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LOM
LOM快速原型技术与应用
发表时间:
2008-4-3郭启全来源:
CADesigner
关键字:
快速成型LOM技术应用原理
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LOM快速原型系统是所有快速原型系统中,效率最的一种快速原型系统,LOM快速原型系统可以制作大型、复杂与体积大原型件。
本文转载自台湾《CADesiner》杂志第239期,在此致谢!
著作权与出版权属于作者所有,所有未经同意的任何转载的行为都属于非法使用本文,须负法律责任。
前言
快速成型系统技术其结合了计算机信息、机械设计、自动控制、高能光束学、材料科学等领域的知识而成。
快速成型系统特色为可整合设计与制造,即在产品设计时间便以模型测试设计之可行性、可制造性、外观、功能等,并可缩短设计时间。
产品外形可很复杂,中空状工件不需模心,适合制造小尺寸工件。
此外,工件可用多种材质、颜色来建构组成。
劲度、密度、热传导性等机械性质可由制程中予以优化控制至所需要条件。
不需发展特殊刀具、模具,可节省制作模具之成本,而且不需要设计到制造间之转换过程或定义复杂之加工程序。
由于LOM快速原型系统所使用之CO2雷射仅对原型件外形轮廓(outlineofshape)进行切割,此过程如与SLA(StereolithographyApparatus)快速原型系统相较,LOM快速原型系统是所有快速原型系统中,效率最高(themostefficientprocess)的一种快速原型系统,LOM快速原型系统可以制作大型(large)、复杂(complex)与体积大(voluminous)原型件。
因此,本文针对LOM快速原型系统原理进行简介,接续介绍LOM快速原型系统应用。
快速原型技术概述
快速原型系统(RapidPrototypingSystem,RP)乃是使用计算机辅助设计(ComputerAidedDesign,CAD)之产品数据或其他数字数据藉由快速高自动化的制程而可直接制作三维的立体对象(physicalmodel)。
快速原型机的基本原理,将由CAD设计出来的模型(model),经由计算机程序将模型分割成一层一层(layerbylayer),再一层一层堆栈出各层轮廓(profile)。
快速原型机自从推出之后,逐渐受到学术界与产业界的注意,其中最主要的原因便是省时且易于使用。
此种趋势在先进国家中特别明显,因为人工极为昂贵,以快速原型机替代传统制造原型的方法便不失为一项可以考虑的选择。
快速原型加工过程,如图1所示。
由一个计算机辅助设计的模型开始,这一个计算机辅助设计的模型最好是一个由封闭曲线组成的模型,且这个计算机辅助设计的模型被送到一个快速原型机系统,系统会依用户所设定厚度(thickness)进行模型切割(slicing)成为非常细的薄片,切片的目的是要将薄片一片一片的制造出,藉由一片一片的堆栈,堆栈出三维立体原型件,如图2所示。
快速原型机的特色在于加工成型的原型件形状几乎没有任何限制,而且可以完成切削刀具所无法达到的形状。
另外,快速原型机成型可以由机器自动将计算机辅助设计档案转化成为快速原型机可用的档案,因此并不需要太多人工,加工条件远比切削加工简单,技术层面没有传统切削加工那么复杂。
目前快速原型系统做出来的原型件,主要的用途仍然是在原型的制作,另外可以使用于设计的检讨与讨论、实验分析用模型、样品或造型设计等方面或用于精密脱腊铸造(investmentcasting)的模型也是相当多。
快速成型系统技术其结合了计算机信息、机械设计、自动控制、高能光束学、材料科学等领域的知识而成,目前已商业化的快速成型系统,虽然其成型的方法不同,但其设计制作流程大都为以下四个步骤:
(a)设计三维物体模型与支撑、(b)接口转换(*.STL文件)、(c)计算机分层(Slicing)处理并产生加工路径与(d)快速成形机产生原型对象。
计算机取出最底端的一层几何数据.做为计算机定位控制之位置数据,将能量及原料”累积(additive)”在几何数据所指示的位置;依此程序,自底端一层到顶端一层,逐片把原料填上而接合在一起,如此既可自动快速的制作三维的立体原型件。
图1快速原型加工过程
图2藉由一片一片的堆栈,堆栈出三维立体原型件
LOM快速原型技术原理
MichaelFeygin研发出LOM(laminatedobjectmanufacturing)快速原型技术,并由美国Helisys公司生产与销售,于2000年Helisys公司终止(cease)营运,并将LOM快速原型技术转让给cubictechnologies。
