第7章 薄材疊層快速成形技術(shù).ppt

思考題,LOM原型制造技術(shù)的原理、系統(tǒng)組成及各部分的主要作用？LOM原型制造技術(shù)是否需要支撐？并說明其原因LOM原型制造技術(shù)的優(yōu)缺點？LOM原型制造技術(shù)為什么必須后處理，并說明后處理注意事項。,逆向工程與快速成形技術(shù)ReverseEngineeringandRapidPrototypeTechnology,天津科技大學TianjinUniversityofScience&Technology,第6章薄材疊層快速成形技術(shù),LOM(LaminatedObjectManufacturing)SSM(SlicingSolidManufacturing)SOM(StratifiedObjectManufacturing)疊層實體制造,(LOM,registeredtrademarkbyHelisysofTorrance,California,USA),天津科技大學TianjinUniversityofScience&Technology,HighlightsofLaminatedObjectManufacturingLayersofglue-backedpaperformthemodel.Lowcost:Rawmaterialisreadilyavailable.Largeparts:Becausethereisnochemicalreactioninvolved,partscanbemadequitelarge.AccuracyinzislessthanthatforSLAandSLS.Nomillingstep.Outsideofmodel,cross-hatchingremovesmaterialModelsshouldbesealedinordertoprohibitmoisture.Beforesealing,modelshaveawood-liketexture.NotasprevalentasSLAandSLS.Prevalentadj.普遍的,流行的Readilyadv.樂意地,欣然,容易地,天津科技大學TianjinUniversityofScience&Technology,天津科技大學TianjinUniversityofScience&Technology,PROCESSES過程：Materialisusuallyapapersheetlaminatedwithadhesiveononeside,butplasticandmetallaminatesareappearing.Layerfabricationstartswithsheetbeingadheredtosubstratewiththeheatedroller.Thelaserthentracesouttheoutlineofthelayer.Non-partareasarecross-hatchedtofacilitateremovalofwastematerial.Oncethelasercuttingiscomplete,theplatformmovesdownandoutofthewaysothatfreshsheetmaterialcanberolledintoposition.Oncenewmaterialisinposition,theplatformmovesbackuptoonelayerbelowitspreviousposition.Theprocesscannowberepeated.,天津科技大學TianjinUniversityofScience&Technology,Theexcessmaterialsupportsoverhangsandotherweakareasofthepartduringfabrication.支撐Thecross-hatchingfacilitatesremovaloftheexcessmaterial.Oncecompleted,theparthasawood-liketexturecomposedofthepaperlayers.Moisturecanbeabsorbedbythepaper,whichtendstoexpandandcompromisethedimensionalstability.Therefore,mostmodelsaresealedwithapaintorlacquertoblockmoistureingress.后處理,特點,天津科技大學TianjinUniversityofScience&Technology,TheLOMdevelopercontinuestoimprovetheprocesswithsheetsofstrongermaterialssuchasplasticandmetal.Nowavailablearesheetsofpowdermetal(boundwithadhesive)thatcanproduceagreenpart.Thepartisthenheattreatedtosinterthematerialtoitsfinalstate.,最新進展,天津科技大學TianjinUniversityofScience&Technology,天津科技大學TianjinUniversityofScience&Technology,Theexcessmaterialsupportsoverhangsandotherweakareasofthepartduringfabrication.Thecross-