誤差,主要有熱變形以及濕變形 熱變形:只要是因為在高溫下加工,由于紙和膠的熱脹系數(shù)的不同,導(dǎo)致冷卻到室溫后,會發(fā)生變形 濕變形:由于水分子的擴(kuò)散導(dǎo)致的變形 人為后處理導(dǎo)致的變形,六.提高精度的措施,1.前處理過程的控制:CAD模型的制備以及切片的控制,主要是切片的多少選擇. 2.模型的成型方向的選者,X-Y方向的精度比Z向好控制,故精度要求高的方向作為X-Y向. 3.切片網(wǎng)格線的設(shè)定,在保證易剝離廢料的前提下,減小網(wǎng)格線的長度. 4.濕熱變形可以用以下方法:成型完成后還施加一定的壓力,可以減少翹曲;充分冷卻后剝離廢料,讓廢料支撐工件,減少由于局部剛度不夠和結(jié)構(gòu)復(fù)雜引起的變形;即使進(jìn)行表面處理,增強(qiáng)制件的強(qiáng)度和防潮效果.,七.LOM快速成形技術(shù)的優(yōu)缺點,一 LOM快速成形技術(shù)的優(yōu)點 1.設(shè)備價格低廉（與SLA相比），采用小功率CO2激光器，成本低廉，使用壽命長，造型材料成本低。 2.由于只需要使激光束沿著物體的輪廓進(jìn)行切割，無需掃描整個斷面，所以這是一個高速的快速原型工藝。常用于加工內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單的大型零件，體積越大，效率越高。,LOM快速成形技術(shù)的優(yōu)點,3.加工后零件可以直接使用，無需進(jìn)行后固化； 4.無需設(shè)計和構(gòu)建支撐結(jié)構(gòu)； 5.易于使用，無環(huán)境污染； 6 .制件有較高的力學(xué)性能 ，可進(jìn)行切削加工； 7 .制件精度高； 8 .操作方便,LOM快速成形技術(shù)的缺點,1.不能直接制作塑料產(chǎn)品； 2.工件抗拉強(qiáng)度和彈性不好； 3.表面比較粗糙，工件表面有明顯的臺階紋，成型后要進(jìn)行打磨；且紙制零件很容易吸潮，必須立即進(jìn)行后處理、上漆； 4.難以構(gòu)建精細(xì)形狀的零件，即僅限于結(jié)構(gòu)簡單的零件。,LOM快速成形技術(shù)的缺點,5.由于難以（雖然并非不可能）去除里面的廢料，該工藝不宜構(gòu)建內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。 6.當(dāng)加工室的溫度過高時常有火災(zāi)發(fā)生，因此，工作過程中需要專職人員職守。,八.LOM快速成形技術(shù)的應(yīng)用,LOM快速原型工藝適合制作大中型原型件，翹曲變形較小，尺寸精度較高，成型時間較短，