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(diǎn)？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(xiàng)。,逆向工程與快速成形技術(shù)ReverseEngineeringandRapidPrototypeTechnology,天津科技大學(xué)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(shí)體制造,(LOM,registeredtrademarkbyHelisysofTorrance,California,USA),天津科技大學(xué)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(xué)TianjinUniversityofScience&Technology,天津科技大學(xué)TianjinUniversityofScience&Technology,PROCESSES過程：Materialisusuallyapapersheetlaminatedwithadhesiveononeside,butplasticandmetallaminatesareappearing.Layerfabricationstartswithsheetbeingadheredtosubstratewiththeheatedroller.Thelaserthentracesouttheoutlineofthelayer.Non-partareasarecross-hatchedtofacilitateremovalofwastematerial.Oncethelasercuttingiscomplete,theplatformmovesdownandoutofthewaysothatfreshsheetmaterialcanberolledintoposition.Oncenewmaterialisinposition,theplatformmovesbackuptoonelayerbelowitspreviousposition.Theprocesscannowberepeated.,天津科技大學(xué)TianjinUniversityofScience&Technology,Theexcessmaterialsupportsoverhangsandotherweakareasofthepartduringfabrication.支撐Thecross-hatchingfacilitatesremovaloftheexcessmaterial.Oncecompleted,theparthasawood-liketexturecomposedofthepaperlayers.Moisturecanbeabsorbedbythepaper,whichtendstoexpandandcompromisethedimensionalstability.Therefore,mostmodelsaresealedwithapaintorlacquertoblockmoistureingress.后處理,特點(diǎn),天津科技大學(xué)TianjinUniversityofScience&Technology,TheLOMdevelopercontinuestoimprovetheprocesswithsheetsofstrongermaterialssuchasplasticandmetal.Nowavailablearesheetsofpowdermetal(boundwithadhesive)thatcanproduceagreenpart.Thepartisthenheattreatedtosinterthematerialtoitsfinalstate.,最新進(jìn)展,天津科技大學(xué)TianjinUniversityofScience&Technology,天津科技大學(xué)TianjinUniversityofScience&Technology,Theexcessmaterialsupportsoverhangsandotherweakareasofthepartduringfabrication.Thecross-hatchingfacilitatesremovaloftheexcessmaterial.Oncecompleted,theparthasawood-liketexturecomposedofthepaperlayers.Moisturecanbeabsorbedbythepaper,whichtendstoexpandandcompromisethedimensionalstability.Therefore,mostmodelsaresealedwithapaintorlacquertoblockmoistureingress.TheLOMdevelopercontinuestoimprovetheprocesswithsheetsofstrongermaterialssuchasplasticandmetal.Nowavailablearesheetsofpowdermetal(boundwithadhesive)thatcanproduceagreenpart.Thepartisthenheattreatedtosinterthematerialtoitsfinalstate.,天津科技大學(xué)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(jì)算機(jī)、原材料存儲(chǔ)及其送進(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)、模型取出裝置和機(jī)架等組成。激光燒結(jié)系統(tǒng)按照計(jì)算機(jī)提取的橫截面輪廓線，逐一在工作臺(tái)上方的材料上切割出輪廓線，并將無(wú)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。可升降工作臺(tái)支承正在成形的工件，并在每層成形后，降低一個(gè)材料厚度，以便送進(jìn)、粘合和切割新的一層材料。