1、模具工程技術研究中心 METRC第三節 疊層實體制造工藝 (Laminated Object Manufacturing， 簡稱LOM，直譯名為“疊層實體制造”) 。疊層實體制造技術（Laminated Object Manufacturing，LOM）是幾種最成熟的快速成型制造技術之一。這種制造方法和設備自1991年問世以來，得到迅速發展。由于疊層實體制造技術多使用紙材，成本低廉，制件精度高，而且制造出來的木質原型具有外在的美感性和一些特殊的品質，因此受到了較為廣泛的關注，在產品概念設計可視化、造型設計評估、裝配檢驗、熔模鑄造型芯、砂型鑄造木模、快速制模母模以及直接制模等方面得到了迅速應用。

2、 2 快速成型制造工藝1凌云書屋模具工程技術研究中心 METRC由計算機、材料存儲及送進機構、熱粘壓機構、激光切割系統、可升降工作臺和數控系統和機架等組成。首先在工作臺上制作基底，工作臺下降，送紙滾筒送進一個步距的紙材，工作臺回升，熱壓滾筒滾壓背面涂有熱熔膠的紙材，將當前迭層與原來制作好的迭層或基底粘貼在一起，切片軟件根據模型當前層面的輪廓控制激光器進行層面切割，逐層制作，當全部迭層制作完畢后，再將多余廢料去除。一、基本原理和特點 基本原理:2 快速成型制造工藝2凌云書屋模具工程技術研究中心 METRC每層材料切割后的情況2 快速成型制造工藝3凌云書屋模具工程技術研究中心 METRC在這種快速

3、成形機上，截面輪廓被切割和疊合后所成的制品 如圖所示。其中，所需的工件被廢料小方格包圍，剔除這些小 方格之后，便可得到三維工件。 截面輪廓被切割和疊合后所成的制件 2 快速成型制造工藝4凌云書屋疊層實體制造技術的特點: 原型精度高 有較高的硬度和較好的機械性能，可進行各種切削加工 無須后固化處理 無須設計和制作支撐結構 廢料易剝離 制件尺寸大 原材料價格便宜，原型制作成本低 設備可靠性高，壽命長 不能直接制作塑料工件 工件的抗拉強度和彈性不夠好 工件易吸濕膨脹 工件表面有臺階紋 迭層實體制造方法與其他快速原型制造技術相比，具有制作效率高、速度快、成本低等優點，在我國具有廣闊的應用前景。 缺 點

4、優 點模具工程技術研究中心 METRC2 快速成型制造工藝5凌云書屋模具工程技術研究中心 METRCHRP-III LOM 激光快速成型機HRP-III LOM 激光快速成型機是華中理工大學快速制造中心與武漢濱湖機電技術產業有限公司生產的用于快速原型制造的商品化設備，該設備可在無人看管下運行，其主要技術指標可與國際上同類產品媲美。2 快速成型制造工藝6凌云書屋模具工程技術研究中心 METRCLOM原型 2 快速成型制造工藝7凌云書屋 分層疊加前處理后處理STL文件 切片處理 設置工藝參數 基底制作 原型制作 余料去除 表面質量處理 提高強硬度處理 激光切割速度加熱輥溫度 切片軟件精度 切碎網格

5、尺寸 模具工程技術研究中心 METRC二、疊層實體制造工藝過程 2 快速成型制造工藝8凌云書屋(1) 疊層實體原型制作誤差分析 弦差CAD模型STL文件輸出造成的誤差切片軟件STL文件輸入設置造成的誤差設備精度誤差不一致的約束 成型功率控制不當 切碎網格尺寸 工藝參數不穩定 成型之后環境變化引起誤差 熱變形 濕變形 模具工程技術研究中心 METRC三、提高疊層實體原型制作質量措施 2 快速成型制造工藝9凌云書屋 在進行STL轉換時，可以根據零件形狀的不同復雜程度來定。在保證成形件形狀完整平滑的前提下，盡量避免過高的精度。不同的CAD軟件所用的精度范圍也不一樣，例如Pro/E所選用的范圍是0.0

