最成熟的快速成形制造技术—分层实体制造

　　分层实体制造（Laminated Object Manufacturing，简称LOM）又称薄形材料选择性切割，是几种最成熟的快速成型制造技术之一。分层实体制造方法和设备自1991年问世以来，得到迅速发展。目前世界上投人使用的设备，主要有Helisys公司的纸张叠层造型 LOM系列、新加坡 Kinergy 公司的ZIPPY 型薄形材料选择性切割成型机等。

　　1）工艺原理

　　成型零件的 CAD 模型输入成型系统，再用系统中的切片软件对模型进行切片处理，从而得到产品在高度方向上一系列横截面的轮廓线。其成型过程，

　　由系统控制微机指令，步进电动机带动主动辊芯转动，使纸卷转动并在切割台面上自右向左移动预定的距离。同时，工作台升高至切割位置。之后热压装置中的热压辊自左向右滚动，对工作台上方的纸及涂敷于纸的下表面的热熔胶加热、加压，使纸粘于基底上。激光切割头依据分层截面轮廓线切割纸，并在余料上切出长方形边框，工作台连同被切出的轮廓层下降至一定高度后步进电动机驱动主动辊再次沿逆时针方向转动，直至完成最后一层轮廓粘合和切割。从工作台上取下被边框所包围的长方体，用小锤敲打使大部分由小网格构成的小立方块废料与制品分离，再用小刀从制品上提出残余的小立方块，得到三维原型制品。

　　2）系统组成

　　在此以新加坡Kinergy公司开发、生产的一种ZIPPY型薄形材料选择性切割成型机为例对 LOM 系统组成加以介绍。如图5所示，它由计算机、原材料存贮及送进机构、热粘压机构、激光切割系统、可升降工作台和数控系统、模型取出装置和机架等组成。

　　控制系统与控制软件

　　数控系统基本的控制对象为材料送进（ R 轴）、热压辊移动（ H 轴）、扫描与切割（X 轴、 Y 轴）、工作台（Z轴）、温度控制、激光能量控制等。这是一个两级控制系统，由此产生了上、下位机。第一级的下位机负责完成运动轴开闭环控制及信息反馈。这里实时切片厚度参数由智能模板CPU完成，并且由两块智能化控制模块负责五轴伺服控制。第二级的上位机用于整个数控系统的集中管理，由工业控制计算机完成动态仿真、适时切片、键盘管理、信息处理、参数设置与显示，并向控制计算机发送切片数据及控制命令。在其计算机中配有如下控制软件：

　　aSTL 格式文件的纠错和修补软件。它能标识读人 STL 格式文件中三角形的错误，并由操作者加以修改。

　　b三维模型的切片软件。它能对三维模型的别 STL格式文件，沿成型的高度方向，每隔一定的间隔，自动提取截面的轮廓边界的信息。

　　c激光切割速度与切割功率的自动匹配软件。它能根据激光的瞬时切割速度自动调节激光的输出功率，以便在保证高切割质量的前提下，有较高的生产率，使得在快速切割直线时有足够的切割功率，能恰好切透一层材料切割画弧时不会因切割功率过大而烧糊工件。

　　d激光光束宽度（即切口宽度）的自动补偿软件。它能自动决速识别截面的内、外轮廓的边界，根据激光的光束宽度（0.1~0.2mm） ，控制切割头，相对理论内、外轮廓的边界，自动向内或向外偏移半个光束宽度（0.05~0.1mm） ，从而保证实际切得的轮廓边界与理论轮廓边界相重合。

