3D打印增材制造技術(shù) 課件 【ch08】薄材疊層增材制造技術(shù)

第八章薄材疊層增材制造技術(shù)高等學(xué)校動(dòng)畫與數(shù)字媒體專業(yè)『全媒體』創(chuàng)意創(chuàng)新系列教材設(shè)計(jì)造型基礎(chǔ)01疊層實(shí)體制造技術(shù)PARTONE疊層實(shí)體制造(LaminatedObjectManufacturing，LOM)技術(shù)也被稱為分層實(shí)體制造技術(shù)。LOM技術(shù)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(wèn)世以來(lái)，得到迅速發(fā)展。由于LOM技術(shù)多用紙張作為原材料，成本低廉，制造精度高，而且制造出來(lái)的木質(zhì)模型具有外在的美感性和一些特殊的品質(zhì)，因而受到了廣泛的關(guān)注，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)可視化、造型設(shè)計(jì)評(píng)估、裝配檢驗(yàn)、熔模制造型芯、砂型鑄造木模、快速制模母模及直接制模等方面得到了快速的應(yīng)用，已在汽車、機(jī)械、電器、航空航天、建筑、醫(yī)學(xué)、玩具和考古等行業(yè)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。LOM模型一般由薄片材料和黏結(jié)劑兩部分組成，薄片材料根據(jù)對(duì)模型性能要求的不同可分為紙、塑料薄膜、金屬鉑等。對(duì)于薄片材料要求厚薄均勻，力學(xué)性能良好并與黏結(jié)劑有較好的涂掛性和黏結(jié)能力。用于LOM紙基的熱熔膠按基體樹脂劃分，主要有乙烯-乙酸乙燒醋共聚物型熱熔膠、聚酷類熱熔膠、尼龍類熱熔膠或其混合物。LOM技術(shù)成型速度快，制造成本低，成型時(shí)無(wú)須特意設(shè)計(jì)支撐，材料價(jià)格也較低。LOM技術(shù)適合制造較大的工件。但薄壁件、細(xì)柱狀件的剝離比較困難，而且由于材料薄膜厚度有限制，制件表面粗糙，需要煩瑣的后處理過(guò)程。8.1疊層實(shí)體制造技術(shù)8.1疊層實(shí)體制造技術(shù)基本原理1

LOM系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、原材料存儲(chǔ)及送進(jìn)機(jī)構(gòu)、熱黏壓機(jī)構(gòu)、激光切割系統(tǒng)、可升降工作臺(tái)和數(shù)控系統(tǒng)及機(jī)架等組成。其中，計(jì)算機(jī)用于接收和存儲(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)將存于其中的原材料(如底面有熱熔膠和添加劑的紙)逐步送至工作臺(tái)的上方。熱黏壓機(jī)構(gòu)將一層層材料黏合在一起。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)格以便在成型之后能剔除廢料。可升降工作臺(tái)支撐成型的工件，并在每層成型之后，降低一個(gè)材料厚度(通常為0.10.2mm)，以便送進(jìn)、黏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，先控制材料的送進(jìn)，然后黏合、切割,最終形成三維工件模型。8.1疊層實(shí)體制造技術(shù)基本原理18.1疊層實(shí)體制造技術(shù)成型系統(tǒng)與設(shè)備2成型工藝過(guò)程3LOM技術(shù)的工藝制作過(guò)程分為前處理、疊層制作和后處理三個(gè)階段。前處理階段主要是數(shù)模建立和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理，疊層制作階段主要是進(jìn)行制作工藝參數(shù)的設(shè)置及木質(zhì)模型制作的過(guò)程，后處理眩茬暗啊皚哎啊哎按氨暗隘胺挨哎挨崔膊胞跋扒愛(ài)挨凹澳唉笆敞按敖拔耙挨岸哎啊皚矮提高模型的性能。