分层实体制造
LOM(分层实体制造)快速成型设备研究与设计的开题报告
LOM(分层实体制造)快速成型设备研究与设计的开题
报告
一、研究背景
随着数字化制造技术的快速发展，快速成型技术已经逐渐成为了数字化制造的核心技术之一，并且已经广泛应用于航空、汽车、医疗和生物等领域。
然而，市场上现有的快速成型设备一般都是单层实体的工作台，所制造的产品尺寸精度和表面质量都无法满足高精度生产的要求。
为了解决这一问题，本项目将研究和设计一种LOM（分层实体制造）快速成型设备，以满足高精度生产的需要。
二、研究目标
本项目的主要研究目标是设计一种新型的LOM快速成型设备，该设备具备以下特点：
1. 设备工作台采用分层结构，能够制造多层实体。
2. 设备采用高精度传感器和先进的控制系统，使得制造出来的产品尺寸和表面质量达到高精度要求。
3. 设备具有低噪音、高效能、低能耗等优点。
4. 设备操作简单、易于维护。
三、研究内容和步骤
1. 搜集现有相关技术文献，并进行归纳整理。
2. 分析设计要求，研究分层实体制造的工艺流程，制定可行的设备设计方案。
3. 根据设计方案，进行设备的三维设计，并进行CAD绘图。
4. 选用适当的材料和加工工艺，对设备进行加工制造。
5. 对设备进行调试和测试，并对测试结果进行分析。
6. 优化设计方案，完善设备的性能和功能，最终实现高精度生产要求。
四、预期成果
本项目将设计和研制一种新型的LOM快速成型设备，能够制造多层实体并达到高精度要求。
预计该设备的研发成功将为高精度生产提供全面支持，推动数字化制造技术的向前发展。
四种常见快速成型技术
四种常见快速成型技术FDM丝状材料选择性熔覆（Fus ed Dep osi tion Mod eling）快速原型工艺是一种不依*激光作为成型能源、而将各种丝材加热溶化的成型方法，简称FDM。
丝状材料选择性熔覆的原理室，加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作X-Y平面运动。
热塑性丝状材料（如直径为1.78m m的塑料丝）由供丝机构送至喷头，并在喷头中加热和溶化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大约0.127mm厚的薄片轮廓。
一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层"画出"截面轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。
这种工艺方法同样有多种材料选用，如ABS塑料、浇铸用蜡、人造橡胶等。
这种工艺干净，易于操作，不产生垃圾，小型系统可用于办公环境，没有产生毒气和化学污染的危险。
但仍需对整个截面进行扫描涂覆，成型时间长。
适合于产品设计的概念建模以及产品的形状及功能测试。
由于甲基丙烯酸ABS（M AB S）材料具有较好的化学稳定性，可采用加码射线消毒，特别适用于医用。
但成型精度相对较低，不适合于制作结构过分复杂的零件。
FD M快速原型技术的优点是：1、操作环境干净、安全可在办公室环境下进行。
2、工艺干净、简单、易于材作且不产生垃圾。
3、尺寸精度较高，表面质量较好，易于装配。
可快速构建瓶状或中空零件。
4、原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换。
5、材料利用率高。
6、可选用多种材料，如可染色的A BS和医用A BS、PC、PP SF等。
FDM快速原型技术的缺点是：1、做小件或精细件时精度不如SLA，最高精度0.127mm。
2、速度较慢。
SL A敏树脂选择性固化是采用立体雕刻（Stereo litho gra phy）原理的一种工艺，简称SLA，也是最早出现的、技术最成熟和应用最广泛的快速原型技术。
