分層實體制造快速成型技術

1、分層實體制造(LOM)快速成型技術摘要：本文重點闡述了LOM成型技術的基本原理和一般工藝過程，并對分層實體制造成型精度的影響因素進行了詳細論述。關鍵詞：快速成型；分層實體制造；LOM1前言快速成型技術是20世紀80年代后期發(fā)展起來的先進制造技術之一。它涉及CAD/CAM技術、數(shù)據(jù)處理技術、材料技術、CNC技術、測試傳感器技術、激光技術和電腦軟件技術等，是各種高技術的綜合應用?？焖俪尚图夹g能快速地將任意復雜形狀的產(chǎn)品零件的電腦輔助設計模型(CAD模型)轉(zhuǎn)換為物理模型、零件原形甚至零件，無需采用專用工具和工裝；能自動、直接、快速、精確地將設計思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵?，從而可以直?/p>

2、用于新產(chǎn)品設計驗證、功能驗證、外觀驗證、工程分析、市場訂貨以及企業(yè)的決策等，從而大大提高了新產(chǎn)品開發(fā)的一次成功率，縮短了產(chǎn)品研制周期。目前，比較成熟的快速成型工藝方法已達十余種，得到廣泛應用的主要有如下幾種：光固化成型技術(SLA)、分層實體制造技術(LOM)、激光選區(qū)燒結技術(SLS)、熔融沉積技術(FDM)等快速成型技術1。其中，由于LOM技術的制造原型精度高，成型件質(zhì)量高、成本低的特點，特別適合于中、大型制件的快速成型。LOM技術作為一種快速、高效及低成本的RP系統(tǒng)在汽車、航空航天、通信電子領域及日用消費品、制鞋、運動器械等行業(yè)得到廣泛的應用。2分層實體制造技術的基本原理及其一般工藝過程

3、分層實體制造的工作原理分層實體制造(LOM)是被廣泛應用的一種快速成型工藝，其成型系統(tǒng)主要由電腦、原材料送進機構、熱壓裝置、激光切割系統(tǒng)、可升降工作臺和數(shù)控系統(tǒng)等組成。其工作原理如下：在CAD軟件系統(tǒng)上建立產(chǎn)品的三維CAD模型，并傳遞到快速成型系統(tǒng)上的電腦，通過數(shù)據(jù)處理軟件，將CAD模型沿成型方向切成一系列具有一定厚度的“薄片”。原材料送進機構將底面涂有熱熔膠和添加劑的紙或塑料等薄層材料送至工作臺的上方。電腦自動控制激光切割系統(tǒng)，按“薄片”的橫截面輪廓線，在工作臺上方的薄層材料上切割出該層橫截面的輪廓形狀，并將材料的無輪廓區(qū)切割成小碎片。可升降工作臺支撐正在成型的零件，并在每層成型之后，降低一

4、個分層厚度，然后新的一層材料疊加在上面。通過包溫控制的熱壓裝置將其與下面的己切割層粘合在一起，激光束再次切割出物體的新一層截面輪廓，如此往復，層層堆積，直到所有的層都加工完后，便得到最終需要的三維產(chǎn)品2。其工作原理如圖1所示。脫材料存餡發(fā)送進職構鬲此器計算機眺牯壓機何圖1LOM工藝的成型原理圖2分層實體制造的一般工藝過程LOM成型的一般工藝過程大致如下：(1) 料帶移動，使新的料帶移到工件上方。(2) 工作臺往上升，同時熱壓輾移到工件上方，工件頂起新的料帶，工作臺停止移動，熱壓輾來回碾壓新的薄材材料，將最上面一層的新材料與下面已成型的工件部分粘結起來，添加一新層。(3) 系統(tǒng)根據(jù)工作臺停止的位