6、10.05mm，UG所選用的范圍是0.020.08mm，如果零件細小結構較多可將轉換精度設高一些。 (2) 提高疊層實體原型制作精度的措施 1 STL文件輸出精度的取值應與相對應的原型制作設備上切片軟件的精度相匹配。過大會使切割速度嚴重減慢，過小會引起輪廓切割的嚴重失真。2CADSTL 精度：0.08切片軟件精度：0.08 CADSTL 精度：0.08切片軟件精度：0.01 CADSTL 精度：0.08切片軟件精度：2 .00 模具工程技術研究中心 METRC2 快速成型制造工藝10凌云書屋 模型的成型方向對工件品質（尺寸精度、表面粗糙度、強度等）、材料成本和制作時間產生很大的影響。一般而言，

7、無論哪種快速成形方法，由于不易控制工件Z方向的翹曲變形等原因，工件的X-Y方向的尺寸精度比Z方向的更易保證，應該將精度要求較高的輪廓盡可能放置在X-Y平面。 3 切碎網格的尺寸有多種設定方法。當原型形狀比較簡單時，可以將網格尺寸設大一些，提高成型效率；當形狀復雜或零件內部有廢料時，可以采用變網格尺寸的方法進行設定，即在零件外部采用大網格劃分，零件內部采用小網格劃分。 4 處理濕脹變形的一般方法是涂漆。為考察原型的吸濕性及涂漆的防濕效果，選取尺寸相同的通過快速成型機成型的長方形疊層塊經過不同處理后，置入水中10min進行實驗，其尺寸和重量的變化情況如下表所示。5模具工程技術研究中心 METRC2

8、 快速成型制造工藝11凌云書屋 從此表可以看出，未經任何處理的疊層塊對水分十分敏感，在水中浸泡10min，疊層方向便漲高45mm，增長41%，而且水平方向的尺寸也略有增長，吸入水分的重量達164g，說明未經處理的LOM原型是無法在水中進行使用，或者在潮濕環境中不宜存放太久。為此，將疊層塊涂上薄層油漆進行防濕處理。從實驗結果看，涂漆起到了明顯的防濕效果。在相同浸水時間內，疊層方向僅增長3mm，吸水重量僅4g。當涂刷兩層漆后，原型尺寸已得到穩定控制，防濕效果已十分理想。 模具工程技術研究中心 METRC2 快速成型制造工藝12凌云書屋模具工程技術研究中心 METRC LOM原型經過余料去除后，為了

9、提高原型的性能和便于表面打磨，經常需要對原型進行表面涂覆處理，表面涂覆的好處有：（1）提高強度；（2）提高耐熱性；（3）改進抗濕性；（4）延長原型的壽命；（5）易于表面打磨等處理； （6）經涂覆處理后，原型可更好地用于裝配和功能檢驗。 四、疊層實體制造工藝后置處理中的表面涂覆 紙材的最顯著缺點是對濕度極其敏感，LOM原型吸濕后疊層方向尺寸增長，嚴重時疊層會相互之間脫離。為避免因吸濕而引起的這些后果，在原型剝離后短期內應迅速進行密封處理。表面涂覆可以實現良好的密封，而且同時可以提高原型的強度和抗熱抗濕性。（一）表面涂覆的必要性2 快速成型制造工藝13凌云書屋模具工程技術研究中心 METRC原型表

10、面涂覆的示意圖 2 快速成型制造工藝14凌云書屋模具工程技術研究中心 METRC 表面涂覆使用的材料一般為雙組分的環氧樹脂，如TCC630和TCC115N硬化劑等。原型通過表面涂覆處理后，尺寸穩定而且壽命也得到了提高。（1）將剝離后的原型表面用砂紙輕輕打磨，如圖所示： （二）表面涂覆的工藝過程2 快速成型制造工藝15凌云書屋模具工程技術研究中心 METRC（2）按規定比例配備環氧樹脂（重量比：100份TCC-630配20份TCC-115N），并混合均勻； （3）在原型上涂刷一薄層混合后的材料，因材料的粘度較低，材料會很容易浸入紙基的原型中，浸入的深度可以達到1.21.5mm；（4）再次涂覆同樣

