疊層實(shí)體快速成型工藝

1、第三章 疊層實(shí)體快速成型工藝疊層實(shí)體快速成型工藝 快速成型與快速模具制造技術(shù)及其應(yīng)用快速成型與快速模具制造技術(shù)及其應(yīng)用機(jī)械工業(yè)出版社（第三版）機(jī)械工業(yè)出版社（第三版） 疊層實(shí)體制造技術(shù)（laminated object manufacturing，lom）是幾種最成熟的快速成型制造技術(shù)之一。這種制造方法和設(shè)備自1991年問世以來，得到迅速發(fā)展。由于疊層實(shí)體制造技術(shù)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(guān)注，在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)可視化、造型設(shè)計(jì)評(píng)估、裝配檢驗(yàn)、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(yīng)用

2、。 第三章第三章 疊層實(shí)體快速成型工藝疊層實(shí)體快速成型工藝12疊層實(shí)體快速成型的材料與設(shè)備疊層實(shí)體快速成型的材料與設(shè)備疊層實(shí)體快速成型的工藝過程疊層實(shí)體快速成型的工藝過程疊層實(shí)體制造工藝的基本原理和特點(diǎn)疊層實(shí)體制造工藝的基本原理和特點(diǎn)3654提高疊層實(shí)體成型制作質(zhì)量的措施提高疊層實(shí)體成型制作質(zhì)量的措施新型疊層實(shí)體快速成型工藝方法新型疊層實(shí)體快速成型工藝方法疊層實(shí)體制造工藝后置處理中的表面涂覆疊層實(shí)體制造工藝后置處理中的表面涂覆第三章第三章 疊層實(shí)體快速成型工藝疊層實(shí)體快速成型工藝1.疊層實(shí)體快速成型工藝的基本原理疊層實(shí)體快速成型工藝的基本原理 第一節(jié) 疊層實(shí)體制造工藝的基本原理和特點(diǎn) 由計(jì)算機(jī)

3、、材料存儲(chǔ)及送進(jìn)機(jī)構(gòu)、熱粘壓機(jī)構(gòu)、激光切割系統(tǒng)、可升降工作臺(tái)和數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)架等組成。首先在工作臺(tái)上制作基底，工作臺(tái)下降，送紙滾筒送進(jìn)一個(gè)步距的紙材，工作臺(tái)回升，熱壓滾筒滾壓背面涂有熱熔膠的紙材，將當(dāng)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(dāng)前層面的輪廓控制激光器進(jìn)行層面切割，逐層制作，當(dāng)全部迭層制作完畢后，再將多余廢料去除。圖圖3-1 疊層實(shí)體制造技術(shù)的原理簡圖疊層實(shí)體制造技術(shù)的原理簡圖圖圖3-2 截面輪廓及網(wǎng)格廢料截面輪廓及網(wǎng)格廢料 在疊層實(shí)體快速成型機(jī)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。

4、第一節(jié) 疊層實(shí)體制造工藝的基本原理和特點(diǎn)原材料價(jià)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(shè)計(jì)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(qiáng)度和彈性不夠好 工件易吸濕膨脹 工件表面有臺(tái)階紋，需打磨 熱物性與機(jī)械性能好，可實(shí)現(xiàn)切削加工精度高第一節(jié) 疊層實(shí)體制造工藝的基本原理和特點(diǎn)2.疊層實(shí)體快速成型技術(shù)的特點(diǎn)疊層實(shí)體快速成型技術(shù)的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備可靠性好，壽命長操作方便缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：12疊層實(shí)體快速成型的材料與設(shè)備疊層實(shí)體快速成型的材料與設(shè)備疊層實(shí)體快速成型的工藝過程疊層實(shí)體快速成型的工藝過程疊層實(shí)體制造工藝的基本原理和特點(diǎn)疊層實(shí)體制造工藝的基本原理和特點(diǎn)365