5、置，測出工件的高度，并反饋回電腦，電腦根據(jù)當前零件的加工高度，計算出三維實體模型的交截面。交截面的輪廓信息輸入到控制系統(tǒng)中，控制CO2激光器沿截面輪廓切割。激光的功率設置在只能切透一層材料的功率值上。輪廓內(nèi)、外面無用的材料用激光切成方形的網(wǎng)格，以便工藝完成后別離。(4) 工作臺向下移動，使剛切下的新層與料帶別離。(5) 料帶移動一段比切割下的工件截面稍長一點的距離，并繞在復卷輾上。(6) 重復上述過程，直到最后一層。別離掉無用碎片，得到三維實體。LOM成型的工藝過程如圖2所示疊加一層新材料熱粘壓工作臺下降切割圖2LOM成型過程示意圖3LOM技術的特點是制造的原型精度高，分層實體制造中激光束只需

6、按照分層信息提供的截面輪廓，而不用掃描整個截面，且無需設計和制作支撐，所以制作效率高、速度快、成本低。結構制件能承受高達200C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。缺點是由丁材料質(zhì)地原因，加工的原型抗拉性能和彈性不高，易吸濕膨脹，需進行外表防潮處理。3分層實體制造成型精度分析成型系統(tǒng)對成型精度的影響高度傳感器的測量誤差。高度傳感器用丁測量熱壓后紙面的實時高度，并將此數(shù)據(jù)反饋給電腦并進行轉(zhuǎn)換，一方面，使當前要切割的紙面正好處丁焦平面上，另外,根據(jù)此數(shù)據(jù)調(diào)用相應高度處的分層截面數(shù)據(jù)(為了滿足高度的要求，有可能忽略掉某層或某幾層截面的加工)，或者計算切片高度，進行實時切片，得到

7、對應的切片輪廓。因此，高度傳感器的精度會直接影響成型件的加工精度。此外，由丁高度傳感器安裝在X向熱壓板的中間，所以只能測得成型件X方向中間位置附近處的高度值，而不能對整個成型件的上外表進行測量，同時，側(cè)量的準確性還受溫度和機械振動等的影響，這些都會導致成型件的尺寸和形狀誤差4。熱壓板外表溫度分布不均勻?qū)е碌恼`差。由丁熱壓板外表溫度沿x向分布不可能很均勻，同時，升降工作臺與z軸的垂直度誤差引起成型件上外表高度不一致，這些因素使膠的最高熱壓溫度分布不均勻，導致膠厚分布不均勻，從而影響z向尺寸精度4。切片方式對成型精度的影響理想的分層方法應是沿成型方向?qū)⑷SCAD模型分解為一系列精確的層片，即每個層

8、片不僅具有內(nèi)外輪廓線，還具有三維幾何特征，使該層片的側(cè)面與三維CAD模型對應位置處的幾何特征完全一致。然而在實際成型中，不能采用理想的分層方法，其主要原因在于：（1）理想分層后每個層片仍具有三維幾何特征，不能用二維數(shù)據(jù)進行精確描述，因而在生成數(shù)控程序方面，將由簡單的兩坐標數(shù)控加工問題轉(zhuǎn)變?yōu)楸容^復雜的四坐標或五坐標數(shù)控加工問題；（2）具體的工藝難于保證層片厚度方向的輪廓形狀，因為對于激光切割系統(tǒng)來說，需要激光加工頭能繞X和Y軸擺動，以便沿輪廓曲線進行切割。因此，每一層片只能用直壁層片近似，用二維特征截面近似代替整個層片的幾何輪廓信息。LOM成型工藝中，有以下兩種分層方法： 定層厚分層。根據(jù)所選定

9、的分層厚度（一般為紙的名義厚度）一次性對三維CAD模型或STL格式化模型進行切片處理，將各層的數(shù)據(jù)存貯在相應的數(shù)據(jù)文件中，電腦順序調(diào)用各層的數(shù)據(jù)至數(shù)控卡，控制成型機完成原型的制作。這種分層方法比較簡單，但紙厚的累積誤差導致成型件Z向尺寸精度無法控制。如果安裝Z方向高度實時檢測反饋控制系統(tǒng)，雖然能控制成型件最終的Z向尺寸，但乂不能保證成型件每一高度處的截面輪廓完全符合CAD模型或STL模型相應高度處的截面輪廓，因為在加工過程中，為了滿足高度的要求，對于某些層片數(shù)據(jù)將不會加工。 實時測厚，實時分層。對升降工作臺采用閉環(huán)控制，根據(jù)成型件當前層的實測高度，對CAD模型或STL模型進行實時分層，以獲取相

