详解3D打印LOM技术

逆光飞舞2017-02-21 08:33

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]。

详解3D打印LOM技术

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

详解3D打印LOM技术

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。

详解3D打印LOM技术

详解3D打印LOM技术

LOM技术的一般工艺流程是[1]:

详解3D打印LOM技术

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]。

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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。

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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。

LOM基体材料的特性要求[6]

LOM对于基体薄片材料要求是厚薄均匀、力学性能良好并与粘结剂有较好的涂挂性和粘接能力。对粘结剂性能的基本要求是,在LOM成型过程中,通过热压装置的作用使得材料逐层粘接在一起,形成所需的制件。材料品质的优劣主要表现为成型件的粘接强度、硬度、可剥离性、防潮性能等。用于LOM的粘结剂通常为加有某些特殊添加组分的热熔胶,它的性能要求是:

(1)良好的热熔冷固性能(室温固化);

(2)在反复“熔融-固化”条件下其物理化学性能稳定;

(3)熔融状态下与薄片材料有较好的涂挂性和涂匀性;

(4)足够的粘接强度;

(5)良好的废料分离性能。

LOM技术的优缺点

与其他方法相比较LOM 技术由于其在空间大小、原材料成本、机加工效率等方面独特的优点,因此使其得到了广泛的应用。其具体表现为[7]:

(1)LOM 技术在成形空间大小方面的优势。LOM 工作原理简单,一般不受工作空间的限制,从而使得可以采用LOM技术制造较大尺寸的产品。

(2)LOM 技术在原材料成本方面的优势。相对于LOM 技术,其他的加工系统都对其成形材料有相应的要求。例如SLA技术需要液体材料并且材料需要有可光固化,SLS 技术要求较小尺寸的颗粒形粉材,FDM 技术则需要可熔融的线材。不仅在种类和性能上这些成形原材料有差异, 而且在价格上也各不相同。从材料成本方面来看:FDM 技术和SLA 技术所需的材料有较高价格,SLS 技术的材料价格比较适中,相比较而言LOM 技术的材料最为便宜。

(3)LOM 技术在成形工艺加工效率方面的优势。相对于其他快速成型技术,LOM 技术加工中以面为加工单位, 因此这种加工方法有最高的加工效率。结合同其他快速成型的比较,LOM 技术具有以下特点:

(1) 由于LOM 工艺只须在片材上切割出零件截面的轮廓,而不用扫描整个界面,因此工艺简单,成型速度快,易于制造大型零件。

(2)工艺工程中不存在材料相变,因此不易引起翘曲、变形,零件的精度较高,激光切割为0.1mm,刀具切割为0.15mm。

(3)工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用,所以LOM 工艺无需加支撑。

(4)材料广泛,成本低,用纸制原料还有利于环保。

缺点在于:

A、有激光损耗,并且需要建造专门的实验室,维护费用太昂贵;

B、可以应用的原材料种类较少,尽管可选用若干原材料,但目前常用的还是纸,其他还在研发中;

C、打印出来的模型必须立即进行防潮处理,纸制零件很容易吸湿变形,所以成型后必须用树脂、防潮漆涂覆。

D、此种技术很难构建形状精细、多曲面的零件,仅限于结构简单的零件。

E、制作时,加工室温度过高,容易引发火灾,需要专门的人看守。

LOM技术的应用

快速原型制造技术仅有十几年的发展历史,早期的研究主要集中于开发快速原型的构造方法及其商品化设备上,随着快速原型制造设备的日趋完善和市场的强烈需求,近期研究的热点便转向开发快速原型的应用领域和完善制作工艺、提高原型制作质量. 受到高度重视的叠层实体制造技术的应用领域也正在不断扩展,概括起来主要有以下几个方面[8]:

产品概念设计可视化和造型设计评估

产品开发与创新是把握企业生存命脉的重要经营环节,过去所延用的产品开发模式是指产品开发→生产→市场开拓三者逐一开展,主要问题是将设计缺陷直接带入生产,并最终影响到产品的市场推广及销售,叠层实体制造技术可以解决这一问题. 也就是将产品概念设计转化为实体,为设计开发提供了充分的感性参考. 大体说来,可以发挥以下作用: ①为产品外形的调整和检验产品各项性能指标是否达到预想效果提供依据; ②检验产品结构的合理性,提高新产品开发的可靠性; ③用样品面对市场,调整开发思路,保证产品适销对路,使产品开发和市场开发同步进行,缩短新产品投放市场的时间.