5、4提高疊層實(shí)體快速成型制作質(zhì)量的措施提高疊層實(shí)體快速成型制作質(zhì)量的措施新型疊層實(shí)體快速成型工藝方法新型疊層實(shí)體快速成型工藝方法疊層實(shí)體制造工藝后置處理中的表面涂覆疊層實(shí)體制造工藝后置處理中的表面涂覆第三章第三章 疊層實(shí)體快速成型工藝疊層實(shí)體快速成型工藝1.疊層實(shí)體快速成型材料疊層實(shí)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：紙的性能要求： 1）抗?jié)裥?2）良好的浸潤性 3）抗拉強(qiáng)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(shí)體快速成型的材料和設(shè)備 熱熔膠：熱熔膠： 1）良好的熱熔冷固性（約70100開始熔

6、化，室溫下固化）。 2）在反復(fù)“熔融固化”條件下，具有較好的物理化學(xué)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(qiáng)度。 5）良好的廢料分離性能。 涂布工藝：涂布工藝： 涂布工藝有涂布形狀和涂布厚度兩個(gè)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(jìn)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(yīng)力集中，但涂布設(shè)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(cuò)移。第二節(jié) 疊層實(shí)體快速成型的材料和設(shè)備第二節(jié) 疊層實(shí)體快速成

7、型的材料和設(shè)備新加坡新加坡kinergy公司的紙材公司的紙材第二節(jié) 疊層實(shí)體快速成型的材料和設(shè)備美國美國cubic technologies 公司的薄材公司的薄材2. 疊層實(shí)體快速成型制造設(shè)備疊層實(shí)體快速成型制造設(shè)備圖圖3-3 helisys公司的公司的lom-2030機(jī)型機(jī)型第二節(jié) 疊層實(shí)體快速成型的材料和設(shè)備圖圖3-4 solidimension 公司開發(fā)的公司開發(fā)的sd 300 疊層打印機(jī)疊層打印機(jī)第二節(jié) 疊層實(shí)體快速成型的材料和設(shè)備圖圖3-5 sd300 疊層打印機(jī)耗材配件及制作的模型疊層打印機(jī)耗材配件及制作的模型第二節(jié) 疊層實(shí)體快速成型的材料和設(shè)備圖圖3-6 hrp系列薄材疊層快速成

8、型機(jī)系列薄材疊層快速成型機(jī)第二節(jié) 疊層實(shí)體快速成型的材料和設(shè)備第二節(jié) 疊層實(shí)體快速成型的材料和設(shè)備12疊層實(shí)體快速成型的材料與設(shè)備疊層實(shí)體快速成型的材料與設(shè)備疊層實(shí)體快速成型的工藝過程疊層實(shí)體快速成型的工藝過程疊層實(shí)體制造工藝的基本原理和特點(diǎn)疊層實(shí)體制造工藝的基本原理和特點(diǎn)3654提高疊層實(shí)體快速成型制作質(zhì)量的措施提高疊層實(shí)體快速成型制作質(zhì)量的措施新型疊層實(shí)體快速成型工藝方法新型疊層實(shí)體快速成型工藝方法疊層實(shí)體制造工藝后置處理中的表面涂覆疊層實(shí)體制造工藝后置處理中的表面涂覆第三章第三章 疊層實(shí)體快速成型工藝疊層實(shí)體快速成型工藝第三節(jié) 疊層實(shí)體快速成型的工藝過程 分分層層疊疊加加前前處處理理后后

9、處處理理stl文件文件 切片處理切片處理 設(shè)置工藝參數(shù)設(shè)置工藝參數(shù) 基底制作基底制作 原型制作原型制作 余料去除余料去除 表面質(zhì)量處理表面質(zhì)量處理 提高強(qiáng)硬度處理提高強(qiáng)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 12疊層實(shí)體快速成型的材料與設(shè)備疊層實(shí)體快速成型的材料與設(shè)備疊層實(shí)體快速成型的工藝過程疊層實(shí)體快速成型的工藝過程疊層實(shí)體制造工藝的基本原理和特點(diǎn)疊層實(shí)體制造工藝的基本原理和特點(diǎn)3654提高疊層實(shí)體快速成型制作質(zhì)量的措施提高疊層實(shí)體快速成型制作質(zhì)量的措施新型疊層實(shí)體快速成型工藝方法新型疊層實(shí)體快速成型工藝方法疊層實(shí)體制造工藝后置處理中的表面涂覆疊層實(shí)體制造工藝后置處理中

