快速成型制造工艺-II.ppt

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1、模具工程技术研究中心 METRC,第三节 叠层实体制造工艺,(Laminated Object Manufacturing，简称LOM，直译名为“叠层实体制造”)。叠层实体制造技术（Laminated Object Manufacturing，LOM）是几种最成熟的快速成型制造技术之一。这种制造方法和设备自1991年问世以来，得到迅速发展。由于叠层实体制造技术多使用纸材，成本低廉，制件精度高，而且制造出来的木质原型具有外在的美感性和一些特殊的品质，因此受到了较为广泛的关注，在产品概念设计可视化、造型设计评估、装配检验、熔模铸造型芯、砂型铸造木模、快速制模母模以及直接制模等方面得到了迅速应用。,

2、2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,由计算机、材料存储及送进机构、热粘压机构、激光切割系统、可升降工作台和数控系统和机架等组成。首先在工作台上制作基底，工作台下降，送纸滚筒送进,一个步距的纸材，工作台回升，热压滚筒滚压背面涂有热熔胶的纸材，将当前迭层与原来制作好的迭层或基底粘贴在一起，切片软件根据模型当前层面的轮廓控制激光器进行层面切割，逐层制作，当全部迭层制作完毕后，再将多余废料去除。,一、基本原理和特点,基本原理:,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,每层材料切割后的情况,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,在这种快速成形机上，截

3、面轮廓被切割和叠合后所成的制品 如图所示。其中，所需的工件被废料小方格包围，剔除这些小 方格之后，便可得到三维工件。,截面轮廓被切割和叠合后所成的制件,2 快速成型制造工艺,叠层实体制造技术的特点:,原型精度高,有较高的硬度和较好的机械性能，可进行各种切削加工,无须后固化处理,无须设计和制作支撑结构,废料易剥离,制件尺寸大,原材料价格便宜，原型制作成本低,设备可靠性高，寿命长,不能直接制作塑料工件,工件的抗拉强度和弹性不够好,工件易吸湿膨胀,工件表面有台阶纹,迭层实体制造方法与其他快速原型制造技术相比，具有制作效率高、速度快、成本低等优点，在我国具有广阔的应用前景。,缺 点,优 点,模具工程技

4、术研究中心 METRC,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,HRP-III LOM 激光快速成型机,HRP-III LOM 激光快速成型机是华中理工大学快速制造中心与武汉滨湖机电技术产业有限公司生产的用于快速原型制造的商品化设备，该设备可在无人看管下运行，其主要技术指标可与国际上同类产品媲美。,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,LOM原型,2 快速成型制造工艺,分层叠加,前处理,后处理,STL文件,切片处理,设置工艺参数,基底制作,原型制作,余料去除,表面质量处理,提高强硬度处理,激光切割速度,加热辊温度,切片软件精度,切碎网格尺寸,模具工程技术研究中

5、心 METRC,二、叠层实体制造工艺过程,2 快速成型制造工艺,(1)叠层实体原型制作误差分析,弦差,CAD模型STL文件输出造成的误差,切片软件STL文件输入设置造成的误差,设备精度误差,不一致的约束,成型功率控制不当,切碎网格尺寸,工艺参数不稳定,成型之后环境变化引起误差,热变形,湿变形,模具工程技术研究中心 METRC,三、提高叠层实体原型制作质量措施,2 快速成型制造工艺,在进行STL转换时，可以根据零件形状的不同复杂程度来定。在保证成形件形状完整平滑的前提下，尽量避免过高的精度。不同的CAD软件所用的精度范围也不一样，例如Pro/E所选用的范围是0.010.05mm，UG所选用的范围

