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1、3D打印成型工艺及材料,3D打印技术研究所,第7章 分层实体制造工艺及材料,第7章 分层实体制造工艺及材料,7.1 概述,分层实体制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）或叠层实体制造技术，采用薄片材料（纸、金属箔、塑料薄膜等），按照模型每层的内外轮廓线切割薄片材料，得到该层的平面形状，并逐层堆放成零件原型。在堆放时，层与层之间使用粘结剂粘牢，因此得到的成型模型无内应力、无变形，成型速度快，无需支撑，成本低、成型件精度高。LOM技术自1991年问世以来，得到迅速发展。LOM技术在出现初期广泛使用激光作为切割手段，后期又出现了使用机械刻刀切割片材的新技术。,L
2、OM成型设备结构原理图,7.1 概述,Michael Feygin于1984年提出了LOM设想，并于1985年组建了Helisys公司(后为Cubic Technologies公司)，于1990年开发出了世界上第一台商用LOM设备LOM-1015。Helisys公司研制出多种LOM工艺用的成型材料，可制造用金属薄板制作的成型件，该公司还与Dayton大学合作开发基于陶瓷复合材料的LOM工艺。,国际上除Cubic Technologies公司(开发了LPH、LPS和LPF三个系列)外，日本的Kira公司、瑞典的Sparx公司以及新加坡的Kinergy精技私人有限公司和我国清华大学、华中科技大学以
3、及南京紫金立德(与以色列SD Ltd合作)等也先后从事LOM工艺的研究与设备的制造。,紫金立德Solido SD300成型设备,7.1 概述,7.2 成型原理及工艺,7.2.1 成型原理,原料供应与回收系统将存于其中的原料逐步送至工作台的上方。将底部涂覆有热敏胶的纤维纸或PVC塑料薄膜通过热压辊的碾压作用与前一层材料粘结在一起，然后让激光束或刻刀按照对CAD模型切片分层处理后获得的二维截面轮廓数据对当前层的纸进行截面轮廓扫描切割，切割出截面的对应轮廓，并对当前层的非截面轮廓部分切割成网格状。,然后使工作台下降，再将新的一层材料铺在前一层的上面，再通过热压辊碾压，使当前层的材料与下面已切割的层粘
4、结在一起，再次由激光束进行扫描切割。如此反复，直到切割出所有各层的轮廓。,LOM工艺成型过程,7.2 成型原理及工艺,7.2.2 成型工艺,LOM成型制造过程分为前处理、分层叠加成型、后处理三个主要步骤。具体来说，LOM成型的一般工艺过程大致如下：,（1）第一步：前处理，即图形处理阶段三维建模转换成STL格式切片,7.2 成型原理及工艺,7.2.2 成型工艺,（2）第二步：分层叠加成型,1.设置工艺参数,2.基底制作,3.原型制作,激光切割速度,加热辊温度与压力,激光能量,切碎网格尺寸,3-5层,7.2 成型原理及工艺,7.2.2 成型工艺,（3）第三步：后处理,去除废料,人工方法将原型件从工
5、作台上取下。去掉边框后，仔细将废料剥离就得到所需的原型。然后抛光、涂漆，以防零件吸湿变形。,LOM工艺多余材料剥落过程,7.2 成型原理及工艺,7.2.2 成型工艺,（3）第三步：后处理,表面涂覆,表面涂覆的好处:提高强度提高耐热性改进抗湿性延长原型的寿命易于表面打磨等处理经表面涂覆处理后，原型可更好地用于装配和功能检验,LOM原型表面涂覆示意图,7.2 成型原理及工艺,7.2.2 成型工艺,图1 剥离后的原型经过砂布打磨前后表面形态示意图,图2 涂覆两遍环氧树脂后的原型表面形态示意图,1）将剥离后的原型表面用砂布轻轻打磨，如图1所示。,2）按规定比例配备环氧树脂（质量比：100份TCC-63