LOM快速原型技术系以披覆黏着剂(binder)之薄片材料(sheetmaterials),利用雷射光依计算机二维几何数据切割外形,割妥之薄片以热滚筒滚压而与前一层薄片黏合,并将工作物之平台下降一层的厚度,此厚度视材料的不同而有所差异,一般而言厚度为0.002"-0.02".,再度进料面到完成成品。
理论上纸张、金属、橡胶、合成材料、复合材料等材料皆可应用。
LOM加工原理,如图3所示,乃透过CO2或YAG雷射依据工件截面的外围轮廓(profile),切割被覆有热熔性黏结剂(heat-activatedadhesive)的薄片材料,如纸、塑料、金属薄片和布等,并以左右两个滚筒(heatedroll)来传递薄板材料,一个边的滚筒功能为供给材料(sourceroll);另一个的滚筒功能为收集余废料(usedroll),当滚筒滚至正确位置时,另有一个加热滚筒滚过材料表面,使材料下方之热黏性胶体熔化并黏附于上一层,再以雷射来切割所要剖面之轮廓,并且将轮廓以外之材料切割成棋盘状,以利去除余废料之后处理,如此一层一层的循环,直到工件完成,工件完成时是整个包在加工之材料里面,将切成棋盘状之余料剥离即可得到成品。
此系统在成形的过程中,材料不会因受热而收缩变形,但在工件取出后须注意防潮;截面外部的材料在最后才清除,不会产生支撑的问题,但却可能使内部的材料无法或不易取出,此需要有经验的操作者加以克服,LOM原型件制作完成后拆解原型件情形,如图4所示。
目前此种制程最常用的材料是纸,其所完成的原型件感觉类似木模,所以非常适合翻砂铸造(sandcasting),当然也可以运用于其他的应用,本制程主要的优点是不需要建支撑架,也不需后处理,而且也能加工出既大又便宜的产品,但是缺点是所制出之工件其精度较差,而且工件之几何形状限制也最多。
LOM原型技术材料种类涵盖:
一般强度LOM纸(standardLOMpaper)、高强度LOM纸(highperformanceLOMpaper)、塑料纸(LOMplasticpaper)以及复合材料(LOMcomposite)。
图3LOM快速原型加工示意图
图4 LOM原型件制作完成后拆解原型件情形
图5为LOM2030H机器外观,图6LOM1015PLUS机器外观。
LOM2030H与LOM1015PLU机器详细规格,如表1所示。
由图与表可以发现,LOM2030H机台规格大于LOM1015PLU,因此可以制作出较大尺寸原型件。
LOM快速原型系统的优点(advantages):
1. 原型件制作过程中,材料无化学变化(nochemicalchange)产生以及无多余热量影响未加工材料,因此运用LOM快速原型系统所制作原型件之缩收以及热应力所导致之原型件几何形状变形等缺失,可以忽略。
2. LOM快速原型系统所使用之CO2雷射仅对原型件外形轮廓(outlineofshape)进行切割,此过程如与SLA(StereolithographyApparatus)快速原型系统比较的话,LOM快速原型系统将节省大量地加工时间(processtimes)。
LOM快速原型系统是为所有快速原型系统中效率最高(themostefficientprocess)的一种快速原型系统。
3. LOM快速原型系统可以制作大型(large)、复杂(complex)与体积大(voluminous)原型件。
4. LOM快速原型系统如与FDM(FusedDepositionModeling)快速原型系统相互比较,LOM快速原型系统建构原型件时不需要支撑(support)结构。
5. 加工后零件可以直接使用,无需进行后矫正。
6. 运用LOM快速原型系统所制作出原型件,可以直接使用,无环境污染问题。
7. LOM快速原型系统机台保养费用低廉。
8. LOM快速原型系统所使用之材料不具毒性(non-toxicmaterials)。
9. 小型的LOM快速原型系统,例如:
LOM1015PLUS,可适用于桌上型(desktopoperation)的原型件加工。
LOM快速原型技术的缺点(disadvantages):
1. 可实际应用的原材料种类较少,尽管可选用若干原材料,例如纸、塑料、陶土以及合成材料,但目前常用的只是纸,其他种类之材料仍继续研发当中。
2. 所制作完成之快速原型件表面是粗糙的(rough),必须经过后续加工(postprocessing),才可进行快速模具(rapidtooling)的应用。
3. 所制作完成之快速原型件很容易吸收外在水气,因此必须立即进行后处理,例如:
上漆。