特點(diǎn)：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(qiáng)度等性能無(wú)法同SLA，F(xiàn)DM，SLS等工藝相比。成本價(jià)格上，無(wú)法與基于非激光技術(shù)的RP工藝競(jìng)爭(zhēng)。LOM設(shè)備系統(tǒng)比較復(fù)雜，工作穩(wěn)定性不高,天津科技大學(xué)TianjinUniversityofScience&Technology,天津科技大學(xué)TianjinUniversityofScience&Technology,天津科技大學(xué)TianjinUniversityofScience&Technology,工藝原理,天津科技大學(xué)TianjinUniversityofScience&Technology,天津科技大學(xué)TianjinUniversityofScience&Technology,天津科技大學(xué)TianjinUniversityofScience&Technology,1、工藝過程,系統(tǒng)組成：它由計(jì)算機(jī)、原材料存儲(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)、模型取出裝置和機(jī)架等組成。計(jì)算機(jī)：用于接受和存儲(chǔ)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(chǔ)及送進(jìn)機(jī)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(tái)的上方。熱粘壓機(jī)構(gòu)將一層層材料粘合在一起。激光切割系統(tǒng)按照計(jì)算機(jī)提取的橫截面輪廓線，逐一在工作臺(tái)上方的材料上切割出輪廓線，并將無(wú)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(fù)雜程度選定，網(wǎng)格愈小，愈容易剔除廢料，但花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)。可升降工作臺(tái)支承正在成形的工件，并在每層成形之后，降低一個(gè)材料厚度(通常為0.10.2mm)，以便送進(jìn)、粘合和切割新的一層材料。數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令，使一段段的材料逐步送至工作臺(tái)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(jī)架是整個(gè)機(jī)器的支撐。不需要單獨(dú)設(shè)計(jì)支撐。,3、數(shù)控系統(tǒng)基本的控制對(duì)象,數(shù)控系統(tǒng)基本控制對(duì)象為材料送進(jìn)(R軸)、熱壓輥移動(dòng)(H軸)、掃描與切割(X軸、y軸)、工作臺(tái)(Z軸)、溫控、激光能量控制等。這是一個(gè)兩級(jí)控制系統(tǒng)，由此產(chǎn)生了上、下位機(jī)。第一級(jí)的下位機(jī)負(fù)責(zé)完成運(yùn)動(dòng)軸閉環(huán)控制及信息反饋。這里實(shí)時(shí)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(fù)責(zé)五軸伺服控制。第二級(jí)的上位機(jī)用于整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的集中管理，由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)完成動(dòng)態(tài)仿真、適時(shí)切片、鍵盤管理、信息處理、參數(shù)設(shè)置與顯示，并向控制計(jì)算機(jī)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(chǔ)及送進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)有材料撕斷報(bào)警器，當(dāng)某種原因偶然造成材料撕斷時(shí)，停止送料直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)及后續(xù)工作循環(huán)。2）熱粘壓機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、同步齒形帶、發(fā)熱板、熱壓板、溫控器及高度檢測(cè)器等組成。溫度設(shè)定值根據(jù)所采用材料的粘接溫度而定。3）高度檢測(cè)器固定在熱壓板的支架上，它的測(cè)量分辨率為2m。當(dāng)熱壓板對(duì)工作臺(tái)上方的紙進(jìn)行熱壓時(shí)，高度檢測(cè)器能精確測(cè)量正在成型的制件的實(shí)際高度，并將此數(shù)據(jù)及時(shí)反饋至計(jì)算機(jī)，然后據(jù)此高度對(duì)產(chǎn)品的三維模型進(jìn)行切片處理，得到與上述高度完全對(duì)應(yīng)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(tái)、驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)和排煙除塵裝置等組成。其中，激光器的功率為2050W，波長(zhǎng)為10.5l0.7m(即l050010700nm，處于遠(yuǎn)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(yùn)行10個(gè)月時(shí)的功率波動(dòng)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(dòng)匹配控制后，光束能恰好切透正在成型的一層材料，而不會(huì)損傷已成型的下一層截面輪廓。