6、是0.020.08mm，如果零件细小结构较多可将转换精度设高一些。,(2)提高叠层实体原型制作精度的措施,1,STL文件输出精度的取值应与相对应的原型制作设备上切片软件的精度相匹配。过大会使切割速度严重减慢，过小会引起轮廓切割的严重失真。,2,CADSTL 精度：0.08切片软件精度：0.08,CADSTL 精度：0.08切片软件精度：0.01,CADSTL 精度：0.08切片软件精度：2.00,模具工程技术研究中心 METRC,2 快速成型制造工艺,模型的成型方向对工件品质（尺寸精度、表面粗糙度、强度等）、材料成本和制作时间产生很大的影响。一般而言，无论哪种快速成形方法，由于不易控制工件Z方

7、向的翘曲变形等原因，工件的X-Y方向的尺寸精度比Z方向的更易保证，应该将精度要求较高的轮廓尽可能放置在X-Y平面。,3,切碎网格的尺寸有多种设定方法。当原型形状比较简单时，可以将网格尺寸设大一些，提高成型效率；当形状复杂或零件内部有废料时，可以采用变网格尺寸的方法进行设定，即在零件外部采用大网格划分，零件内部采用小网格划分。,4,处理湿胀变形的一般方法是涂漆。为考察原型的吸湿性及涂漆的防湿效果，选取尺寸相同的通过快速成型机成型的长方形叠层块经过不同处理后，置入水中10min进行实验，其尺寸和重量的变化情况如下表所示。,5,模具工程技术研究中心 METRC,2 快速成型制造工艺,从此表可以看出，

8、未经任何处理的叠层块对水分十分敏感，在水中浸泡10min，叠层方向便涨高45mm，增长41%，而且水平方向的尺寸也略有增长，吸入水分的重量达164g，说明未经处理的LOM原型是无法在水中进行使用，或者在潮湿环境中不宜存放太久。为此，将叠层块涂上薄层油漆进行防湿处理。从实验结果看，涂漆起到了明显的防湿效果。在相同浸水时间内，叠层方向仅增长3mm，吸水重量仅4g。当涂刷两层漆后，原型尺寸已得到稳定控制，防湿效果已十分理想。,模具工程技术研究中心 METRC,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,LOM原型经过余料去除后，为了提高原型的性能和便于表面打磨，经常需要对原型进行表面涂覆

9、处理，表面涂覆的好处有：（1）提高强度；（2）提高耐热性；（3）改进抗湿性；（4）延长原型的寿命；（5）易于表面打磨等处理；（6）经涂覆处理后，原型可更好地用于装配和功能检验。,四、叠层实体制造工艺后置处理中的表面涂覆,纸材的最显著缺点是对湿度极其敏感，LOM原型吸湿后叠层方向尺寸增长，严重时叠层会相互之间脱离。为避免因吸湿而引起的这些后果，在原型剥离后短期内应迅速进行密封处理。表面涂覆可以实现良好的密封，而且同时可以提高原型的强度和抗热抗湿性。,（一）表面涂覆的必要性,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,原型表面涂覆的示意图,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 M

10、ETRC,表面涂覆使用的材料一般为双组分的环氧树脂，如TCC630和TCC115N硬化剂等。原型通过表面涂覆处理后，尺寸稳定而且寿命也得到了提高。,（1）将剥离后的原型表面用砂纸轻轻打磨，如图所示：,（二）表面涂覆的工艺过程,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,（2）按规定比例配备环氧树脂（重量比：100份TCC-630配20份TCC-115N），并混合均匀；,（3）在原型上涂刷一薄层混合后的材料，因材料的粘度较低，材料会很容易浸入纸基的原型中，浸入的深度可以达到1.21.5mm；,（4）再次涂覆同样的混合后的环氧树脂材料以填充表面的沟痕并长时间固化，如图所示：,2 快速成

11、型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,（5）对表面已经涂覆了坚硬的环氧树脂材料的原型再次用砂纸进行打磨，打磨之前和打磨过程中应注意测量原型的尺寸，以确保原型尺寸在要求的公差范围之内；,（6）对原型表面进行抛光，达到无划痕的表面质量之后进行透明涂层的喷涂，以增加表面的外观效果，如图所示。,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,通过上述表面涂覆处理后，原型的强度和耐热防湿性能得到了显著提高，将处理完毕的原型浸入水中，进行尺寸稳定性的检测，实验结果如图所示：,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,2 快速成型制造工艺,叠层实体快速成型工艺方法采用薄层材料整