在树脂液槽中盛满液态光敏树脂，它在紫外激光束的照射下会快速固化。
分层实体制造技术的优势与缺陷
知识要点
二、立体光固化技术的缺陷
1．不能直接制作塑料工件； 2．工件的抗拉强度和弹性不够好； 3、工件易吸湿膨胀； 4．工件表面有台阶纹； 5．前后处理费时费力，且不能制造中空结构件。
课后练习
1.下列选项中不是分层实体制造技术的优势的是（ ） A 工件表面有台阶纹 B 原型精度高 C 无须后固化处理 D 制件尺寸大
分层实体制造技术的优势与缺陷
学习目标
1、熟悉分层实体制造技术的优势； 2、熟悉Байду номын сангаас层实体制造技术的缺陷。
分层实体制造方法与其他快速原型制造 技术相比，具有制作效率高、速度快、成本 低等优点，在我国具有广阔的应用前景。
图 LOM技术制造的样件
知识要点
一、分层实体制造技术的优势
1．原型精度高； 2．有较高的硬度和较好的机械性能，可进行各种切削加工； 3．无须后固化处理； 4．无须设计和制作支撑结构； 5．废料易剥离； 6．制件尺寸大； 7．原材料价格便宜，原型制作成本低； 8．成型速度快。
2.判断以下说法正确与否。 分层实体制造技术制造的样件有较高的硬度和较好的机械性能，
可进行各种切削加工。（ ）
谢谢
LOM分层实体制造
分层实体制造方法与其他快速原型制造技术相比，具有制 作效率高、速度快、成本低等优点，在我国具有广阔的应用前 景。
LOM 原型成型的一般工艺过程
LOM成型的全过程可以归纳为前处理、分层 叠加成型、后处理3个主要步骤。具体的说， LOM成型的工艺过程大致如下： (1)图形处理阶段。制造一个产品，首先通过 三维造型软件(如：Pro／E、UG、SolidWorks)进 行产品的三维模型构造，然后将得到的三维模型 转换为STL格式，再将STL格式的模型导人到专 用的切片软件中(如华中科大的HRP软件)进行切 片。
LOM（分层实体制造法）快速成形系统的成形原理：
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。
分层实体制造
分层实体制造
• LOM工艺称为分层实体制造，由美国Helisys公司的 Michael Feygin于1986年研制成功。该公司已推出 LOM-1050和LOM-2030两种型号成形机。 • 研究LOM工艺的公司除了Helisys公司，还有日本 Kira公司、瑞典Sparx公司、新加坡Kinergy精技私人 有限公司、清华大学、华中理工大学等。 • LOM是几种最成熟的快速成型制造技术之一。这种制 造方法和设备自1991年问世以来，得到迅速发展。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。
LOM分层制造技术课件
通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 如图所示：
四、叠层实体制造工艺的应用示例
1、汽车车灯
随着汽车制造业的迅猛发展，车型更新换代的周期不断缩短，导致对与整车配 套的各主要部件的设计也提出了更高要求。其中，汽车车灯组件的设计，要求在内 部结构满足装配和使用要求外，其外观的设计也必须达到与车体外形的完美统一。 车灯设计与生产的专业厂家传统的开发手段受到了严重的挑战。快速成型技术的出 现，较好地迎合了车灯结构与外观开发的需求。下面为某车灯配件公司为国内某大 型汽车制造厂开发的某型号轿车车灯LOM原型，通过与整车的装配检验和评估，显 著提高了该组车灯的开发效率和成功率。
轿 车 前 照 灯
轿 车 后 组 合 灯
根据鲁得贝公司提出的轿车系列车灯产品开发要求，利用HRP-III 型LOM 激 光快速成型机按三维计算机模型进行各种车灯的快速原型制造，上图为本轿车前照 灯和后组合车灯产品的LOM原型。
根据鲁得贝公司提出的一汽六 平柴后组合灯产品开发要求，利用