4. 很难制作出尺寸微细之原型件,此缺失受限于原型件必须剥离废料之后才可取出,因此当原型件之特征结构(featurestructure)细微时,剥离废料动作很容易损害原型件,因此LOM快速原型技术,很难制作出尺寸微细之原型件。
5. 运用LOM快速原型件于铸造应用时,燃烧原型件的时间必须注意空气流通(ventilation)。
6. 运用LOM快速原型系统制作原型件时,有部分的材料是浪费(wasted)的。
图5LOM2030H机器外观
图6LOM1015PLUS机器外观
表1LOM2030H与LOM1015PLU机器规格
LOM2030H
LOM1015PLU
Specification
Detail
Detail
Partenvelope
813x559x508mm
381x254x356mm
Laserpower
50W
25W
Laserbeamdiameter
0.203-0.254mm
0.20-0.26mm
Materialthickness
0.076-0.254mm
0.08-0.254mm
Materialsize
rollwidth:
711mm
rolldiameter:
711mm
rollwidth:
356mm
rolldiameter:
356mm
Powersupply
220VAC,20A,60Hz
115VAC,15A,60Hz
Environmental
Outsideventing
Outsideventing
Inputformats
STLfiles
STLfiles
Controlcomputer
PCwithspecialsoftware
PCwithspecialsoftware
Network
N/A
Ethernet
LOM快速原型技术应用
LOM快速原型系统可以于不同领域(field)制作出原型件,例如:
概念模型(conceptmodel)、设计验证(designverification)、模型制作(patternmaking)、艺术品制作(art)以及儿童玩具(toydesigning)制作….等等。
快速原型件制作时间,视产品大小不同,从数小时至数天。
图7为运用LOM快速原型系统所制作薄壳件(thin-wall)。
图8为运用LOM快速原型系统所制作太极球(Taijiball),由图可以发现太极球表面非常优良,此太极球如运用FDM快速原型系统来制作,那支撑将是一个非常严重的问题,然而运用LOM快速原型系统来制作太极球,并不会有支撑问题产生。
图9为运用LOM快速原型系统所制作汽车零组件,图10为运用LOM快速原型系统所制作出几何形状复杂之原型件,由图可以发现原型件几何形状相当复杂。
图11为运用LOM快速原型系统于铸造应用,因为运用LOM快速原型系统所制作之原型件,可以于铸造前进行砂模(sandmold)制作,以利后续金属浇注作业,翻制金属件(metalparts),金属成品的公差(tolerance)可达1/5“至3/100"。
实际运用方面,如图12所示,左图为LOM快速原型件,右图为铸造成品。
图13(上)为运用LOM快速原型系统所制作之电缆套管(cablesleeve)原型件,图13(下)为铝材铸造件。
于医学上的应用,图14为运用LOM快速原型系统与头盖骨(skull)制作,图左边头盖骨内部为人脑(brain),此一部分原型件系运用Z-Corporation之Z402快速原型系统制作。
此外,也可运用LOM快速原型件于石膏模制作(plastercasting)以及硅胶模(RTVsiliconerubbermold)制作,并可浇注出10至30件PU成品(polyurethaneparts)。
图7运用LOM快速原型系统所制作薄壳件
图8运用LOM快速原型系统所制作太极球
图9运用LOM快速原型系统所制作汽车零组件
图10运用LOM快速原型系统所制作出几何形状复杂之原型件
图11运用LOM快速原型系统于铸造应用
图12LOM快速原型件(左)与铸造成品(右)
图13运用LOM快速原型系统于电缆套管制作
图14运用LOM快速原型系统于头盖骨制作
结论
LOM快速原型系统是所有快速原型系统中,效率最快的一种快速原型系统,LOM快速原型系统可以制作大型、复杂与体积大原型件。
但是缺点为可实际应用的原材料种类较少、所完成之快速原型件很容易吸潮,因此原型件之尺寸容易变形以及所制作完成之原型件机械强度仍不足。
所以,LOM快速原型系统仍有诸多地方须改善,这一些地方均是未来接续LOM快速原型技术研发之重要研究方向。
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