11、的混合后的環氧樹脂材料以填充表面的溝痕并長時間固化，如圖所示： 2 快速成型制造工藝16凌云書屋模具工程技術研究中心 METRC（5）對表面已經涂覆了堅硬的環氧樹脂材料的原型再次用砂紙進行打磨，打磨之前和打磨過程中應注意測量原型的尺寸，以確保原型尺寸在要求的公差范圍之內； （6）對原型表面進行拋光，達到無劃痕的表面質量之后進行透明涂層的噴涂，以增加表面的外觀效果，如圖所示。 2 快速成型制造工藝17凌云書屋模具工程技術研究中心 METRC 通過上述表面涂覆處理后，原型的強度和耐熱防濕性能得到了顯著提高，將處理完畢的原型浸入水中，進行尺寸穩定性的檢測，實驗結果如圖所示：2 快速成型制造工藝18凌

12、云書屋模具工程技術研究中心 METRC2 快速成型制造工藝 疊層實體快速成型工藝方法采用薄層材料整體粘接后，根據當前疊層的實體輪廓進行切割，逐層累積完成原型的制作，制作后需要去除余料。后處理中余料去除的工作量是比較繁重和費時的，尤其是對于內孔結構和內部型腔結構，其余料的去除是超常的困難，有時甚至是難以實現。針對這種狀況，提出了采用雙層薄材的新型疊層實體制造工藝方法并進行了研究和嘗試。 五、 新型疊層實體快速成型工藝方法 Ennex公司提出了一種新型疊層實體快速成型工藝方法，稱為“Offset Fabrication”方法。該方法使用的薄層材料為雙層結構，如圖a所示。上面一層為制作原型的疊層材料

13、，下面的薄層材料是襯材。雙層薄材在疊層之前進行輪廓切割，將疊層材料層按照當前疊層的輪廓進行切割，然后進行粘接堆積，如圖b所示。粘接后，襯層材料與疊層材料分離，帶走當前疊層的余料。但是這種疊層方法只能適用于當前疊層需要去除余料的面積小于疊層實體面積的情況，否則，余料就會依然全部粘接在前一疊層上。19凌云書屋模具工程技術研究中心 METRC2 快速成型制造工藝Offset Fabrication 疊層實體快速成型工藝方法原理20凌云書屋模具工程技術研究中心 METRC2 快速成型制造工藝 比如，成型圖a所示的原型中灰色的疊層，進行了圖b輪廓切割，然后按照圖c粘接在一起，當襯層材料移開時，卻未能像預

14、期的如圖d所示的情況帶走余料，而是像如圖e一樣，所有的疊層材料全部粘結在前一疊層上了。 Offset Fabrication 疊層實體快速成型工藝存在的問題21凌云書屋模具工程技術研究中心 METRC2 快速成型制造工藝針對“Offset Fabrication”方法存在的上述問題，Inhaeng Cho提出了另外一種新的疊層實體快速原型工藝方法。Inhaeng Cho提出的新工藝仍然采用雙層薄材，只是襯層材料只起粘結作用，而疊層材料被切割兩次。首先切割內孔或內腔的內輪廓，之后，內孔或內腔的余料在襯層與疊層分離時被襯層粘結帶走，然后被去除內孔或內腔余料的疊層材料繼續送進進行與原來制作好的疊層實