6、0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1.2-1.5mm。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2所示。,表面涂覆的具体工艺过程如下：,7.2 成型原理及工艺,7.2.2 成型工艺,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布进行打磨，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3所示。,图3 抛光后原理表面效果示意图
7、,经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4所示。,图4 浸水时间与叠层方向尺寸增长实验曲线,7.2 成型原理及工艺,7.2.3 工艺特点,优点：,（1）原型制件精度高。（2）原型制件耐高温，具有较高的硬度和良好的力学性能。（3）成型速度较快。（4）直接用CAD模型进行数据驱动，无需准备工装夹具。（5）无须另外设计和制作支撑结构。（6）制件可以直接使用，无需进行后矫正和后固化处理。（7）不受复杂三维形状及成型空间的影响；（8）原材料相对比较便宜，可在短时间内制作模型，交货快，费用省。,7.2 成型原理及工艺,7
8、.2.3 工艺特点,缺点：,（1）不能直接制作塑料原型。（2）工件的弹性、抗拉强度差。（3）工件易吸湿膨胀（原材料选用纸材），需进行防潮后处理。（4）工件需进行必要的后处理。若要加工制作复杂曲面造型，则成型后需进行表面打磨、抛光等后处理。（5）材料利用率低，且成型过程中会产生烟雾。,7.3 成型系统,LOM系统结构组成示意图,LOM系统主要由切割系统、升降工作台和数控系统、加热系统以及原料供应与回收系统等组成。,7.3 成型系统,7.3.1 切割系统,轮廓切割可采用CO2激光或刻刀。刻刀切割轮廓的特点是没有污染、安全，系统适合在办公室环境工作。激光切割的特点是能量集中，切割速度快；但有烟，有污
9、染，光路调整要求高。,7.3 成型系统,7.3.1.1 激光切割,激光切割系统由CO2激光器、激光头、电动机、外光路等组成。激光器功率一般为2050W。激光头在X-Y平面上由两台伺服电动机驱动做高速运动。为了保证激光束能够恰好切割当前层的材料而不损伤已成型的部分，激光切割速度与功率自动匹配控制。外光路由一组集聚光镜和反光镜组成，切割光斑的直径范围是0.10.2mm。,7.3 成型系统,7.3.1.1 激光切割,激光切割原理,CO2激光切割是用聚焦镜将CO2激光束进行聚焦，利用聚焦后高能激光束对工件表面进行辐照，使得辐照区的材料迅速熔化、汽化或分解，同时借助同轴高压辅助气体吹走残渣，形成切缝。在
10、数控系统控制下，激光头按照既定轨迹进行切割，以实现材料任意成型。,7.3 成型系统,7.3.1.1 激光切割,优点：,（1）激光切割是无接触加工。切割时无需对工件做夹紧、划线、去油等工序，只需要对工件进行定位即可；（2）工件的尺寸精度和激光切割质量高。（3）激光切割适用范围广。（4）激光切割灵活性好，易于导向。（5）激光切割效率高。（6）激光切割自动化程度高，其切割过程是全封闭的；切割过程噪声低并且对材料利用率高。,7.3 成型系统,7.3.1.1 激光切割,缺点：,（1）激光切割子系统成本高。（2）当前的激光切割系统除需要考虑光斑补偿问题，还要根据加工工艺动态调整激光功率和切割速度的匹配关系