從LOM技術(shù)的原理可以看出，該制造系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、激光器及冷卻系統(tǒng)等幾部分組成。設(shè)備包括材料倉(cāng)、黏結(jié)劑倉(cāng)、送進(jìn)盤、熨平裝置、工作平臺(tái)、XY繪圖頭防黏結(jié)筆、修剪刀、切刀裝置、加熱裝置等。8.1疊層實(shí)體制造技術(shù)成型工藝過(guò)程3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式涂布，非均勻式涂布又有多種形狀。均勻式涂布采用狹縫式刮板進(jìn)行涂布，非均勻式涂布有條紋式和顆粒式。一般來(lái)講，非均勻式涂布可以減小應(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黏合的情況下，盡可能地涂薄，以減少變形、溢膠和錯(cuò)移。1.前處理由于疊層在制作過(guò)程中要由工作臺(tái)(或稱升降臺(tái))帶動(dòng)頻繁起降，為實(shí)現(xiàn)原型與工作臺(tái)之間的連接，需要制作基底，通常制作3~5層。2.疊層制作快速成型設(shè)備根據(jù)計(jì)算機(jī)輸出的三維CAD模型轉(zhuǎn)換的STL數(shù)據(jù)及設(shè)定的工藝參數(shù)，自動(dòng)地沿模型高度的水平面逐層“切割”成一定厚度的片層，采用激光切割等方法將紙?jiān)谥圃斓哪Ｐ蜕现饘佣逊e，形成零件模型。2)加熱輯溫度加熱輯溫度的設(shè)置應(yīng)根據(jù)模型層面尺寸大小來(lái)確定。當(dāng)模型層面尺寸較大時(shí)，疊層之間實(shí)現(xiàn)黏合需要的熱量較高，加熱輥溫度應(yīng)適當(dāng)調(diào)高，以確保疊層之間黏合牢固。另外，加熱輯溫度的設(shè)置還應(yīng)考慮環(huán)境溫度的影響。因?yàn)楫?dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，紙材的初始溫度較低，實(shí)現(xiàn)牢固黏合所需要的熱量也較多，此時(shí)，應(yīng)考慮適當(dāng)調(diào)高加熱輯的溫度。通常加熱輯的溫度設(shè)置在230~260C之間。8.1疊層實(shí)體制造技術(shù)2.疊層制作LOM快速成型機(jī)的主要參數(shù)包括激光切割速度、加熱銀溫度、激光能量、切碎網(wǎng)格尺寸等。1)光切速度激光切割速度影響模型的表面質(zhì)量和制作時(shí)間。如果速度過(guò)快，那么在激光能量補(bǔ)充不足時(shí)，紙材切割不徹底，影響余料的去除和模型外表的美觀:如果速度過(guò)慢，那么會(huì)增加模型的制作時(shí)間。所以激光切割速度在許可范圍內(nèi)的選取和設(shè)置應(yīng)適當(dāng)，通常選為450mm/s左右。成型工藝過(guò)程34)切碎網(wǎng)格尺寸在每一疊層中，模型截面以外的多余部分作為余料保留下來(lái)，在疊層過(guò)程結(jié)束后應(yīng)人工去除。為方便去除，余料部分在截面輪廓切割完畢后應(yīng)進(jìn)行切碎處理，當(dāng)模型形狀復(fù)雜時(shí)，將切碎網(wǎng)格尺寸設(shè)置小一些，可方便以后的余料去除;當(dāng)形狀比較簡(jiǎn)單時(shí)，可適當(dāng)加大網(wǎng)格尺寸，以縮短疊層制作時(shí)間。8.1疊層實(shí)體制造技術(shù)2.疊層制作LOM快速成型機(jī)的主要參數(shù)包括激光切割速度、加熱銀溫度、激光能量、切碎網(wǎng)格尺寸等。3)激光能量激光能量的大小直接影響著切割紙材的厚度和切割速度，能量太小，紙材切不斷;能量太大，會(huì)切割到前一疊層。