10、的表面涂覆第三章第三章 疊層實(shí)體快速成型工藝疊層實(shí)體快速成型工藝第四節(jié) 提高疊層實(shí)體成型制作質(zhì)量的措施1. 疊層實(shí)體原型制作誤差分析疊層實(shí)體原型制作誤差分析 弦差弦差cad模型stl文件輸出造成的誤差切片軟件stl文件輸入設(shè)置造成的誤差設(shè)備精度誤差激光頭的運(yùn)動(dòng)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(dāng) 切碎網(wǎng)格尺寸 工藝參數(shù)不穩(wěn)定 x、y軸系導(dǎo)軌垂直度，z軸與工作臺(tái)面垂直度 在進(jìn)行stl轉(zhuǎn)換時(shí)，可以根據(jù)零件形狀的不同復(fù)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

11、范圍是0.010.05mm，ug所選用的范圍是0.020.08mm，如果零件細(xì)小結(jié)構(gòu)較多可將轉(zhuǎn)換精度設(shè)高一些。 2. 提高疊層實(shí)體原型制作精度的措施提高疊層實(shí)體原型制作精度的措施 1 stl文件輸出精度的取值應(yīng)與相對(duì)應(yīng)的原型制作設(shè)備上切片軟件的精度相匹配。過大會(huì)使切割速度嚴(yán)重減慢，過小會(huì)引起輪廓切割的嚴(yán)重失真。2cad stl 精度：0.08切片軟件精度：0.08 cad stl 精度：0.08切片軟件精度：0.01 cad stl 精度：0.08切片軟件精度：2 .00 第四節(jié) 提高疊層實(shí)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(qiáng)度等）、材料成本和制作時(shí)間產(chǎn)生很

12、大的影響。應(yīng)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(yīng)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(shè)定。當(dāng)原型形狀比較簡單時(shí)，可以將網(wǎng)格尺寸設(shè)大一些，提高成型效率；當(dāng)形狀復(fù)雜或零件內(nèi)部有廢料時(shí)，可以采用變網(wǎng)格尺寸的方法進(jìn)行設(shè)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(shí)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(jìn)后處理方法；根據(jù)制件的熱變形規(guī)律預(yù)先對(duì)cad模型進(jìn)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(shí)進(jìn)行表面處

13、理（涂覆增強(qiáng)劑如強(qiáng)力膠、環(huán)氧樹脂漆或聚氨酯漆等，有助于增加制件的強(qiáng)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(duì)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(dá)164g，說明未經(jīng)處理的lom原型是無法在水中進(jìn)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(jìn)行防濕處理。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，涂漆起到了明顯的防濕效果。在相同浸水時(shí)間內(nèi)，疊層方向僅增長3mm，吸水重量僅4g。當(dāng)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(shí)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(yàn)：原型

14、的吸濕性及涂漆防濕效果試驗(yàn)：12疊層實(shí)體快速成型的材料與設(shè)備疊層實(shí)體快速成型的材料與設(shè)備疊層實(shí)體快速成型的工藝過程疊層實(shí)體快速成型的工藝過程疊層實(shí)體制造工藝的基本原理和特點(diǎn)疊層實(shí)體制造工藝的基本原理和特點(diǎn)3654提高疊層實(shí)體快速成型制作質(zhì)量的措施提高疊層實(shí)體快速成型制作質(zhì)量的措施新型疊層實(shí)體快速成型工藝方法新型疊層實(shí)體快速成型工藝方法疊層實(shí)體制造工藝后置處理中的表面涂覆疊層實(shí)體制造工藝后置處理中的表面涂覆第三章第三章 疊層實(shí)體快速成型工藝疊層實(shí)體快速成型工藝 第五節(jié) 疊層實(shí)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(duì)原型進(jìn)行表面涂覆處理，

