叠层实体快速成型.docx

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叠层实体快速成型

职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库

铜合金铸件铸造技术课程教案

叠层实体快速成型

制作人：

杨兵兵

陕西工业职业技术学院

叠层实体快速成型

1、叠层实体制造工艺的基本原理和特点

1.叠层实体快速成型工艺的基本原理

由计算机、材料存储及送进机构、热粘压机构、激光切割系统、可升降工作台和数控系统和机架等组成。

首先在工作台上制作基底，工作台下降，送纸滚筒送进一个步距的纸材，工作台回升，热压滚筒滚压背面涂有热熔胶的纸材，将当前迭层与原来制作好的迭层或基底粘贴在一起，切片软件根据模型当前层面的轮廓控制激光器进行层面切割，逐层制作，当全部迭层制作完毕后，再将多余废料去除。

如图1所示。

图1叠层实体制造技术的原理简图

在叠层实体快速成型机上，截面轮廓被切割和叠合后所成的制品如下图所示。

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。

如图2所示。

图2截面轮廓及网格废料

2.叠层实体快速成型技术的特点

优点：

（1）原材料价格便宜，原型制作成本低

（2）制件尺寸大

（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）热物性与机械性能好，可实现切削加工

（7）精度高

（8）设备可靠性好，寿命长

（9）操作方便

缺点：

（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）表面有台阶纹，需打磨

二、叠层实体快速成型的材料和设备

1.叠层实体快速成型材料

薄层材料:

纸、塑料薄膜、金属箔等

粘结剂:

热熔胶

制备工艺：

涂布工艺

纸的性能要求：

1）抗湿性2）良好的浸润性3）抗拉强度4）收缩率小5）剥离性能好6）易打磨，表面光滑7）稳定性

热熔胶：

（1）良好的热熔冷固性（约70~100℃开始熔化，室温下固化）

（2）在反复“熔融－固化”条件下，具有较好的物理化学稳定性。

（3）熔融状态下与纸具有较好的涂挂性和涂匀性。

（4）与纸具有足够粘结强度。

（5）良好的废料分离性能。

涂布工艺：

涂布工艺有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，非均匀涂布又有多种形状。

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，非均匀涂布可以减小应力集中，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接的情况下，尽可能涂的薄，以减少变形、溢胶和错移。

2.叠层实体快速成型制造设备

常见的设备如图3~6所示。

图3Helisys公司的LOM-2030机型

图4Solidimension公司开发的SD300叠层打印机

图5SD300叠层打印机耗材配件及制作的模型

图6HRP系列薄材叠层快速成型机

三、叠层实体快速成型的工艺过程

叠层实体快速成型的工艺过程主要分为三个部分：

前处理、分层叠加和后处理。

具体的如图7所示。

图7叠层实体快速成型的工艺过程

四、提高叠层实体快速成型制作质量的措施

1.叠层实体原型制作误差分析

叠层实体原型的制作误差主要包含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、成型过程误差以及设备精度误差等。

具体的如图8所示。

图8叠层实体原型制作误差

（1）提高叠层实体原型制作精度的措施

（2）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。

（3）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，过小会引起轮廓切割的严重失真。

（4）模型的成型方向对工件品质（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。

应该将精度要求较高的轮廓（例如，有较高配合精度要求的圆柱、圆孔），尽可能放置在X-Y平面。

（5）为提高成形效率，在保证易剥离废料的前提下，应尽可能减小网格线长度，可以根据不同的零件形状来设定。

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。

（6）热湿变形控制：

采用新的材料和新的涂胶方法；改进后处理方法；根据制件的热变形规律预先对CAD模型进行反变形修正；原型制作后的处理措施：

加压下冷却叠层块；充分冷却后剥离；及时进行表面处理（涂覆增强剂如强力胶、环氧树脂漆或聚氨酯漆等，有助于增加制件的强度和防潮效果）。

3.原型的吸湿性及涂漆防湿效果试验：

从此表可以看出，未经任何处理的叠层块对水分十分敏感，在水中浸泡10min，叠层方向便涨高45mm，增长41%，而且水平方向的尺寸也略有增长，吸入水分的重量达164g，说明未经处理的LOM原型是无法在水中进行使用，或者在潮湿环境中不宜存放太久。

为此，将叠层块涂上薄层油漆进行防湿处理。

从实验结果看，涂漆起到了明显的防湿效果。

在相同浸水时间内，叠层方向仅增长3mm，吸水重量仅4g。

当涂刷两层漆后，原型尺寸已得到稳定控制，防湿效果已十分理想。

五、叠层实体制造工艺后处理中的表面涂覆

1.表面涂覆的必要性

LOM原型经过余料去除后，为了提高原型的性能和便于表面打磨，经常需要对原型进行表面涂覆处理，表面涂覆的好处有：

（1）提高强度；

（2）提高耐热性；

（3）改进抗湿性；

（4）延长原型的寿命；

（5）易于表面打磨等处理；

（6）经涂覆处理后，原型可更好地用于装配和功能检验。

纸材的最显著缺点是对湿度极其敏感，LOM原型吸湿后叠层方向尺寸增长，严重时叠层会相互之间脱离。

为避免因吸湿而引起的这些后果，在原型剥离后短期内应迅速进行密封处理。

表面涂覆可以实现良好的密封，而且同时可以提高原型的强度和抗热抗湿性。

2.表面涂覆的工艺过程

（1）将剥离后的原型表面用砂纸轻轻打磨，如图9所示：

图9剥离后的原型表面

（2）按规定比例配备涂覆材料（如双组份环氧树脂的重量比：

100份TCC-630配20份TCC-115N硬化剂），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10所示：

图10混合后的环氧树脂材料

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，实验结果如下图11所示：

图11叠层方向尺寸增长与浸水时间关系