12、体粘接后，根据当前叠层的实体轮廓进行切割，逐层累积完成原型的制作，制作后需要去除余料。后处理中余料去除的工作量是比较繁重和费时的，尤其是对于内孔结构和内部型腔结构，其余料的去除是超常的困难，有时甚至是难以实现。针对这种状况，提出了采用双层薄材的新型叠层实体制造工艺方法并进行了研究和尝试。,五、新型叠层实体快速成型工艺方法,Ennex公司提出了一种新型叠层实体快速成型工艺方法，称为“Offset Fabrication”方法。该方法使用的薄层材料为双层结构，如图a所示。上面一层为制作原型的叠层材料，下面的薄层材料是衬材。双层薄材在叠层之前进行轮廓切割，将叠层材料层按照当前叠层的轮廓进行切割，然后

13、进行粘接堆积，如图b所示。粘接后，衬层材料与叠层材料分离，带走当前叠层的余料。但是这种叠层方法只能适用于当前叠层需要去除余料的面积小于叠层实体面积的情况，否则，余料就会依然全部粘接在前一叠层上。,模具工程技术研究中心 METRC,2 快速成型制造工艺,Offset Fabrication 叠层实体快速成型工艺方法原理,模具工程技术研究中心 METRC,2 快速成型制造工艺,比如，成型图a所示的原型中灰色的叠层，进行了图b轮廓切割，然后按照图c粘接在一起，当衬层材料移开时，却未能像预期的如图d所示的情况带走余料，而是像如图e一样，所有的叠层材料全部粘结在前一叠层上了。,Offset Fabric

14、ation 叠层实体快速成型工艺存在的问题,模具工程技术研究中心 METRC,2 快速成型制造工艺,针对“Offset Fabrication”方法存在的上述问题，Inhaeng Cho提出了另外一种新的叠层实体快速原型工艺方法。Inhaeng Cho提出的新工艺仍然采用双层薄材，只是衬层材料只起粘结作用，而叠层材料被切割两次。首先切割内孔或内腔的内轮廓，之后，内孔或内腔的余料在衬层与叠层分离时被衬层粘结带走，然后被去除内孔或内腔余料的叠层材料继续送进进行与原来制作好的叠层实现粘结，之后，进行第二次切割，切割其余轮廓。该方法建造过程的原理如图所示。整个过程分为如下6步：,新工艺方法中叠层建造步

15、骤,模具工程技术研究中心 METRC,随着汽车制造业的迅猛发展，车型更新换代的周期不断缩短，导致对与整车配套的各主要部件的设计也提出了更高要求。其中，汽车车灯组件的设计，要求在内部结构满足装配和使用要求外，其外观的设计也必须达到与车体外形的完美统一。车灯设计与生产的专业厂家传统的开发手段受到了严重的挑战。快速成型技术的出现，较好地迎合了车灯结构与外观开发的需求。下面为某车灯配件公司为国内某大型汽车制造厂开发的某型号轿车车灯LOM原型，通过与整车的装配检验和评估，显著提高了该组车灯的开发效率和成功率。,六、叠层实体制造工艺的应用示例,1、汽车车灯,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 ME

16、TRC,随着汽车制造业的迅猛发展，车型更新换代的周期不断缩短，导致对与整车配套的各主要部件的设计也提出了更高要求。其中，汽车车灯组件的设计，要求在内部结构满足装配和使用要求外，其外观的设计也必须达到与车体外形的完美统一。车灯设计与生产的专业厂家传统的开发手段受到了严重的挑战。快速成型技术的出现，较好地迎合了车灯结构与外观开发的需求。下面为某车灯配件公司为国内某大型汽车制造厂开发的某型号轿车车灯LOM原型，通过与整车的装配检验和评估，显著提高了该组车灯的开发效率和成功率。,六、叠层实体制造工艺的应用示例,1、汽车车灯,2 快速成型制造工艺,轿车前照灯,轿车后组合灯,根据鲁得贝公司提出的轿车系列车