11、。此外，加工质量也与镜头的聚焦性能和激光器本身有关。（3）系统控制复杂。（4）激光切割材料时的燃烧汽化过程产生异味气体，对环境和操作人员有影响。,7.3 成型系统,7.3.1.2 刻刀切割,SD300型3D打印机,轮廓刻刀切割方法就是采用机械刻刀，如图所示的SD300型3D打印机就采用了这种机构。采用刻刀切割的切割系统由惯性旋转刻刀、刀座、刀架及X-Y运动定位系统组成。刻刀的角度参数、刻刀材料的力学性能、刻刀偏心距的大小、刀座能否灵活旋转等都是决定切割性能的关键因素。而X-Y定位系统的定位精度则直接决定着零件的精度。刻刀的自动导向是通过自身的结构来完成。,7.3 成型系统,7.3.1.2 刻刀
12、切割,切割系统采用45惯性旋转刻刀（刀尖与轴心之间有一偏心距）。如图所示为刻刀与刀套装配结构图。刻刀径向为轴承固定：上端是具有轴向定位功能的微型精密三珠轴承，下端是微型滚动轴承。刻刀的轴向通过三珠轴承和磁铁的引力来固定。,刻刀与刀套装配结构图,7.3 成型系统,7.3.1.2 刻刀切割,优点：,（1）降低了设备成本。（2）无须考虑光斑补偿问题。刻刀只是将材料分离，材料并没有任何损失，切缝可以很窄。这样提高了制件的成型精度。（3）刻刀的切割控制简单。切刀子系统由于不存在能量控制问题，因而无须匹配控制，简化了控制系统，提高了系统的可靠性。（4）取消了激光器，也就消除了激光切割燃烧汽化产生异味气体对
13、环境和操作人员造成的影响。,7.3 成型系统,7.3.2 升降系统,悬臂式升降系统,悬臂式升降系统，用于实现工作台的上下运动，以便调整工作台的位置以及实现模型的按层堆积。目前大多数分层实体制造成型机都采用双层平台结构。双层平台中的上层平台称扫描平台，在上面安装XY扫描定位机构以及CO2激光器和光束反射镜等，可使从激光光源到最后聚焦镜的整个光学系统都在一个平台上，提高了光路的稳定性和抗震性。下层平台称基准平台，在上面安装热压机构和导纸辊，同时它还连接扫描平台和升降台Z轴导轨，是整个设备的平面基准。它上面有较大的平面面积，可以作为装配时的测量基准。,7.3 成型系统,7.3.3 加热系统,LOM系
14、统的叠层（层与层之间的粘结）是通过加热辊加热加压滚过背面带有粘胶的涂敷纸来完成的。LOM叠层件的强度由辊子速度、纸张变形、加热辊的温度、环境温度及纸与加热辊的接触面积综合决定。加热系统的作用主要是：将当前层的涂有热熔胶的纸与前一层被切割后的纸加热，并通过热压辊的碾压作用使它们粘结在一起，即每当送纸机构送入新的一层纸后，热压辊就应往返碾压一次。,7.3 成型系统,7.3.3.1 加热系统分类,热压辊工作原理图,（1）辊筒式加热系统,由空心辊筒和置于其中的电阻式红外加热管组成，用非接触式远红外测温计测量辊筒表面的温度，由温控器进行闭环温度控制。优点：辊筒在工作过程中对原材料只施加很小的侧向力，不易
15、使原材料发生错位或滑移，不易将熔化的粘结剂挤压至网格块的切割侧面而影响剥离。缺点：辊筒与原材料之间为线接触，接触面过小导致传热效率低，因此所需的加热功率较大。,7.3 成型系统,7.3.3.1 加热系统分类,由加压板和电阻式加热板组成，用热电偶测量加压板的温度，由温控器进行闭环温度控制。优点：结果简单，加压板与原材料之间为面接触，传热效率高，因此所需加热功率较小，加压板相对成型材料的移动速度可以比较高。缺点：加压板在工作过程中对原材料施加的侧向力比辊筒式大，可能使原材料发生错位或滑移，并将熔化的粘结剂挤压至网格块的切割侧面而影响剥离。,板式热压方式,（2）平板式加热系统,7.3 成型系统,7.
