分層實(shí)體制造技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

1、分層實(shí)體制造（LOM）技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用摘要：分層實(shí)體制造技術(shù)是快速成型技術(shù)之一。該技術(shù)屬于先進(jìn)制造技術(shù)，它以 CAD/CAM 技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)等為基礎(chǔ)，能夠以較快的速度將計(jì)算機(jī)實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為具有一定結(jié)構(gòu)功能的產(chǎn)品原型，或直接制造出零件。本文論述了分層實(shí)體制造（LOM）技術(shù)的原理，并說明了它的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用。關(guān)鍵詞：分層實(shí)體制造；快速成型；原理；研究現(xiàn)狀；應(yīng)用1. 引言人類社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入 21 世紀(jì)，傳統(tǒng)的制造業(yè)也面臨著新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。一方面，世界經(jīng)濟(jì)全球化，企業(yè)面臨著來自全球市場(chǎng)的激烈競爭，必須快速創(chuàng)造和把握商機(jī)而求生存，產(chǎn)品的市場(chǎng)響應(yīng)速度成為企業(yè)戰(zhàn)略的第一要素。另一方面，消費(fèi)者

2、需求日益?zhèn)€性化、多元化和主體化，消費(fèi)者興趣的短時(shí)效性顯著，企業(yè)需要的是以小批量甚至單件生產(chǎn)、高精度、多品種及產(chǎn)品幾何形狀復(fù)雜、不增加成本的柔性生產(chǎn)模式，用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的大量生產(chǎn)模式。因此，快速靈活地響應(yīng)市場(chǎng)需求已是制造業(yè)發(fā)展的重要走向。與此同時(shí)，制造業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)重要支柱，其制造技術(shù)水平的高低也體現(xiàn)和決定了一個(gè)國家的綜合科技水平，必須不遺余力地開發(fā)各種先進(jìn)制造技術(shù)，提高制造工業(yè)的發(fā)展水平，增強(qiáng)國際市場(chǎng)競爭能力。以計(jì)算機(jī)、微電子、激光、自動(dòng)化、信息、新材料等為代表的各種高新技術(shù)的普及應(yīng)用，為各種新的制造技術(shù)和制造模式的層出不窮并不斷發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?？焖僭椭圃旒夹g(shù)（Rapid Prototy

3、ping & Manufacturing，簡稱 RPM），正是在這一背景下產(chǎn)生的，它綜合了上述各種高新技術(shù)最新發(fā)展，被廣泛用于制作產(chǎn)品原型和模具，能自動(dòng)、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變成一定功能的產(chǎn)品原型或直接制造零件，給制造業(yè)帶來了加工方式上的根本上的變化，對(duì)縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、減少產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用，提高企業(yè)競爭力有重要作用。RPM 技術(shù)發(fā)展初期，大都采用樹脂、ABS、尼龍、紙、陶瓷粉末等材料制造原型零件用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)評(píng)估、功能實(shí)驗(yàn)及快速開發(fā)等。隨著其應(yīng)用領(lǐng)域逐漸地?cái)U(kuò)大到汽車、機(jī)械工程等行業(yè)，上述材料已經(jīng)不能滿足功能原型或功能零件在機(jī)械、力學(xué)等性能方面的要求，因此必須采用金屬為造型材料制造可以直

4、接投入使用的最終用途零件，這也是當(dāng)今 RP/M 技術(shù)的研究熱點(diǎn)14。金屬基陶瓷粉末、金屬復(fù)合材料粉末、金屬板材、錫箔等都可以用來做造型材料，其中利用金屬板材作造型材料的分層實(shí)體制造（LOM）是一個(gè)實(shí)現(xiàn)金屬功能零件快速制造的有效方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。2. 分層實(shí)體制造分層實(shí)體制造的工作原理是（參見圖1）：首先將涂有熱熔膠的紙通過熱壓輥的碾壓作用與前一層紙粘結(jié)在一起，然后讓激光束按照對(duì) CAD 模型分層處理后獲得的截面輪廓數(shù)據(jù)對(duì)當(dāng)前層的紙進(jìn)行截面輪廓掃描切割，切割出截面的對(duì)應(yīng)輪廓，并對(duì)當(dāng)前層的非截面輪廓部分切割成網(wǎng)格狀，然后使工作臺(tái)下降，再將新的一層紙鋪在前一層的上面，再通過熱壓輥碾壓，使當(dāng)前