此外，激光切割速度的變化也要求激光能量適時(shí)調(diào)整，當(dāng)切割速度較高時(shí)，激光能量應(yīng)調(diào)高，反之則調(diào)低，一般兩者之間為拋物線型關(guān)系。成型工藝過(guò)程38.1疊層實(shí)體制造技術(shù)3.后處理為了使模型表面狀況或機(jī)械強(qiáng)度等方面完全滿足最終需要，保證其尺寸穩(wěn)定性、精度等方面的要求，需要對(duì)清理后的模型進(jìn)行修補(bǔ)、打磨、拋光等。其中，LOM模型經(jīng)過(guò)余料去除后，為了提高模型的性能和便于表面打磨，經(jīng)常需要對(duì)模型進(jìn)行表面涂覆處理，表面涂覆的好處:提高強(qiáng)度、增強(qiáng)耐熱性、改進(jìn)抗?jié)裥?、延長(zhǎng)模型的壽命、易于表面打磨處理等。經(jīng)涂覆處理后，模型可更好地用于裝配和功能檢驗(yàn)。成型工藝過(guò)程302超聲波固相增材制造技術(shù)PARTTWO8.2超聲波固相增材制造技術(shù)1基本原理超聲波金屬焊接技術(shù)是在19世紀(jì)30年代被偶然發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)研究人員在做電流點(diǎn)焊電極加超聲波振動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)不通電流也能進(jìn)行焊接，因而，超聲金屬冷焊技術(shù)得以發(fā)展。由于受超聲波換能器功率的限制，多年來(lái)，超聲波焊接技術(shù)在金屬焊接領(lǐng)域沒(méi)有得到很好的應(yīng)用和發(fā)展，主要局限于金屬點(diǎn)焊、滾焊、線束和封管4個(gè)方面超聲波增材制造技術(shù)是基于“超聲波焊接”這種傳統(tǒng)制造工藝的技術(shù)，即利用超聲波振動(dòng)所產(chǎn)生的能量讓兩個(gè)需要焊接的表面摩擦，最終形成分子間融合的一種悍接方式:而超聲波固相增材制造技術(shù)則是將這種悍接方式應(yīng)用到3D打印機(jī)上形成的一種新的3D打印工藝。8.2超聲波固相增材制造技術(shù)1基本原理在連續(xù)的超聲波振動(dòng)壓力下，兩層金屬箔之間會(huì)產(chǎn)生高頻率的摩擦，在這個(gè)摩擦過(guò)程中金屬表面覆蓋的氧化物和污染物被剝離，露出下面的純金屬，之后利用超聲波的能量輻射(或外部加熱)將較為純凈的金屬材料軟化填充到已完成焊接的金屬箔片表面。在這個(gè)過(guò)程中，兩片金屬箔片的分子會(huì)相互滲透融合，進(jìn)一步提高焊接面的強(qiáng)度，之后周而復(fù)始，層層疊加至最終成型。超聲波固相增材制造技術(shù)還被應(yīng)用于電子封裝結(jié)構(gòu)、航空零部件、金屬蜂窩板結(jié)構(gòu)、熱交換器等復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)零部件的制造，該技術(shù)和裝備在航空航天、國(guó)防、能源、交通等尖端支樣領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。8.2超聲波固相增材制造技術(shù)2工藝特點(diǎn)1.優(yōu)點(diǎn)(1)原材料來(lái)源廣泛。原材料采用一定厚度的普通商用金屬帶材，價(jià)格低廉，如鋁帶銅帶、鐵帶、鋼帶。(2)超聲波固相增材制造過(guò)程是固態(tài)連接成型的過(guò)程，溫度低，一般是金屬熔點(diǎn)的25%~50%，因此，材料內(nèi)部的殘余內(nèi)應(yīng)力小，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，成型后無(wú)須進(jìn)行去應(yīng)力退火。(3)節(jié)省能源。所消耗的能量只占傳統(tǒng)成型工藝的5%左右;不產(chǎn)生任何焊渣、污水、有害氣體等廢物污染，因而是一種節(jié)能環(huán)保的快速成型與制造方法。