HRP-III 型LOM 激光快速成型机按
在这种快速成形机上，截面轮廓被切割和叠合后所成的制品 如图所示。其中，所需的工件被废料小方格包围，剔除这些小 方格之后，便可得到三维工件。
截面轮廓被切割和叠合后所成的制件
叠层实体制造技术的特点:
优点
原型精度高 有较高的硬度和较好的机械性能，可进行各种切削加 无须后固化处理工 无须设计和制作支撑结构 废料易剥离
加
速度 度 精度 尺寸
基底制作
第7章 分层实体制造工艺及材料
Nantong Institute of Technology
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。
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。
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
Nantong Institute of Technology
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。
LOM成型设备结构原理图
Nantong Institute of Technology
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。
7.2 成型原理及工艺
7.2.2 成型工艺
表面涂覆的具体工艺过程如下：
超声焊接在数字化分层实体制造中的应用研究
目前 ， 快速 原 型制造 可使用 的材料有 限 ， 尤其是 在 直接 金属模 具 及 零 件 制 造 中 ， 由于受 到 成 形 工艺 技术 的制 约 ， 可使用 的材 料更 为有 限 。此外 ， 制造 成 本 高 等 因素也 制约 着该 制造 技术 的应用 。超 声焊 接
是一 种 特 殊 的 焊 接 方 法 ， 实 现 同 种 金 属 、 种 金 能 异
收 稿 Ｅ期 ： ０ ６—０ ｌ ２０ ３—０ ６ 基 金 项 目 ：国家 自然科 学 基 金 资 助 项 目（０ ０ ０ ９ ５ ３５ ０ ）
极 件
第一作者简介 ： 明君 ，女 ， ９ ０年生 ，硕士研究生 。 徐 １８
一
图 １ 金 属 超 声 焊 接 机 原 理 图
３２ 一
维普资讯
设 计 ・ 究 研
超声 发 生器 是变 频装 置 ， 用来 将 工频 （０ Ｈ ） ５ ｚ 电
Ｔ ｅＲ ｓａ ｃ ｆＵ ｔａｏ ｉ Ｗ ｅ ｉｇｏ ｉｉ ｌ ａ ｎ ｔ ｊｃ ｎ ｆｃｕ ｉｇ ｈ ｅｅｒｈｏ ｌ ｓ ｎｃ ｌ ｎ ｎＤ ｇｔ ｍｉａｅ ０ｂｅｔ ｒ ｄ ａＬ ｄ Ｍａ ｕａ ｔｒ ｎ
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Ａｂｓｒ ｃ ：Ｔｈ ａ ｅ ｕ ｔａ ｔ ｅ ｐ ｐ ｒｓ ｍｍａ ｉｅ ｈｅｐｒｎｃｐｌ ｎｄ ｅ ｕ ｐ ｅ ｓｏｆｕ ｔａ ｏ ｃ ｍｅ ａ ｌ ｉ ｒｅ ｌ ｒｚ ｓ ｔ ｉ ｉ ｅ ａ ｑ ｉ ｍ ｎｔ ｌｒ ｓ ｎｉ ｔ ｌｗｅ ｄｎｇ ｂ ｉｆｙ． Ｔｈｒ ｕ ｈ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔ ，ｔ ｅ ｉ ａ ｔｏ ｌ ｎ ａ ａ ｔｒ ｎ ｒ ｃ ｓｏ ｈ ｔｅ ｔ ｓｄ ｓ ｕ ｓ ｄ．Ｔｈｅ ｏ ｇ ｘ ｅ ｉ ｎ ｓ ｈ ｍｐ ｃ ｆｗｅｄｉｇ ｐ ｒ ｍｅ ｅ ｓａ ｄ ｐ ｏ ｅ ｎ ｔ ｅ ｓｒ ｎｇ ｈ ｉ ｉｃ ｓｅ ｓ
先进制造-快速成形技术-薄片分层LOM
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切割、 粘接完，得到三维的实体零件。
较便宜，运行成本和设备投资较低，故获得了一定的应用。
可以用来制作汽车发动机曲轴、连杆、各类箱体、盖板等零 部件的原形样件。