5、層的紙與下面已切割的層粘接在一起，再次由激光束進(jìn)行掃描切割。如此反復(fù)，直到切割出所有各層的輪廓。分層實(shí)體制造中，不屬于截面輪廓的紙片以網(wǎng)格狀保留在原處，起著支撐和固化的作用5, 6。分層實(shí)體制造工藝的主要特點(diǎn)為：（1）成型速率較高。由于該工藝不需要激光束掃描整個(gè)模型截面，只需切割出內(nèi)外輪廓等，所以加工時(shí)間主要取決于零件的尺寸及其復(fù)雜程度，（2）不需要進(jìn)行支撐設(shè)計(jì)，所以前期處理的工作量小。分層實(shí)體制造工藝的缺點(diǎn)是：（1）由于其工藝特點(diǎn)所致，因此制造出的原型在各方向的機(jī)械性能有顯著的不同，（2）完成加工后，還需要手工清除無用的碎塊，較為費(fèi)時(shí)費(fèi)工，（3）由于原材料的原因，所以應(yīng)用范圍受到一定的影響。

6、圖1 LOM技術(shù)工作原理圖Fig. 1 Working principle diagram of LOM technique3. LOM 成型機(jī)成型流程剖析圖1介紹了 LOM 成型機(jī)的工作原理。為設(shè)計(jì) LOM 成型機(jī)，需要進(jìn)一步了解 LOM 成型機(jī)的成型流程。圖2所示為 LOM 工藝的成型流程6, 7。圖2 LOM 工藝的成型流程Fig. 1 Shaping process of LOM technique在如圖2所示中，CAD模型的形成與一般的CAD造型過程沒有區(qū)別，其作用是進(jìn)行零件的三維幾何造型。許多具有三維造型功能的軟件，如 Pro/E、AutoCAD、UG、CATIA 等均可以完成這樣

7、的任務(wù)。利用這些軟件對(duì)零件造型后，還能夠?qū)⒘慵膶?shí)體造型轉(zhuǎn)化成易于對(duì)其進(jìn)行分層處理的三角面片造型格式，即STL 格式。模型 Z 向離散（分層）是一個(gè)切片的過程，它將 STL 文件格式的 CAD 模型，根據(jù)有利于零件堆積制造而優(yōu)選的特殊方位，橫截成一系列具有一定厚度的薄層，得到每一切層的內(nèi)外輪廓等幾何信息。層面信息處理就是根據(jù)經(jīng)過分層處理后得到的層面幾何信息，通過層面內(nèi)外輪廓識(shí)別及料區(qū)的特性判斷等，生成成型機(jī)工作的數(shù)控代碼，以便成型機(jī)的激光頭對(duì)每一層面進(jìn)行精確加工。層面粘接與加工處理就是將新的切割層與前一層進(jìn)行粘接，并根據(jù)生成的數(shù)控代碼，對(duì)當(dāng)前面進(jìn)行加工，它包括對(duì)當(dāng)前面進(jìn)行截面輪廓切割以及網(wǎng)格切

8、割。逐層堆積是指當(dāng)前層與前一層粘結(jié)且加工結(jié)束后，使零件下降一個(gè)層面，送紙機(jī)構(gòu)送上新的紙，成型機(jī)再重新加工新的一層，如此反復(fù)，直到加工完成。后處理是對(duì)成型機(jī)加工完的制件進(jìn)行必要的處理，如清理掉嵌在加工件中不需要的廢料等。在圖2所示的成型流程中，創(chuàng)建 CAD 模型、模型 Z 向離散以及層面信息處理通過軟件實(shí)現(xiàn)，后處理部分由人工實(shí)現(xiàn)。本章主要介紹實(shí)現(xiàn)層面加工處理和粘結(jié)逐漸堆積制造的機(jī)械部分的設(shè)計(jì)。4. 分層實(shí)體制造技術(shù)的發(fā)展從歷史上看，國外很早就出現(xiàn)過“材料疊加”這樣的制造設(shè)想，例如，在 1892年，JEBlanther 在其美國授權(quán)專利（#473901）中，提出了利用分層制造的方法來構(gòu)成地形圖，該

9、方法的原理是：將地形圖的各輪廓線通過某些方法壓印在一些蠟片上，然后再按照輪廓線切割各蠟片，并將切割后的各蠟片粘結(jié)在一起，從而得到對(duì)應(yīng)的三維地形圖。1940 年，Perera 提出了在一些硬紙板上切割地形圖輪廓線，然后再將對(duì)應(yīng)的紙板粘結(jié)在一起來形成三維地形圖。Paul L Dimatteo 在其 1976 年的美國受權(quán)專利（# 3932923）中明確提出，先利用輪廓跟蹤器，將三維物體轉(zhuǎn)換成許多的二維輪廓薄片，然后利用激光切割這些薄片，再利用螺釘、銷釘?shù)葘⒁幌盗械谋∑B接成三維物體，這些設(shè)想與現(xiàn)代快速成型技術(shù)，即“分層實(shí)體制造”（LOM）的原理很相似8, 9。在這些專利中，雖然提出了類似于分層實(shí)體