hatchingfacilitatesremovaloftheexcessmaterial.Oncecompleted,theparthasawood-liketexturecomposedofthepaperlayers.Moisturecanbeabsorbedbythepaper,whichtendstoexpandandcompromisethedimensionalstability.Therefore,mostmodelsaresealedwithapaintorlacquertoblockmoistureingress.TheLOMdevelopercontinuestoimprovetheprocesswithsheetsofstrongermaterialssuchasplasticandmetal.Nowavailablearesheetsofpowdermetal(boundwithadhesive)thatcanproduceagreenpart.Thepartisthenheattreatedtosinterthematerialtoitsfinalstate.,天津科技大學TianjinUniversityofScience&Technology,原理：Laminated-objectmanufacturing(LOM)薄形材料選擇性切割，直譯名為“分層物體制造”。其成形系統(tǒng)由計算機、原材料存儲及其送進機構(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)、模型取出裝置和機架等組成。激光燒結(jié)系統(tǒng)按照計算機提取的橫截面輪廓線，逐一在工作臺上方的材料上切割出輪廓線，并將無輪廓去切割成小方網(wǎng)格，這是為了在成形之后能剔除廢料?？缮倒ぷ髋_支承正在成形的工件，并在每層成形后，降低一個材料厚度，以便送進、粘合和切割新的一層材料。特點：由于該工藝只能使用紙，塑料等片材，需要粘結(jié)，其成形件的強度等性能無法同SLA，F(xiàn)DM，SLS等工藝相比。成本價格上，無法與基于非激光技術(shù)的RP工藝競爭。LOM設備系統(tǒng)比較復雜，工作穩(wěn)定性不高,天津科技大學TianjinUniversityofScience&Technology,天津科技大學TianjinUniversityofScience&Technology,天津科技大學TianjinUniversityofScience&Technology,工藝原理,天津科技大學TianjinUniversityofScience&Technology,天津科技大學TianjinUniversityofScience&Technology,天津科技大學TianjinUniversityofScience&Technology,1、工藝過程,系統(tǒng)組成：它由計算機、原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)、模型取出裝置和機架等組成。計算機：用于接受和存儲工件的三維模型，沿模型的高度方向提取一系列的橫截面輪廓線，發(fā)出控制指令。原材料存儲及送進機構(gòu)：將底面有熱熔膠和添加劑的紙（原材料)，逐步送至工作臺的上方。熱粘壓機構(gòu)將一層層材料粘合在一起。激光切割系統(tǒng)按照計算機提取的橫截面輪廓線，逐一在工作臺上方的材料上切割出輪廓線，并將無輪廓區(qū)切割成小方網(wǎng)格，這是為了在成形之后能剔除廢料。,工藝過程,網(wǎng)格的大小據(jù)被成形件的形狀復雜程度選定，網(wǎng)格愈小，愈容易剔除廢料，但花費的時間較長。可升降工作臺支承正在成形的工件，并在每層成形之后，降低一個材料厚度(通常為0.10.2mm)，以便送進、粘合和切割新的一層材料。數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行計算機發(fā)出的指令，使一段段的材料逐步送至工作臺的上方，然后粘合、切割，最終形成三維工件。模型取出裝置用于方便地卸下已成形的模型。機架是整個機器的支撐。不需要單獨設計支撐。,3、數(shù)控系統(tǒng)基本的控制對象,數(shù)控系統(tǒng)基本控制對象為材料送進(R軸)、熱壓輥移動(H軸)、掃描與切割(X軸、y軸)、工作臺(Z軸)、溫控、激光能量控制等。這是一個兩級控制系統(tǒng)，由此產(chǎn)生了上、下位機。第一級的下位機負責完成運動軸閉環(huán)控制及信息反饋。這里實時切片厚度參數(shù)由智能模板CPU完成，并且由兩塊智能化控制模塊負責五軸伺服控制。第二級的上位機用于整個數(shù)控系統(tǒng)的集中管理，由工業(yè)控制計算機完成動態(tài)仿真、適時切片、鍵盤管理、信息處理、參數(shù)設置與顯示，并向控制計算機發(fā)送切片數(shù)據(jù)及控制命令。,4、材料處理系統(tǒng),1)原材料存儲及送進機構(gòu)設有材料撕斷報警器，當某種原因偶然造成材料撕斷時，停止送料直流電動機的轉(zhuǎn)動及后續(xù)工作循環(huán)。2）熱粘壓機構(gòu)由步進電動機、同步齒形帶、發(fā)熱板、熱壓板、溫控器及高度檢測器等組成。溫度設定值根據(jù)所采用材料的粘接溫度而定。3）高度檢測器固定在熱壓板的支架上，它的測量分辨率為2m。當熱壓板對工作臺上方的紙進行熱壓時，高度檢測器能精確測量正在成型的制件的實際高度，并將此數(shù)據(jù)及時反饋至計算機，然后據(jù)此高度對產(chǎn)品的三維模型進行切片處理，得到與上述高度完全對應的截面輪廓，從而可以較好地保證成型件在高度方向的輪廓形狀和尺寸精度。