17、灯产品开发要求，利用HRP-III 型LOM 激光快速成型机按三维计算机模型进行各种车灯的快速原型制造，上图为本轿车前照灯和后组合车灯产品的LOM原型。,模具工程技术研究中心 METRC,2 快速成型制造工艺,根据鲁得贝公司提出的一汽六平柴后组合灯产品开发要求，利用HRP-III 型LOM 激光快速成型机按三维计算机模型进行该组各种车灯的快速原型制造，本组图片为该系列灯型产品的LOM原型。,模具工程技术研究中心 METRC,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,某机床操作手柄为铸铁件，人工方式制作砂型铸造用的木模十分费时困难，而且精度得不到保证。随着CADCAM技术的发展和普

18、及，具有复杂曲面形状的手柄的设计直接在CAD/CAM软件平台上完成，借助快速成型技术尤其是叠层实体制造技术，可以直接由CAD模型高精度地快速制作砂型铸造的木模，克服了人工制作的局限和困难，极大地缩短了产品生产的周期并提高了产品的精度和质量。下图为铸铁手柄的CAD模型和LOM原型。,2、铸铁手柄,CAD模型,LOM原型,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,当前国际上制鞋业的竞争日益激烈，而美国Wolverine World Wide 公司无论在国际还是美国国内市场都一直保持着旺盛的销售势头，该公司鞋类产品的款式一直保持着快速的更新，时时能够为顾客提供高质量的产品，而使用Pow

19、erSHAPE软件和Helysis公司的LOM快速原型加工技术是Wolverine World Wide 公司成功的关键。,3、LOM原型在制鞋业中的应用,Wolverine 的设计师们首先设计鞋底和鞋跟的模型或图形，从不同角度用各种材料产生三维光照模型显示，这种高质的图像显示使得在开发过程中能及早地排除任何看起来不好的装饰和设计。,即使前期的设计已经排除了许多不理想的地方，但是投入加工之前，Wolverine公司仍然需要有实物模型。鞋底和鞋跟的LOM模型非常精巧，但其外观是木质的，为使模型看起来更真实，可在LOM表面喷涂产生不同材质效果。,每一种鞋底配上适当的鞋面后生产若干双样品，放到主要的

20、零售店展示，以收集顾客的意见。根据顾客所反馈的意见，计算机能快速地修改模型，根据需要，可再产生相应的LOM模型和式样。,2 快速成型制造工艺,根据山东长通通讯公司提出的探测仪产品开发要求，利用HRP-III 型LOM 激光快速成型机按三维计算机模型进行各零部件快速原型制造，上图为本产品的各零件的LOM原型。,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,上 盖,底 座,根据山东长通通讯公司提出的信号发生器产品开发要求，利用HRP-III 型LOM 激光快速成型机按三维计算机模型进行各零部件快速原型制造，本图为该产品的部分零件的LOM原型。,装 配,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研

21、究中心 METRC,根据山东聊城中通客车股份有限公司提出的博发豪华客车外观设计开发要求，利用CAD/CAM软件UGII进行外观设计后，使用HRP-III 型LOM 激光快速成型机按三维计算机模型进行整车快速原型制造，上图为博发豪华客车在LOM模型上喷漆和必要的装饰处理后的效果图。经专家和业内人士对其外观结构评估，得到高度认同和赞赏。,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,1叠层实体快速原型制造工艺的基本原理,思考题（2）,3影响叠层实体快速原型制造精度的原因,4提高叠层实体快速原型制造质量的措施,2叠层实体快速原型制造工艺的特点,2 快速成型制造工艺,5新型的“Offset Fabrication”叠层实体快速原型工艺方法的基本原理,