10、制造的各種基本原理，但卻很不完善，更沒有實(shí)現(xiàn)分層實(shí)體制造工藝的機(jī)械設(shè)備以及商品化的原材料。從 20 世紀(jì) 70 年代末到 80 年代初期，先后有美國 3M 公司的 Alan J. Hebert （1978 年）、日本的小玉秀男（1980 年）、美國 UVP 公司的 Charles W.Hull（1982 年）和日本的丸谷洋二（1983年）等提出了快速成型（RP）這一概念，即通過對(duì)連續(xù)層中選擇區(qū)域的固化來形成三維實(shí)體這一新的制造思想。20 世紀(jì) 80 年起，快速成型技術(shù)有了質(zhì)的發(fā)展。Charles W Hull 在其 1986 年的美國授權(quán)專利（#4 575330）中，提出了一種用激光束來照射液

11、態(tài)光敏樹脂，實(shí)現(xiàn)分層制作三維物體。1984 年，Michael Feygin 提出了分層實(shí)體制造（LOM）方法。Michael Feygin 于 1985年組建了 Helisys 公司，并且基于 LOM 成型原理，于 1990 年開發(fā)出了世界上第一臺(tái)商用 LOM 設(shè)備LOM-10150。除 Helisys 公司外，日本的 Kira 公司、瑞典的 Sparx公司以及新加坡的 Kinergy 精技私人有限公司等也一直從事 LOM 工藝的研究與設(shè)備的制造。在世界范圍內(nèi)，從 80 年代中期到 90 年代后期，先后出現(xiàn)了十幾種不同類型的快速成型技術(shù)，但LOM技術(shù)仍是快速成型技術(shù)的主流之一10, 11。我

12、國對(duì)分層實(shí)體制造技術(shù)的研究起始于 1991 年。從事該研究工作的主要高等院校有西安交通大學(xué)、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等，主要企業(yè)有北京隆源公司等，它們?cè)诜謱訉?shí)體制造技術(shù)的理論研究、實(shí)際應(yīng)用以及分層實(shí)體制造設(shè)備商品化等方面做了許多工作，并取得顯著成果，這些成果包括分層實(shí)體制造理論研究、各種處理軟件、不同工藝及型號(hào)的成型設(shè)備、新的控制技術(shù)、適應(yīng)于不同工藝的成型材料以及成形精度控制等各個(gè)方面25, 7。以顏永年教授為學(xué)科帶頭人的清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)最先引進(jìn)了美國 3D 公司的SLA-250 設(shè)備與技術(shù)，并進(jìn)行了快速成型技術(shù)的系列研究，開發(fā)出了具有多功能的快速成型制造系統(tǒng)M-RPMS-II

13、。M-RPMS-II 系統(tǒng)是唯一能夠在一臺(tái)設(shè)備上實(shí)分層實(shí)體制造和熔融沉積成型兩種快速成型工藝的系統(tǒng)，且擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。此外，顏教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)還先后開發(fā)出了基于 FDM 工藝原理的快速成型系統(tǒng)以及基于LOM 工藝原理的快速成型系統(tǒng)等設(shè)備，并且開展了大量的理論與應(yīng)用研究，取得了一大批成果。目前，國內(nèi)已有許多高校、科研院所開展了分層實(shí)體制造技術(shù)的研究，許多企業(yè)利用 RP 設(shè)備進(jìn)行新產(chǎn)品的開發(fā)、快速模具制造、產(chǎn)品裝配檢驗(yàn)等各個(gè)方面。5. 分層實(shí)體制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型技術(shù)已經(jīng)得到了業(yè)界的普遍關(guān)注，并在許多行業(yè)得到了良好的應(yīng)用，如汽車、家用電器、輕工業(yè)產(chǎn)品、玩具、建筑模型、醫(yī)療器械和人造器官模型、軍事

14、裝備和航天器等。5.1 新產(chǎn)品在研制開發(fā)期間的試驗(yàn)驗(yàn)證利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)，雖然能夠提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率，但設(shè)計(jì)人員只能借助于計(jì)算機(jī)，利用軟件模擬來評(píng)判產(chǎn)品，無法使設(shè)計(jì)者以及用戶直接評(píng)判設(shè)計(jì)的效果，也可能無法讓工藝人員直接評(píng)判結(jié)構(gòu)的合理性以及生產(chǎn)可行性。例如，對(duì)于如圖 2所示的形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，可能就存在這樣的問題。圖3 運(yùn)用 LOM 系統(tǒng)制作的具有復(fù)雜形狀的零件原型Fig. 1 Prototype with complicated shape made by LOM system利用快速成型技術(shù)，可以較快地制造出樣品的實(shí)物模型，能夠供設(shè)計(jì)人員和用戶直接進(jìn)行測(cè)量、模擬裝配、進(jìn)行