,5、激光切割系統(tǒng),激光切割系統(tǒng)由C02激光器、外光路、切割頭、x-y工作臺、驅(qū)動伺服電動機和排煙除塵裝置等組成。其中，激光器的功率為2050W，波長為10.5l0.7m(即l050010700nm，處于遠紅外波段)，配有1625W的冷卻器，產(chǎn)生的激光束穩(wěn)定，連續(xù)運行10個月時的功率波動僅為l0即5W)，保證使用壽命20000h。切割光斑的直徑為0.10.2mm，配上激光切割速度與切割功率的自動匹配控制后，光束能恰好切透正在成型的一層材料，而不會損傷已成型的下一層截面輪廓。切割頭由2臺伺服電動機驅(qū)動，能在x-y平面上作高速、精密掃描運動。x-y工作臺由精密滾珠絲杠傳動，用精密直線滾珠導軌導向，重復定位精度為l0m。,激光光束寬度(即切口寬度)的自動補償,6、分層實體成型與其它方法相比具有以下優(yōu)點：,1)制件精度高。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，無內(nèi)應力。制件在X和y方向的精度可達0.10.2mm，Z方向的精度可達0.20.3mm。2)分層實體制造中激光束只需按照分層信息提供的截面輪廓線切割而無需對整個截面進行掃描，且無需設計和制作支撐，所以制作效率高、速度快、成本低。結(jié)構(gòu)制件能承受高達200的溫度，有較高的硬度和較好的機械性能，可進行各種切削加工。,7、這種成型機也有不足之處：,1)工件(特別是薄壁件)的抗拉強度和彈性不夠好；2)工件易吸濕膨脹，成型后應盡快進行表面防潮處理；3)工件表面有臺階紋，其高度等于材料的厚度(通常為0.1mm左右)因此，成型后需進行表面打磨。根據(jù)以上介紹可知，這種方法最適合成型中、大型件，以及多種模具。,LOM快速成形加工的半成品,8、工藝后處理,后處理,涂覆后拋光,表面涂覆,原型疊層制作完畢后應注意如下幾點：,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塊冷卻時產(chǎn)生的熱翹曲變形。在成型過程中，如有較長時間的間斷，也應對疊層塊加壓，使其上表面始終保持平整，有助于預防繼續(xù)成型時的開裂。2)充分冷卻后剝離廢料。成型完成后，不立即剝離廢料，而讓工件在疊層塊內(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)復雜引起的較大變形。3)及時進行表面處理。為了防止工件吸濕膨脹，應及時對剛剝離廢料的工件進行表面處理。表面處理的方法主要是涂覆增強劑(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。,試驗證實：,未經(jīng)任何處理的疊層塊對水分十分敏感，水中浸泡lOmin，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原型是無法在水中使用的，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。,9、KINGRGY公司生產(chǎn)的紙基卷材,對于LOM成型材料的紙材，有以下要求,1)抗?jié)裥?。保證紙原料(卷軸紙)不會因時間長而吸水，從而保證熱壓過程中不會因水分的損失而產(chǎn)生變形及粘接不牢。紙的施膠度可用來表示紙張抗水能力的大小。2)良好的浸潤性。保證良好的涂膠性能。3)抗拉強度。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部分水分損失而導致變形，可用紙的伸縮率參數(shù)計量。5)剝離性能好。因剝離時破壞發(fā)生在紙張內(nèi)部，要求紙的垂直方向抗拉強度不是很大。6)易打磨，表面光滑。7)穩(wěn)定性。成型零件可長時間保存。,LOM制作實例,天津科技大學TianjinUniversityofScience&Technology,天津科技大學TianjinUniversityofScience&Technology,新加坡,LOM原型在制鞋業(yè)中的應用,美國WolverineWorldWide公司的鞋類產(chǎn)品無論在國際還是美國國內(nèi)市場都一直保持著旺盛的銷售勢頭，。Wolverine的設計師們首先設計鞋底和鞋跟的模型或圖形，從不同角度用各種材料產(chǎn)生三維光照模型顯示，這種高質(zhì)的圖像顯示使得在開發(fā)過程中能及早地排除任何看起來不好的裝飾和設計。鞋底和鞋跟的LOM模型非常精巧，為了使模型看起來更真實，可在LOM模型表面噴涂產(chǎn)生不同材質(zhì)效果。,每一種鞋底配上適當?shù)男婧笊a(chǎn)若干雙樣品，放到主要的零售店展示，以收集顧客的意見。根據(jù)顧客所反饋的意見，計算機能快速地修改模型。一旦設計通過，CAD中的數(shù)據(jù)便可用于制造批量生產(chǎn)的模具。這種將CAD技術(shù)與快速成型技術(shù)的結(jié)合，可顯著縮短該公司鞋類產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量及可靠性，提高系列模型的可重復性。,應用,Helisys公司與Dayton大學聯(lián)合開發(fā)復合材料的制造工藝。蘇格蘭的Dundee大學使用1000WC02激光切割1mm或2mm厚的鋼板，然后使用焊料或粘結(jié)劑堆積成型。