10、應截面的數(shù)據(jù)。這不僅能較真實地反映模型相應高度處的截面輪廓，而且可以消除紙厚的累積誤差對零件Z向尺寸精度的影響5。另外，對于某些快速成型工藝如FDM工藝等，還可采用變層厚分層（乂稱自適應切片方法），即根據(jù)CAD模型的外表幾何信息（曲率和斜率）及給定的誤差要求自動調(diào)整分層厚度。但這種自適應切片方法對LOM工藝來說不適合，因為LOM工藝的成型材料為固定厚度的紙。光路系統(tǒng)偏差對成型精度的影響圖3中，5與6表示聚焦凸鏡上有兩個激光光斑，A向表示沿Z軸自下而上觀察所得。假定光斑5為當激光頭在原點。處時激光照射在凸鏡上的位置，而光斑6為激光頭運動到成型空間與原點成對角的另一點D處（如400mmx600rn

11、m坐標處）時激光照射在凸鏡上的位置。這說明在掃描加工范圍內(nèi)光路系統(tǒng)有偏差，因而當激光頭分別位丁O、D兩點時，激光束經(jīng)過傳輸后在聚焦鏡上的位置并不重合在一起，而且它們也并沒有位丁聚焦鏡的中心位置。這樣，必將引起成型零件的尺寸誤差，用圖4所示的Y方向尺寸誤差及X方向平面不平行度來表示光路系統(tǒng)偏移所引起的誤差。實際上，只要激光束在聚焦鏡上不重合，就會同時引起X、Y兩個方向的尺寸和形狀誤差。激光光斑在聚焦鏡上不重合還會使聚焦后的焦點不在同一個水平面內(nèi)，即形成的焦平面為曲面形狀，這樣，在零件的掃描加工范圍內(nèi)會使激光切割點處的光斑直徑大小發(fā)生變化，這必然會降低切口的精度，因而影響成型零件的尺寸和形狀精度。

12、圖3分層實體制造激光光路與掃描范圍圖6圖4光斑不重合時引起的Y向尺寸誤差及X向平面不平行度6成型材料的熱、濕變形對成型精度的影響目前，影響LOM快速成型系統(tǒng)精度最大的因素是加工過程中材料的冷卻翹曲和吸濕生長，即熱、濕變形，表現(xiàn)為成型件的翹曲、扭曲、開裂等。熱、濕變形是影響LOM工藝成型精度最關鍵也是最難控制的因素之一'5°LOM工藝的成型材料主要為涂覆紙，存在因熱壓板熱壓和激光切割時傳遞給零件的熱量而引起的熱變形，因為紙和熱熔膠的熱膨脹系數(shù)相差較大，加熱后膠迅速熔化膨脹，而紙的變形相對較?。辉诶鋮s過程中，紙和膠的不均勻收縮，使成型件產(chǎn)生熱翹曲、扭曲變形。廢料小方格剝離后，成型

13、件的熱內(nèi)應力還會引起某些部位開裂。LOM成型件是由復合材料疊加而成的，其濕變形遵守復合材料的膨脹規(guī)律。實驗研究說明，當水分在疊層復合材料的側(cè)向開放外表聚集之后，將立即以較大的擴散速度通過膠層界面，由較疏松的纖維組織進入膠層，使成型件產(chǎn)生濕脹，損害連接層的結合強度，導致成型件變形甚至開裂5。通過改良熱熔膠的涂覆方法、改良成型件的后處理方法及根據(jù)成型件的熱變形規(guī)律，預先對CAD模型進行修正，可減少熱、濕變形對成型精度的影響。LOM工藝參數(shù)設置對成型精度的影響LOM在制作原型件時，整個成型過程是自動完成的，但LOM成型件的精度與操作者的知識及經(jīng)驗有著很大的關系，需要對系統(tǒng)工藝參數(shù)進行精確設置7。多功