16、3.3.2 热压系统的组成,热压系统的组成及控制原理框图,热压系统是一个高度集成化的机械电子学单元，包括以下几部分：,热压机械结构。发热体、温度传感器及相应的温度控制系统。运动机构及相应的传动、驱动、控制系统。测高系统。借助于测高系统，在造型过程中自动调整工作台的位置，以保证零件加工平面、热压平面和扫描加工的聚焦平面始终在一个平面上。,7.3 成型系统,7.3.3.3 热压扫描集成机构,热压扫描集成机构示意图,热压扫描集成机构由热压装置，X轴运动机构（包括驱动电机、导轨、丝杠或同步齿形带，钢丝等），Y轴运动机构（包括驱动电机、导轨、丝杠或同步齿形带、钢丝等），聚焦镜和挂接机构组成。其中热压装置
17、和X轴运动机构都通过滑块在Y轴导轨上运动。而Y轴的驱动部件（如丝杠、滑块等）只与X轴运动机构连接。挂接机构利用机械挂接或电磁铁吸附完成X轴运动机构与热压装置的连接、分离。,7.3 成型系统,7.3.4 原料供应与回收系统,1-收纸辊 2-调偏机构 3-张紧辊 4-切割后的原型5-支撑辊 6-工作台 7-压紧辊 8-支撑辊 9-送纸辊 送纸装置工作原理图,送纸装置的作用是：当激光束对当前层的纸完成扫描切割，且工作台向下移动一定的距离后，将新一层的纸送入工作台，以便进行新的粘结和切割。送纸辊在电机的驱动下顺时针转动，带动纸行走，达到送纸的目的。当热压辊对纸进行碾压或激光束对纸进行切割时，收纸辊停止
18、旋转。当完成对当前层纸的切割，且工作台向下移动一定的距离后，收纸辊转动，实现送纸。,7.4 成型材料,7.4.1 薄片材料,根据对原型件性能要求的不同，薄片材料可分为：纸片材，金属片材，陶瓷片材，塑料薄膜材和复合材料片材。对基体薄片材料有如下性能要求：（1）抗湿性。（2）浸润性。（3）抗拉强度高。（4）收缩率小。（5）剥离性能好。（6）易打磨，表面光滑。（7）稳定性。成型零件可长时间保存。,7.4 成型材料,7.4.1 薄片材料,1.纸质片材 LOM工艺所用的纸一般由纸质基底和涂覆的粘结剂、改性添加剂组成，其成本较低，基底在成型过程中不发生状态改变，因此翘曲变形小，最适合于大、中型零件的制作。
19、,HRP系列薄材叠层快速成型机,7.4 成型材料,7.4.1 薄片材料,1.纸质片材 选择LOM纸材应按照以下基本要求：（1）形状为卷筒纸，便于系统工业化的连续加工。（2）纤维的组织结构好，质量好的纸纤维长且均匀，纤维间保持一定间隙。（3）纸的厚度要适中，根据成型制件的精度及成型时间的要求综合确定。（4）涂胶后的纸厚薄必须均匀。（5）力学性能好，纸在受拉力的方向必须有足够的抗张强度，便于纸的自动传输和收卷。,7.4 成型材料,7.4.1 薄片材料,陶瓷片材陶瓷材料一般为流延薄材，也可以是轧膜薄片。切割方式可采用接触式和非接触式两种，非接触式切割方式一般为激光切割，接触式切割可采用机械切割。国内
20、直接用于陶瓷领域的LOM设备非常少，目前研究的重点主要是集中在流延素坯卷材的生产、素坯的叠加和烧结性能的研究上，并在此研究的基础上开发可连续生产的成套设备。可制备的陶瓷器件主要为形状较为复杂的盘状和片状等。如果制造成本进一步降低，日常和工业上应用的大多数盘状、片状和管状陶瓷材料都可以通过LOM工艺来实现。,7.4 成型材料,7.4.2 热熔胶,用于LOM纸基的热熔胶按基体树脂划分，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。热熔胶要求有如下性能：（1）良好的热熔冷固性能（室温下固化）。（2）在反复“熔融-固化”条件下其物理化学性能稳定。（3）对纸张有很好的粘结性
