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详解3D打印LOM技术

2017-02-21 09:31
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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,在我国具有广阔的应用前景。今天小编就为大家详细介绍一下LOM工艺技术。

LOM技术总概

分层实体制造( Laminated Object Manufacturing,LOM),又称薄形材料选择性切割,是RP领域最具代表性的技术之一。其成型原理是采用激光器按照CAD分层模型所获得的数据,用激光束将单面涂有热熔胶的薄膜材料的箔带切割成原型件某一层的内外轮廓,再通过加热辊加热,使刚切好的一层与下面切好的层面粘接在一起,通过逐层切割、粘合,最后将不需要的材料剥离,得到欲求原型[1]。

叠层实体制作快速原型工艺适合制作大中型原型件,翘曲变形较小,成型时间较短,激光器使用寿命长,制成件有良好的机械性能,适合于产品设计的概念建模和功能性测试零件。且由于制成的零件具有木质属性,特别适合于直接制作砂型铸造模。

LOM技术发展状况

1984年,Michael Feygin提出了分层实体制造(LOM)方法。Michael Feygin于1985年组建了Helisys公司,并且基于LOM成型原理,于1990年开发出了世界上第一台商用LOM设备一一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从事LOM工艺的研究与设备的制造。

国内有华中科技大学、清华大学等单位。

北京工业大学的李小明[2]等人也利用质量鱼骨图研究了基于超声波焊接的LOM 技术等;

西安交通大学的余国兴等人对LOM 系统进行了改进,提出用经济适用的刀切法代替激光切割法; 

中北大学的郭平英[3]提出了一种基于大厚度切片的金属功能零件的LOM技术; 

北京工商大学的徐明君等[4]人研究了超声波焊接金属材料在LOM 中的应用; 

华中科技大学快速制造中心于1991年开始研究快速成型技术的研究,并于1994年开发成功了薄材叠层快速成型系统样机一一HRP-I[1]。为加速高新技术向生产力的转化,1996年,由华中科技大学、武汉市科委和深圳创新投资集团共同组建了武汉滨湖机电技术产业有限公司。1997年底,公司向市场推出了商品化的激光快速成型系统一一HRP-III,并在此基础上相继推出了HRP系列快速成型系统。此外,公司还研制成功了基于粉末烧结方法的HRPS-I, HRPS-IIIA型商品化快速成型机。   

LOM技术工艺原理和流程

LOM工艺采用薄片材料,如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时,热压辊热压片材,使之与下面已成形的工件粘接;用CO2激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框,并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格;激光切割完成后,工作台带动已成形的工件下降,与带状片材(料带)分离;供料机构转动收料轴和供料轴,带动料带移动,使新层移到加工区域;工作台上升到加工平面;热压辊热压,工件的层数增加一层,高度增加一个料厚;再在新层上切割截面轮廓。如此反复直至零件的所有截面粘接、切割完,得到分层制造的实体零件。

LOM技术的一般工艺流程是[1]:

在如图所示中,CAD模型的形成与一般的CAD造型过程没有区别,其作用是进行零件的三维几何造型。许多具有三维造型功能的软件,如Pro/E , AutoCAD, UG, CATIA等均可以完成这样的任务。利用这些软件对零件造型后,还能够将零件的实体造型转化成易于对其进行分层处理的三角面片造型格式,即STL格式。

模型Z向离散(分层)是一个切片的过程,它将STL文件格式的CAD模型,根据有利于零件堆积制造而优选的特殊方位,横截成一系列具有一定厚度的薄层,得到每一切层的内外轮廓等几何信息。

层面信息处理就是根据经过分层处理后得到的层面几何信息,通过层面内外轮廓识别及料区的特性判断等,生成成型机工作的数控代码,以便成型机的激光头对每一层面进行精确加工。

层面粘接与加工处理就是将新的切割层与前一层进行粘接,并根据生成的数控代码,对当前面进行加工,它包括对当前面进行截面轮廓切割以及网格切割。

逐层堆积是指当前层与前一层粘结且加工结束后,使零件下降一个层面,送纸机构送上新的纸,成型机再重新加工新的一层,如此反复,直到加工完成。

后处理是对成型机加工完的制件进行必要的处理,如清理掉嵌在加工件中不需要的废料等。余料去除后,为了提高产品表面质量或是进一步的翻制模具,就需要相应的后置处理,如防潮、防水、加固以及打磨产品表面等,经过必要的后置处理后,才能达到快速完成尺寸稳定性、表面质量、精度和强度等相关技术的要求。

LOM技术用材料

LOM材料一般由薄片材料和粘结剂两部分组成,薄片材料根据对原型性能要求的不同可分为:纸片材、金属片材、陶瓷片材、塑料薄膜和复合材料片材。用于LOM纸基的热熔性粘结剂按基体树脂类型分,主要有乙烯-醋酸乙烯酯共聚物型热熔胶、聚酯类热熔胶、尼龙类热熔胶或其混合物[5]。

目前LOM基体薄片材料主要是纸材。这种纸由纸质基底和涂覆的粘结剂、改性添加剂组成 。材料成本低,基底在成型过程中始终为固态,没有状态变化,因此翘曲变形小,最适合中、大型零件的成型。在KINERGY公司生产的纸材中,采用了熔化温度较高的粘结剂和特殊的改性添加剂,所以,用这种材料成型的制件坚如硬木(制件水平面上的硬度为18HR,垂直面上的硬度为100HR),表面光滑,有的材料能在200摄氏度下工作,制件的最小壁厚可达0.3-0.5mm,成型过程中只有很小的翘曲变形,即使间断地进行成型也不会出现不粘结的裂缝,成型后工件与废料易分离,经表面涂覆处理后不吸水,有良好的稳定性。

作为纸基粘合剂的热熔胶是一种可塑性的粘合剂,在一定温度范围内其物理状态随温度改变而改变,而化学特性不变。困扰分层实体打印的一个重要问题就是翘曲问题,而粘合剂的选择往往对零件的翘曲与否有着重要的影响[6]。

现在已经运用LOM方法制造出金属薄板的零件样品,相关工艺也在进一步完善。美国Helsiys 公司采用金属带、不锈钢带为成型材料,利用LOM工艺,通过切割这些金属薄板并层压可以直接制造出金属件或金属模具。这是LOM技术目前发展的一个主要方向。

目前国外3D打印的材料已有100多种,而国产材料仅几十种,许多材料还依赖进口,价格相对高昂。国内对于金属的分层实体打印无论在材料还是在打印,国内开展研究都较少,可以搜集资料不多,纸材、塑料的分层制造技术大多是在模具成型和模型制造方面应用广泛,陶瓷基的3D打印主要是应用于工艺品的制备,距离应用于工程结构件的生产尚存一定差距。

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