产品装配检验

当产品各部件之间有装配关系时,就需要进行装配检验,而图纸上所反映的装配关系不直接,很难把握. LOM技术可以将图纸变为实体,其装配关系显而易见。

熔模铸造型芯

LOM实体在精密铸造中用作可废弃的模型,也就是说可以作为熔模铸造的型芯。由于在燃烧时LOM实体不膨胀,也不会破坏壳体,所以在传统的壳体铸造中,可以采用此种技术。

砂型铸造木模

传统砂型铸造中的木模主要是由木工手工制作的,其精度不高,而且对于形状复杂的薄壁件根本无法实现,LOM技术则可以很轻松地制作任何复杂的实体形状,而且完全可以达到高精度要求。

快速制模的母模

LOM技术可以为快速翻制模具提供母模原型。已开发出多种多样的快速模具制造工艺方法.。按模具材料和生产成本可分为软质模具(或简易模具)和钢质模具两大类,其中软质模具主要用于小批量零件或者用于产品的试生产。此类模具,一般先用LOM等技术制作零件原型,然后根据原型翻制成硅橡胶模、金属树脂模和石膏模等,然后再利用上述的软质模具制作产品。

直接制模

用LOM技术直接制成的模具,坚如硬木,并可耐200℃的高温,可用作低熔点合金的模具或试制用注塑模以及精密铸造用的蜡芯成型模等。

LOM技术应用实例

基于LOM 技术的快速制模工艺[7]

利用LOM 技术制作快速原型件,其基本原理是由背面涂有热熔性粘合剂,并经特殊处理的纸经激光切割、逐层叠加而成的,由于采用了熔化温度较高的粘结剂和特殊的改性添加剂,强度类似硬木,可承受200℃左右的高温,具有较好的力学强度和稳定性, 经过适当的表面处理,如喷涂清漆、高分子材料或金属后,可作为各类间接快速制模工艺的母模,或直接作为模具用于生产。利用LOM 技术制作的纸基砂型铸造模具, 可以取代传统的木模用于铸造生产,具有成本低、制造速度快精度高等特点,对于形状复杂的中小型铸件,其优势尤为突出。


详解3D打印LOM技术

摩托车发动机缸盖快速原型制作[9]

发动机缸盖三维CAD造型摩托车发动机缸盖的形状十分复杂,传统设计手段需要周期较长,根据设计结果采用传统的手工方法制作模型难度极大,甚至无法实现。本实例采用UGII软件进行该产品的三维设计,并直接驱动HRP-Ⅲ激光快速成型制造设备完成摩托车发动机缸盖原型的快速制造,显著缩短了该产品的设计与开发周期。

详解3D打印LOM技术

LOM工艺采用的原料价格便宜,因此制作成本极为低廉,其适用于大尺寸工件的成型,成型过程无需设置支撑结构,多余的材料也容易剔除,精度也比较理想。尽管如此,由于LOM技术成型材料的利用率不高,材料浪费严重,颇被诟病,又随着新技术的发展LOM工艺将有可能被逐步淘汰。

参考文献

[1] 于冬梅,LOM(分层实体制造)快速成型设备研究与设计[M], 河北科技大学,2011

[2] 李小明,李彦生,韩景芸. 基于超声波焊接技术的快速成型方法研究[J].机床与液压,2007, 35(3) : 4-6.

[3] 郭平英. 基于5mm以上分层板金属功能零件LOM 技术[J]. 山西冶金,2008(5) : 28-30.

[4] 徐明君,单忠德,南光熙,等.超声焊接在数字化分层实体制造中的应用研究[J]. 电加工与模具,2006( 4) : 32-34.

[5] 于殿泓,李涤尘,卢秉恒.一种新型制造加工手段—快速成塑制造技术[J].工具技术,2000,34(4):8-10

[6] 3D打印陶瓷:谁来捧场? 中国文化报 2014年02月15日

[7] 胡增荣, 周建忠, 高振宇, 等.快速模具制造技术在砂型铸造模具上的应用[J].铸造设备研究, 2005 ,(5):29-32.

[8] 黄诗君, 肖小亭, 张宏超.基于RP 的砂型铸造模具快速制造技术研究[J].大众科技, 2005 ,(1):20-22.

[9] 王广春,王晓艳,赵国群. 快速原型的叠层实体制造技术[J],山东工业大学学报,2001,31(1):59-64.

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