21、能。（4）粘结而成的制件的硬度要高。（5）模型分离性能好。（6）工艺性良好，在纸张表面进行涂布时其涂布性要好。,7.4 成型材料,7.4.3 涂布工艺,涂布工艺包括涂布形状和涂布厚度两个方面。涂布形状指的是采用均匀式涂布还是非均匀涂布。均匀式涂布采用狭缝式刮板进行涂布，非均匀涂布有条纹式和颗粒式。一般来讲，非均匀涂布可以减少应力集中，但涂布设备比较贵。涂布厚度指的是在纸材上涂多厚的胶，选择涂布厚度的原则是在保证可靠粘结的情况下，尽可能涂得薄，以减少变形、溢胶和错移。,7.5 成型影响因素,7.5.1 原理性误差,1.成型系统的影响（1）高度传感器的测量误差。（2）热压板表面温度分布不均匀导致的
22、误差。,2.CAD面化模型精度的影响,3.切片方式的影响,4.光路系统偏差的影响,“台阶效应”,变形曲线,7.5.2 工艺性误差,1.成型中粘胶厚度场的影响,2.成型材料的热、湿变形的影响,（1）粘胶压力对粘胶的形变的影响（2）胶温对粘胶形变的影响（3）粘胶的流变性能对粘胶形变的影响（4）纸的渗透性对胶层厚度的影响,3.工艺参数设置的影响,7.5 成型影响因素,浮动辊热压方式,热压平板整体热压方式,板式热压方式,气囊式热压方式,7.6 典型应用,1.产品模型的制作（1）LOM制作车灯模型,轿车前照灯,轿车后组合灯,根据某公司提出的轿车系列车灯产品开发要求，利用叠层实体快速成型机按三维计算机模型
23、进行各种车灯的快速原型制造，上图为轿车前照灯和后组合车灯产品的LOM原型。,7.6 典型应用,根据某车灯设计公司提出的某六平柴后组合灯产品开发要求，利用叠层实体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。,1.产品模型的制作（1）LOM制作车灯模型,7.6 典型应用,1.产品模型的制作,LOM打印的鞋子模型,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。但是投入加工之前，公司仍然需要有实物模型。鞋底和鞋跟的LOM模型外观是木质的，为使模型看起来更真实，可在LOM表面喷涂可产生不同效果的材质。,（2）LOM制
24、作鞋子模型,7.6 典型应用,2.快速模具的制作,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。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。,铸铁手柄CAD模型,铸铁手柄LOM原型,7.6 典型应用,2.快速模具的制作,奥迪轿车刹车钳体精铸母模的LOM原型,采用LOM工艺制造汽车零部件精铸母模，生产效率高，尺寸精度高。如图所示为采用LOM工艺制造的奥迪轿车刹车钳体精铸母模的原型，其尺寸精度高，尺寸稳定不变形，表面粗糙度低、线条流畅，
25、完全达到并超过了精铸母模质量验收标准，并精铸出金属制件。,7.6 典型应用,3.工艺品的制作,LOM工艺制作的太极球,太极球的3D打印是典型的利用3D打印方法快速方便地制造概念模型零件的实例。它是为方便牢固地连接杆件面设想的一种连接方式，其结合面完全是由锥面通过复杂的旋转构成的，X、Y、Z三个方向中任何一个轴的加工误差将影响其无缝连接效果。利用LOM工艺制造时，成型件内应力很小，不易变形。只要处理得当，不易吸温，尤其是其精度高，表面粗糙度低，可以保证两个太极半球精确扣合的设计要求。,思考题,1.简述分层实体制造的原理。2.简述LOM成型的工艺过程3.简述表面涂覆的工艺过程4.简述LOM成型工艺的优缺点。5.LOM工艺成型质量的影响因素有哪些？,第7章 分层实体制造工艺及材料,