工 艺 样 件
快速成形技术发展趋势
如今的快速成形技术已经作为一种基本方法被广泛应 用于各个领域。随着社会的不断发展和市场需求的不 断变化，快速成形技术将迎来新的发展契机。 快速成形工业将会在未来几年发生巨大的变化，主要
5、 由于难以(虽然并非不可能)去除里面的废料，该工艺不宜构建内 部结构复杂的零件。
6、当加工室的温度过高时常有火灾发生。因此，工作过程中需要专 职人员职守。
LOM分层叠加成形设备
设备组成： ①激光系统 ②走纸机构 ③X、Y扫描机构 ④Z轴升降机构 ⑤加热辊
3. 应用 薄片分层叠加快速成形工艺和设备由于其成形材料纸张
快速成形工艺
——薄片分层叠加成形LOM
成员：陈卓 张昊
李涛 严之良 谢凯
薄片分层叠加成形(LOM—Laminated Object Manufacturing)
又称叠层实体制造或分层实体制造，由美国Helisys公 司于1986年研制成功，并推出商品化的机器。因为常用纸作 原料，故又称纸片叠层法。 1. LOM工艺原理 采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等作为成形材料，片材 表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，用CO2激光器（或刀） 在计算机控制下按照CAD分层模型轨迹切割片材，然后通过 热压辊热压，使当前层与下面已成形的工件层粘接，从而堆 积成型。
0802裴宏源 分层实体制造技术的应用
分层实体制造技术的应用
扩散焊分层实体制造技术是采用金属层板或箔片做造型,根据喷射矢量流的要求,设计并光刻或蚀刻成相应的流道后,多层叠起装配并连接在一起,从而完成实体制造。
分层实体制造技术已经逐渐地应用于含有曲面内腔、非线性流道实体，以及梯度复合材料的制造当中。
各层之间的连接，作为分层实体制造技术中的重要一环，要求同时焊接数十、甚至上百个接头，并要在焊后得到复杂、精确的内腔或流道形状，因此必须有一种高精密焊接技术来实现其整体成型。
但是传统的恒温恒压扩散焊工艺产生的焊接变形过大，不能满足要求。
基于自行研制的DJH-1多功能真空焊机和Vacbond真空扩散焊机，我们自主开发出一种新的扩散焊工艺，以实现上述高精密连接。
对于不锈钢、铝合金、铜合金的分层实体制造，该工艺可以将数十道焊缝的总体变形量控制在2～3%以下，同时焊合率高于93%。
通过我们的不断探索和研究，我们实验室已经对不锈钢打印喷头、不锈钢阀笼及钛合金工件成功完成分层实体制造。
下图为我们已经成功采用分层实体制造的不锈钢打印喷头：
图(a) 焊接前单层零件图
焊接前单层零件图，内部复杂的流道可以清楚的看见，下图为焊接后不锈钢喷头：。
分层实体制造的原理
分层实体制造的原理今天来聊聊分层实体制造的原理，这个技术啊，听起来有点高大上，但是只要你跟着我的思路走，就会发现其实也挺有意思的呢。
我先说个生活中的小现象吧，你们小时候有没有玩过搭积木呀？一层一层地往上搭，最后就搭出了一个大城堡或者别的什么形状。
分层实体制造呢，就有点像搭积木这个过程。
分层实体制造，简单来说就是将三维的立体零件按照高度方向分层，就像你把一个蛋糕一层一层切开那样，然后把每一层的形状制作出来，最后叠加在一起就形成了最终的零件。
这里涉及到一个关键的东西就是它的材料，一般来说这种制造方式的材料就像是特别的“纸片”（当然这只是为了方便理解的比喻，实际材料要复杂得多）。
这些“纸片”有一定的厚度，每一片都要根据零件在这一高度层的形状进行切割。
我刚接触这个原理的时候其实也很困惑，心里想这怎么就能把复杂的零件给做出来呢？后来经过学习才明白了它的精妙之处。
比如说制作一个小的齿轮模型吧，如果用分层实体制造，它就会先根据这个齿轮在不同高度的形状（从底部到顶部）把每一层像“纸片”一样的材料切割好，有齿的部分就切割出齿的形状，然后按照顺序一层一层地叠加粘贴起来，一个齿轮就慢慢成形了。