切割頭由2臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，能在x-y平面上作高速、精密掃描運(yùn)動(dòng)。x-y工作臺(tái)由精密滾珠絲杠傳動(dòng)，用精密直線滾珠導(dǎo)軌導(dǎo)向，重復(fù)定位精度為l0m。,激光光束寬度(即切口寬度)的自動(dòng)補(bǔ)償,6、分層實(shí)體成型與其它方法相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：,1)制件精度高。這是因?yàn)樵诒⌒尾牧线x擇性切割成型時(shí)，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(wú)內(nèi)應(yīng)力。制件在X和y方向的精度可達(dá)0.10.2mm，Z方向的精度可達(dá)0.20.3mm。2)分層實(shí)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(wú)需對(duì)整個(gè)截面進(jìn)行掃描，且無(wú)需設(shè)計(jì)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(dá)200的溫度，有較高的硬度和較好的機(jī)械性能，可進(jìn)行各種切削加工。,7、這種成型機(jī)也有不足之處：,1)工件(特別是薄壁件)的抗拉強(qiáng)度和彈性不夠好；2)工件易吸濕膨脹，成型后應(yīng)盡快進(jìn)行表面防潮處理；3)工件表面有臺(tái)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(jìn)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(yīng)注意如下幾點(diǎn)：,1)加壓下冷卻疊層塊。成型完成后，對(duì)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(shí)產(chǎn)生的熱翹曲變形。在成型過程中，如有較長(zhǎng)時(shí)間的間斷，也應(yīng)對(duì)疊層塊加壓，使其上表面始終保持平整，有助于預(yù)防繼續(xù)成型時(shí)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(fù)雜引起的較大變形。3)及時(shí)進(jìn)行表面處理。為了防止工件吸濕膨脹，應(yīng)及時(shí)對(duì)剛剝離廢料的工件進(jìn)行表面處理。表面處理的方法主要是涂覆增強(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。,試驗(yàn)證實(shí)：,未經(jīng)任何處理的疊層塊對(duì)水分十分敏感，水中浸泡lOmin，疊層方向便漲高45mm，增長(zhǎng)41，而且水平方向的尺寸也略有增長(zhǎng)，吸入水分的重量達(dá)164g，說明未經(jīng)處理的LOM原型是無(wú)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(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(zhǎng)3mm，吸水重量?jī)H4g。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。,9、KINGRGY公司生產(chǎn)的紙基卷材,對(duì)于LOM成型材料的紙材，有以下要求,1)抗?jié)裥浴１ＷC紙?jiān)?卷軸紙)不會(huì)因時(shí)間長(zhǎng)而吸水，從而保證熱壓過程中不會(huì)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(lái)表示紙張抗水能力的大小。2)良好的浸潤(rùn)性。保證良好的涂膠性能。3)抗拉強(qiáng)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(huì)因部分水分損失而導(dǎo)致變形，可用紙的伸縮率參數(shù)計(jì)量。5)剝離性能好。因剝離時(shí)破壞發(fā)生在紙張內(nèi)部，要求紙的垂直方向抗拉強(qiáng)度不是很大。6)易打磨，表面光滑。7)穩(wěn)定性。成型零件可長(zhǎng)時(shí)間保存。,LOM制作實(shí)例,天津科技大學(xué)TianjinUniversityofScience&Technology,天津科技大學(xué)TianjinUniversityofScience&Technology,新加坡,LOM原型在制鞋業(yè)中的應(yīng)用,美國(guó)WolverineWorldWide公司的鞋類產(chǎn)品無(wú)論在國(guó)際還是美國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)都一直保持著旺盛的銷售勢(shì)頭，。Wolverine的設(shè)計(jì)師們首先設(shè)計(jì)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(lái)不好的裝飾和設(shè)計(jì)。鞋底和鞋跟的LOM模型非常精巧，為了使模型看起來(lái)更真實(shí)，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(dāng)?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(jì)算機(jī)能快速地修改模型。一旦設(shè)計(jì)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(fù)性。,應(yīng)用,Helisys公司與Dayton大學(xué)聯(lián)合開發(fā)復(fù)合材料的制造工藝。蘇格蘭的Dundee大學(xué)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。