15、功能實(shí)驗(yàn)和性能測(cè)試，因而能夠快速、經(jīng)濟(jì)地驗(yàn)證設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)思想以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理性、可制造性、可裝配性和美觀性，找出設(shè)計(jì)的缺陷，并通過修改來完善產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。很顯然，采用這樣的方法，能夠縮短新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，并且使設(shè)計(jì)結(jié)果更加符合用戶的使用要求以及制造工藝要求，使設(shè)計(jì)更為完善，同時(shí)也能有效避免由于盲目投產(chǎn)而造成的浪費(fèi)。5.2 新產(chǎn)品投放市場(chǎng)前的調(diào)研與宣傳如果利用快速成型技術(shù)快速制造出產(chǎn)品的替代品，那么在將新產(chǎn)品投放市場(chǎng)之前，就能夠用替代品在潛在的用戶群中進(jìn)行調(diào)研與宣傳，從而使企業(yè)能夠及時(shí)了解用戶對(duì)產(chǎn)品的意見以及需求量，并以此來確定是否向市場(chǎng)投放新產(chǎn)品，為企業(yè)進(jìn)行有效決策提供依據(jù)。此外，如果決定向

16、市場(chǎng)投放新產(chǎn)品，還能夠根據(jù)調(diào)研結(jié)果確定產(chǎn)品的生產(chǎn)規(guī)模和價(jià)格。5.3 間接快速制模分層實(shí)體制造技術(shù)是間接快速制模技術(shù)所涉及的快速成型方法之一，主要有以下兩種制模方法：一種方法是先通過快速成型方式成型模型（塑料模型或蠟?zāi)Ｐ偷龋?，然后利用相?yīng)的鑄造、金屬噴涂或者是電極成型等方法制作出成型模具。另一種方法是先通過快速成型技術(shù)制作出鑄型（砂型或殼型），然后通過鑄造的方式，將對(duì)應(yīng)的砂型或殼型制作成模具?？焖俪尚图夹g(shù)的最大應(yīng)用領(lǐng)域之一是鑄造業(yè)。將精密鑄造工藝與快速成型技術(shù)有機(jī)結(jié)合，形成了快速鑄造技術(shù)?？焖勹T造技術(shù)兼?zhèn)淞司荑T造與計(jì)算機(jī)數(shù)控加工的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效減少產(chǎn)品的生產(chǎn)時(shí)間和費(fèi)用12。5.4 直接生產(chǎn)小批

17、量和形狀復(fù)雜的零件對(duì)于形狀復(fù)雜或者是生產(chǎn)批量較小的零部件，如果材料是陶瓷、塑料、金屬材料，或者是它門的復(fù)合材料，則可以直接用LOM 方法實(shí)現(xiàn)快速成型。零件直接實(shí)現(xiàn)快速成型有著非常重要的應(yīng)用價(jià)值。由于分層實(shí)體制造技術(shù)是通過材料堆積的方式來實(shí)現(xiàn)將 CAD 實(shí)體模型轉(zhuǎn)換成物理模型，因此在成型過程中不需要任何的專業(yè)工具，就能夠?qū)⒘慵蛘呤窃慰焖俚刂圃斐鰜怼?. 結(jié)束語分層實(shí)體制造（LOM）技術(shù)是集精密機(jī)械、材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)數(shù)控加工等技術(shù)為一體的高新技術(shù)。利用分層實(shí)體制造技術(shù)，不需要通過傳統(tǒng)的切削方法就能夠制作出零件。分層實(shí)體制造技術(shù)自 20 世紀(jì) 80 年代問世并得到應(yīng)用以來，得到了

18、迅速的發(fā)展。在航天航空、機(jī)械、汽車、電器、建筑以及醫(yī)學(xué)等行業(yè)中，已廣泛利用該技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的可視化、造型設(shè)計(jì)的評(píng)估、產(chǎn)品裝配的檢驗(yàn)以及快速模具制造等多個(gè)方面。參考文獻(xiàn)1 顏永年, 張偉. 基于離散/堆積成型概念的 RPM 原理和發(fā)展J. 中國機(jī)械工程, 1994, 5(4): 64-66.2 黃樹槐, 肖躍加, 莫健華, 等. 快速成形技術(shù)的展望J. 中國機(jī)械工程, 2010 (2).3 宋天虎. 我國快速成形制造技術(shù)的發(fā)展與展望J. 中國機(jī)械工程, 2000, 11(10): 1081-1083.4 洪軍, 唐一平. 快速成型技術(shù)在新產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造中手的應(yīng)用研究J. 機(jī)械設(shè)計(jì), 2000, 17(12): 7-9. 5 Park J, Tari M J, Hahn H T. Characterization of the laminated object manufacturing (LOM) processJ. Rapid Prototyping Journal, 2000, 6(1): 36-50.6 王秀峰, 羅宏杰. 快速原型制造技術(shù)M. 中國輕工業(yè)出版社, 2001. 7 Do