　　3）材料处理系统

　　a原材料存储及送进机构将存于其中的原材料（如底面有热熔胶和添加剂的纸），按照每层所需材料的送进量将材料准确送至工作台的上方，并保证材料始终处于张紧状态。并设有材料撕断报警器，当某种原因偶然造成材料撕断时，停止送料直流电动机的转动及后续工作循环。

　　b热粘压机构将一层层材料粘接在一起。该机构由步进电动机、同步去形带、发热板（或发热管）、热压板 〔 或热压辊）、温控器及高度检测器等组成。步进电动机经同步齿形带驱动热压板（或热压辊），使其能在工作台的上方作左右往复运动。热压板上（或热压辊内），装有大功率发热元件（发热板或发热管）以便使热压板（或热压辊）决速升温。温控器能检测热压板的温度并使其保持在设定值，温度设定值根据所采用材料的粘接温度而定。高度检测器固定在热压板（或热压辊）的支架上，它的测量分辨率为 2 um 。当热压板（或热压辊）对工作台上方的纸进行热压时，高度检测器能精确测量正在成型的制件的实际高度，并将此数据及时反馈至计算机，然后据此高度对产品的三维模型进行切片处理，得到与上述高度完全对应的截面轮廓，从而可以较好地保证成型件在高度方向的轮廓形状和尺寸精度。

　　c激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线，逐一在工作台上方的材料上切割出轮廓线，并将无轮廓区切割成小方网格，这是为了在成型之后能剔除废料。网格的大小据被成型件的形状复杂程度选定，网格愈小，愈容易剔除废料，但花费的时间较长，否则反之。该系统由CO2激光器、外光路、切割头、X-Y 工作台、驱动伺服电动机和排烟除尘装置等绍成。其中激光器的功率为 50W(其他公司生产的LOM 型快速成型机的激光器的功率为 20~50w ) ，波长为10.5~10.7pm （即 10500~10700nm，处于远红外波段），配有1625w 的冷却器，产生的激光束稳定，连续运行10个月时的功率波动仅为士10 % （即士5W ) ，保证使用寿命 20000h 。外光路由 4 个反光镜和1个聚焦镜组成，它能保证焦距稳定，切割光斑的直径为0.1~0.2mm 。配上激光切割速度与切割功率的自动匹配控制后，光束能恰好切透正在成型的一层材料，而不会损伤已成型的下一层截面轮廓。切割头由 2 台伺服电动机驱动，能在X-Y 平面上作高速、精密扫描运动。X-Y 工作台由精密滚珠丝杠传动，用精密直线滚珠导轨导向，重复定位精度为 10pm 。排烟除尘装置可以有效地净化并排出烟气。

　　d可升降工作台由伺服电动机经精密滚珠丝杠驱动．导向，从而能在高度方向作快速、精密往复运动用精密直线滚珠导轨在每层成型之后，切割新的一层材料能够支撑正在成型的工件，并降低一个材料厚度 〔 通常为0.1~0.2mm ) ，以便送进、粘合和切割新的一层材料。日本 Kira 公司生产的另一种 PLT 系列薄形材料选择性切割成型机。

　　它不采用整个纸面涂钮热熔胶的纸而用复印机在一张张的复印纸上印出工件的截面轮廓，这些带有轮廓图形的纸在送料机构的作用下，被翻面，使其有复印粉的一面朝下并顺序送至工作台上，接着工作台上升，贴近加热板，从而使复印粉熔化，带轮廓图形的纸逐一粘于工作台上不断增长的叠层块上。然后，工作台下降，由平板式绘图机驱动的指形切刀沿轮廓线进行切割，得到一层层的轮廓。

　　为了使成型后易于去除废料，韩国理工学院提出的薄形材料选择性切割成型原理，其过程是：

　　1)在第一次切割过程中，在成型材料上切割废料匹的周连。

　　2)将带孔的成型材料送至原已成型的叠层块上，同时，使带有废料的背衬纸与成型材料分离。

　　3)工作台上升。

　　4)使成型材料粘在原已成型的叠层块上

　　5)在第二次切割过程中，切割工件各层轮廓的边界。

　　6)工作台下降。

　　重复上述过程，直到工件制作完毕。当成型过程完成之后，除了支撑结构和连接孤立轮廓的桥部尚需剥离之外，大部份废料几乎都已被分离，因此可以节省剥离废料的时间。

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