有意思的是，这个技术在实际应用中有很多的注意事项呢。
比如说每一层的切割精度必须要高，不然叠加起来整个零件就变形了，就像你搭积木的时候，每一块积木要是形状不对或者没放好，那最后搭起来的肯定不是你想要的形状。
说到这里，你可能会问，那它都用在哪些地方呢？分层实体制造在工业设计阶段非常有用。
打个比方吧，就像设计师要设计一个新款的手机壳，就可以先利用分层实体制造技术快速做出样品来，看看实际的手感、外观、尺寸合不合适。
要是哪里不合适，在电脑上修改了设计，又能很快再做出一个新的样品来。
这样可以大大缩短产品设计周期，提高效率。
不过我也得承认，现在的分层实体制造技术还有很多发展的空间。
比如说材料的适用范围还可以继续拓展，制造精度也还可以进一步提高。
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所需的工件 被废料小方 格包围，剔 除这些小 方 格之后，便 可得到三维 工件。
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抗拉强度 ③收缩率小 ④剥离性能好
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。
STL文件
切片处理
设置工艺参数
激光 加热 切片 切碎 切割 辊温 软件 网格 速度 度 精度 尺寸
基底制作
原型制作
余料去除 表面质量处理 提高强硬度处理
CAD模型STL文件输出造成的误差 切片软件STL文件输入设置造成的误差
设备精度误差：不一致的约束、成型功率 控制不当、切碎网格尺寸、工艺参数不稳 定等。 成型之后环境变化引起的误差：湿度变化、 温度变化等。
LOM
…
LOM工艺称为分层实体制造，由美国Helisys公 司的Michael Feygin于1986年研制成功。该公 司已推出LOM-1050和LOM-2030两种型号成形机。 研究LOM工艺的公司除了Helisys公司，还有 日本Kira公司、瑞典Sparx公司、新加坡 Kinergy精技私人有限公司、清华大学、华中 理工大学等。 LOM是几种最成熟的快速成型制造技术之一。 这种制造方法和设备自1991年问世以来，得到 迅速发展。
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。
谢谢观赏！
原型精度高
有较高的硬度和较好的机械性能，可进行 各种切削加工 无须后固化处理 无须设计和制作支撑结构 制件尺寸大 原材料价格便宜，原型制作成本低
不能直接制作塑料工件 工件的抗拉强度和弹性不够好 工件易吸湿膨胀 工件表面有台阶纹
前 处 理
分 层 叠 加 后 处 理
在进行STL转换时，可以根据零件形状的不 同复杂程度来定。在保证成形件形状完整 平滑的前提下，尽量避免过高的精度。不 同的CAD软件所用的精度范围也不一样， 例如Pro/E所选用的范围是0.01～0.05mm， UGⅡ所选用的范围是0.02~0.08mm，如果 零件细小结构较多可将转换精度设高一些 STL文件输出精度的取值应与相对应的原型 制作设备上切片软件的精度相匹配。过大 会使切割速度严重减慢，过小会引起轮型方向对工件品质（尺寸精度、表面 粗糙度、强度等）、材料成本和制作时间产生 很大的影响。一般而言，无论哪种快速成形方 法，由于不易控制工件Z方向的翘曲变形等原 因，工件的X-Y方向的尺寸精度比Z方向的更易 保证，应该将精度要求较高的轮廓尽可能放置 在X-Y平面。 切碎网格的尺寸有多种设定方法。当原型形状 比较简单时，可以将网格尺寸设大一些，提高 成型效率；当形状复杂或零件内部有废料时， 可以采用变网格尺寸的方法进行设定，即在零 件外部采用大网格划分，零件内部采用小网格 划分。 成型过后要进行防潮处理。