15、表面涂覆的好處有： （1）提高強(qiáng)度； （2）提高耐熱性； （3）改進(jìn)抗?jié)裥裕?（4）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(yàn)。 紙材的最顯著缺點(diǎn)是對(duì)濕度極其敏感，lom原型吸濕后疊層方向尺寸增長，嚴(yán)重時(shí)疊層會(huì)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(yīng)迅速進(jìn)行密封處理。表面涂覆可以實(shí)現(xiàn)良好的密封，而且同時(shí)可以提高原型的強(qiáng)度和抗熱抗?jié)裥浴?. 表面涂覆的必要性表面涂覆的必要性（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表面涂覆的工藝過程 第五節(jié) 疊層實(shí)體制造工藝后處理中的表面涂覆（2）按規(guī)

16、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(huì)很容易浸入紙基的原型中，浸入的深度可以達(dá)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(shí)間固化，如圖所示： 第五節(jié) 疊層實(shí)體制造工藝后處理中的表面涂覆（5）對(duì)表面已經(jīng)涂覆了堅(jiān)硬的環(huán)氧樹脂材料的原型再次用砂紙進(jìn)行打磨，打磨之前和打磨過程中應(yīng)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(duì)原型表面進(jìn)行拋光，達(dá)到無劃痕的表面質(zhì)量之后進(jìn)行透明涂層的噴涂，以增加表面的外觀效果，

17、如圖所示。 第五節(jié) 疊層實(shí)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(qiáng)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(jìn)行尺寸穩(wěn)定性的檢測，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示： 第五節(jié) 疊層實(shí)體制造工藝后處理中的表面涂覆第六節(jié) 新型疊層實(shí)體快速成型工藝方法 傳統(tǒng)的疊層實(shí)體快速成型工藝后處理時(shí)余料去除的工作量是比較繁重和費(fèi)時(shí)的，尤其是對(duì)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(shí)甚至是難以實(shí)現(xiàn)。 ennex公司提出了一種新型疊層實(shí)體快速成型工藝方法，稱為“offset fabrication”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

18、層材料，下面的薄層材料是襯材。雙層薄材在疊層之前進(jìn)行輪廓切割，將疊層材料層按照當(dāng)前疊層的輪廓進(jìn)行切割，然后進(jìn)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(dāng)前疊層的余料。圖圖3-17 offset fabrication 疊層實(shí)體快速成型工藝方法原理疊層實(shí)體快速成型工藝方法原理（1）offset fabrication 疊層實(shí)體快速成型工藝方法原理疊層實(shí)體快速成型工藝方法原理圖圖3-18 offset fabrication 法存在的問題法存在的問題 當(dāng)當(dāng)前疊層的去除面積大于保留的疊層面積時(shí)，余料經(jīng)常會(huì)滯留在當(dāng)前疊層上。比如，成型圖3-18a所示的灰色疊層，進(jìn)行了圖b輪廓

19、切割，然后按照?qǐng)Dc粘接在一起。當(dāng)襯層材料移開時(shí)，卻未能像預(yù)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(shí)體快速成型工藝方法（2）offset fabrication 法的缺陷法的缺陷 針對(duì)“offset fabrication”方法存在的上述問題，inhaeng cho提出了另外一種新的疊層實(shí)體快速原型工藝方法。inhaeng cho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(shí)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(jìn)

20、進(jìn)行與原來制作好的疊層實(shí)現(xiàn)粘結(jié)，之后，進(jìn)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(gè)過程分為如下6步：圖圖3-19 新工藝方法中疊層建造步驟新工藝方法中疊層建造步驟第六節(jié) 新型疊層實(shí)體快速成型工藝方法（3）inhaeng cho 新型疊層實(shí)體快速成型法新型疊層實(shí)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(shí)體快速成型機(jī)按三維計(jì)算機(jī)模型進(jìn)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(shí)體制造工藝的應(yīng)用示例 根據(jù)某車燈設(shè)計(jì)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(shí)體快速成型機(jī)按三維計(jì)算機(jī)模型進(jìn)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(shí)體制造工藝的應(yīng)用示例