15、現粘結，之后，進行第二次切割，切割其余輪廓。該方法建造過程的原理如圖所示。整個過程分為如下6步：新工藝方法中疊層建造步驟22凌云書屋模具工程技術研究中心 METRC隨著汽車制造業的迅猛發展，車型更新換代的周期不斷縮短，導致對與整車配套的各主要部件的設計也提出了更高要求。其中，汽車車燈組件的設計，要求在內部結構滿足裝配和使用要求外，其外觀的設計也必須達到與車體外形的完美統一。車燈設計與生產的專業廠家傳統的開發手段受到了嚴重的挑戰。快速成型技術的出現，較好地迎合了車燈結構與外觀開發的需求。下面為某車燈配件公司為國內某大型汽車制造廠開發的某型號轎車車燈LOM原型，通過與整車的裝配檢驗和評估，顯著提高

16、了該組車燈的開發效率和成功率。 六、疊層實體制造工藝的應用示例 1、汽車車燈 2 快速成型制造工藝23凌云書屋模具工程技術研究中心 METRC隨著汽車制造業的迅猛發展，車型更新換代的周期不斷縮短，導致對與整車配套的各主要部件的設計也提出了更高要求。其中，汽車車燈組件的設計，要求在內部結構滿足裝配和使用要求外，其外觀的設計也必須達到與車體外形的完美統一。車燈設計與生產的專業廠家傳統的開發手段受到了嚴重的挑戰。快速成型技術的出現，較好地迎合了車燈結構與外觀開發的需求。下面為某車燈配件公司為國內某大型汽車制造廠開發的某型號轎車車燈LOM原型，通過與整車的裝配檢驗和評估，顯著提高了該組車燈的開發效率和

17、成功率。 六、疊層實體制造工藝的應用示例 1、汽車車燈 2 快速成型制造工藝24凌云書屋轎車前照燈轎車后組合燈 根據魯得貝公司提出的轎車系列車燈產品開發要求，利用HRP-III 型LOM 激光快速成型機按三維計算機模型進行各種車燈的快速原型制造，上圖為本轎車前照燈和后組合車燈產品的LOM原型。模具工程技術研究中心 METRC2 快速成型制造工藝25凌云書屋 根據魯得貝公司提出的一汽六平柴后組合燈產品開發要求，利用HRP-III 型LOM 激光快速成型機按三維計算機模型進行該組各種車燈的快速原型制造，本組圖片為該系列燈型產品的LOM原型。模具工程技術研究中心 METRC2 快速成型制造工藝26凌

18、云書屋模具工程技術研究中心 METRC某機床操作手柄為鑄鐵件，人工方式制作砂型鑄造用的木模十分費時困難，而且精度得不到保證。隨著CADCAM技術的發展和普及，具有復雜曲面形狀的手柄的設計直接在CAD/CAM軟件平臺上完成，借助快速成型技術尤其是疊層實體制造技術，可以直接由CAD模型高精度地快速制作砂型鑄造的木模，克服了人工制作的局限和困難，極大地縮短了產品生產的周期并提高了產品的精度和質量。下圖為鑄鐵手柄的CAD模型和LOM原型。 2、鑄鐵手柄 CAD模型LOM原型2 快速成型制造工藝27凌云書屋模具工程技術研究中心 METRC當前國際上制鞋業的競爭日益激烈，而美國Wolverine Worl

19、d Wide 公司無論在國際還是美國國內市場都一直保持著旺盛的銷售勢頭，該公司鞋類產品的款式一直保持著快速的更新，時時能夠為顧客提供高質量的產品，而使用PowerSHAPE軟件和Helysis公司的LOM快速原型加工技術是Wolverine World Wide 公司成功的關鍵。 3、LOM原型在制鞋業中的應用 Wolverine 的設計師們首先設計鞋底和鞋跟的模型或圖形，從不同角度用各種材料產生三維光照模型顯示，這種高質的圖像顯示使得在開發過程中能及早地排除任何看起來不好的裝飾和設計。 即使前期的設計已經排除了許多不理想的地方，但是投入加工之前，Wolverine公司仍然需要有實物模型。鞋底和鞋跟的LOM模型非常精巧，但其外觀是木質的，為使模型看起來更真實，可在LOM表面噴涂產生不同材質效果。 每一種鞋底配上適當的鞋面后生產若干雙樣品，放到主要的零