14、能快速成型設備LOM工藝的標稱精度為：土，而美國Helisy公司的LOM-2030H系統(tǒng)的標稱精度為：X和Y方向0.1%;Z方向0.2%。實際上由于LOM工藝固有的特點，LOM制件在成型后的數(shù)小時內(nèi)在Z方向上會有12%的尺寸回彈7,為了控制成型件的精度，需要在設定系統(tǒng)參數(shù)時對該因素進行修正。分層實體制造中需利用激光束經(jīng)聚焦后來切割薄層材料（如紙張），激光光斑具有一定的直徑（Qmmmm）,而切片軟件產(chǎn)生的截面輪廓線是激光束的理論軌跡線，激光束可看作數(shù)控加工中的刀具，其光斑需要進行半徑補償，尤其當激光光斑半徑比較大時，半徑補償就更為必要，否則，它將直接影響切片截面輪廓線的精度，從而影響整個成型件的

15、精度。因此，在激光切割過程中，激光光斑中心的運動軌跡不能是實體截面的實際輪廓線，而應根據(jù)輪廓線邊界的內(nèi)外性，使光斑中心向內(nèi)邊界的內(nèi)側(cè)或外邊界的外側(cè)偏移一個光斑半徑的距離，這個偏移就是對激光光斑的半徑補償。在LOM工藝參數(shù)設置方面，還需要著重考慮切割速度與激光輸出功率的實時匹配問題。在實際加工過程中，每層輪廓線的切割加工都是由激光束與薄層材料相互作用完成的，由于激光束作用在薄層材料上的能量不均勻，會導致粗細不均的輪廓線，使得截面上有些輪廓線沒有被切割斷，而另一些卻出現(xiàn)“過燒”現(xiàn)象。前者使廢料小方格與成型件實體不易別離，影響到原型的外表質(zhì)量；而后者在輪廓“過燒”處的尺寸將出現(xiàn)較大的偏差，從而影響原

16、型的尺寸精度，另外，“過燒”會對前一層已成型的紙進行切割，嚴重時會切透，產(chǎn)生過切割，因而也影響到原型的外表質(zhì)量。所以，只有切割速度和激光的輸出功率較好地匹配，才能保證不因激光的輸出功率過高而導致材料的“過燒”，或激光的輸出功率過低而使材料切不透，從而保證良好的切割質(zhì)量。影響LOM原型成型質(zhì)量的因素很多，除了掃描速度與激光功率外，主要的還有成型材料本身的物理化學性質(zhì)，成型時熱壓輾的溫度、壓力以及熱壓速度。因此，要在大程度上提高LOM原型的質(zhì)量，應該對各參數(shù)對LOM原型的成型質(zhì)量的影響進行比較全面的研究，由此才能建立適用性更廣的控制模型，并且設計的參數(shù)匹配控制系統(tǒng)將在更大范圍內(nèi)適用。4展望隨著全球

17、市場一體化的形成，制造業(yè)的競爭愈演愈烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代加速，迫切需要采用先進的創(chuàng)新手段。用傳統(tǒng)的方法制造物理原型時，通常需要使用多種機床設備和模具，既費時乂費錢，快速成型RP技術的出現(xiàn)，可以在不需要任何刀具、模具及工裝卡具的情況下，實現(xiàn)任意復雜形狀的新產(chǎn)品樣件的快速制造。而LOM系統(tǒng)作為比較流行的RP系統(tǒng)之一有其獨特的優(yōu)點，其應用領域和應用途徑日益廣泛，必將給制造業(yè)帶來巨大的效益。1 參考文獻孫大涌.先進制造技術M.北京：機械工業(yè)出版社，.2 劉光富.快速成型與快速制模技術M.上海：同濟大學出版社，2004.3 劉偉軍.快速成型技術及應用M.北京：機械工業(yè)出版社，2005.4 黃旗明.快速成形LOM精度控制研究J.機械與電子，1998,(3):34-35.5 陶明元，韓明.LOM