(4)與數(shù)控系統(tǒng)相結(jié)合，易實(shí)現(xiàn)三維復(fù)雜形狀零件的疊層制造和數(shù)控加工一體化，可制作形狀復(fù)雜的金屬零件，還可根據(jù)零件不同部位的工作條件與特殊性能要求實(shí)現(xiàn)梯度功能。(5)使材料結(jié)構(gòu)性能提高。超聲波固相增材制造過(guò)程中的箔材表面氧化膜可以被超聲波擊碎，無(wú)須事先對(duì)材料進(jìn)行表面預(yù)處理。8.2超聲波固相增材制造技術(shù)2工藝特點(diǎn)2.缺點(diǎn)(1)自換能器的功率問(wèn)題。礙于轉(zhuǎn)換效率的限制，其實(shí)際輸出的超聲能量難以大幅提高。(2)超聲波所帶來(lái)的機(jī)械共振也是一個(gè)不得不面對(duì)的問(wèn)題，由于超聲波發(fā)生器的頻率-般在20kHz，因此工件很容易在20kHz頻率上發(fā)生共振，而共振將導(dǎo)致工件基板與上層金屬箔片的摩擦大幅減弱，使焊接質(zhì)量降低。(3)超聲波固相增材制造技術(shù)無(wú)法自動(dòng)放置或取出支撐結(jié)構(gòu)。由于超聲波黏合的過(guò)程是需要施以一定壓力的，在制造較大面積的懸空結(jié)構(gòu)時(shí)，缺少支撐將直接導(dǎo)致壓力無(wú)法施加而加大制造難度。(4)數(shù)控加工精度限制了制造精度。超聲波固相增材制造技術(shù)的制造精度可達(dá)100um級(jí)別，主要受限于數(shù)控加工的精度，這使得尺寸低于100um的精細(xì)結(jié)構(gòu)無(wú)法使用超聲波固相增材制造技術(shù)進(jìn)行制造。8.2超聲波固相增材制造技術(shù)3應(yīng)用1.層狀材料和結(jié)構(gòu)材料

超聲波固相增材制造技術(shù)的應(yīng)用之一即層狀材料的疊層堆積制造，可制備出疊層復(fù)合材料。無(wú)論是對(duì)于同種金屬還是異種金屬都能取得理想的固結(jié)質(zhì)量。在層狀材料的制備中，超聲波固相增材制造技術(shù)有著相比其他制備方法更加迅速、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，并能達(dá)到近100%的界面結(jié)合率及良好的界面結(jié)合強(qiáng)度。在金屬間化合物基層狀復(fù)合材料的兩步法制備過(guò)程中，超聲波固相增材制造技術(shù)已成功制造出Ti/A1疊層毛還，用于后續(xù)的燒結(jié)制備金屬間化合物基層狀復(fù)合材料。8.2超聲波固相增材制造技術(shù)3應(yīng)用2.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料以層狀復(fù)合材料為例，在基體中埋入SiC陶瓷纖維或者NT形狀記憶合金纖維，能夠在很大程度上改善原有復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性等力學(xué)指標(biāo)，以及取得減振降噪等特殊性能，達(dá)到材料的強(qiáng)韌化及功能性等目的。采用超聲波固相增材制造技術(shù)已經(jīng)制造出了Al0;纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，碳芯SiC纖維強(qiáng)化Ti/A1復(fù)合材料。3.功能/智能材料利用超聲波固相增材制造技術(shù)已經(jīng)成功地在金屬基體中埋入光導(dǎo)纖維、多功能元器件等，從而制造出金屬基功能/智能復(fù)合材料。在金屬基體中直接植入電子元器件等能夠在很大程度上提高元器件的精密度，并簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高空間利用率。8.2超聲波固相增材制造技術(shù)3應(yīng)用4.金屬蜂窩夾芯板結(jié)構(gòu)航空航天領(lǐng)域?qū)π乱淮某p高強(qiáng)材料的需求迫切，復(fù)合材料雖然能夠在一定程度上滿足這些需求但還不夠完美。利用超聲波固相增材制造技術(shù)能夠制造出新一代輕