第五节 分层实体制造(LOM)技术
分层实体制造(Laminated Object Manufacturing，LOM)技术，又称叠层实体制造、薄形材料选择性切割等，是目前较为成熟的快速成型制造技术之一。LOM技术和设备最早由美国Helisys公司于1991年推出，并得到迅速发展。其最具有代表性的产品是LOM 2030H型快速成型机，如图2-44所示。目前，较常用的设备主要有Helisys公司的LOM系列，以及新加坡Kinergy公司的ZIPPY型成型机等。
目前，LOM技术采用薄片型材料(如纸、塑料薄膜、金属箔等)，通过计算机控制激光束，按模型的每一层的内外轮廓线进行切割，得到该层的平面轮廓形状，然后逐层堆积成零件原型。在堆积过程中，层与层之间以粘结剂粘牢，因此所成型的模型的最大特点是无内应力且无变形，成型速度较快，制件精度高，不需支撑和成本低廉等，而且制造出来的产品原型具有一些特殊的品质(如外在的美感)，从而受到了较为广泛的关注和应用。
一、LOM快速成型原理及系统组成
(一)LOM快速成型原理及工艺过程
LOM设备及工艺原理如图2-45所示。首先将产品模型的三维CAD数据输入LOM成型系统中，用系统中的切片软件对模型进行层层切片，得到产品在高度方向上多个横截面的轮廓线；再由计算机系统发出指令，步进电动机带动主动辊芯转动，进而带动纸卷转动，同时在工作台面上自右向左移动预定的距离；工作台升高至切割位置；热压辊自左向右滚动，对工作台上面的纸以及涂敷在纸下表面的热熔胶进行加热与加压，使纸粘于基底上；激光头依据预先设定好的分层截面
图2-44 LOM 2030H型快速成型机
a)LOM设备 b)LOM工作室 c)LOM工艺过程
1—涡轮鼓风机制件 2—激光头 3—原型制件
图2-45 LOM设备及工艺原理图
1—激光器 2—热粘压机构 3—纸 4—原材料送进机构 5—工作台 6—计算机
轮廓线进行逐层切割纸的工作。然后，工作台以及被切出的轮廓纸层下降至一定的高度，步进电动机驱动主动辊再次沿逆时针方向进行转动。如此循环往复，直至最后一层轮廓被切割与粘合完毕。
图2-46所示为采用LOM技术进行切割的某一层切割平面。同时将轮廓线外部的纸切割成一个个小方网格，以便模型成型后快速剥离。
最后，从工作台上取下加工好的长方体块，再用小锤敲打，使部分由小网格构成的小立方块废料与产品模型分离开来，或用小刀从模型上剔除残余的小废料块，即可获得三维实体模型。图2-47所示为LOM工艺成型过程示意图。
图2-46 LOM技术进行切割的某一层切割平面
1—废料 2—原材料(纸)
图2-47 LOM工艺成型过程示意图
a)叠加一层新材料 b)热粘压 c)工作台下降 d)激光线切割
1—原材料 2—热粘压机构 3—新一层原材料 4—激光束
(二)LOM快速成型系统的组成
LOM快速成型系统由计算机及控制软件、激光切割系统、原材料存储及送料机构、可升降工作台、热粘压机构等组成，如图2-48所示。
图2-48 LOM工艺系统组成
1—聚焦镜 2—激光器 3—热压辊 4—供纸机构 5—工作台 6—原型制件 7—收纸机构 8—原型制件的某一层 9—激光头
1.计算机及控制软件 LOM系统配有三维数据分层处理软件，可接受∗.stl数据格式，并可将∗.stl数据处理成可分层加工的二维数据格式。
2.激光切割系统 激光切割系统由CO2激光器、激光头、电动机、外光路等组成。激光器功率一般为20～50W。激光头在X-Y平面上由两台伺服电动机驱动做高速扫描运动。为了保证激光束能够恰好切割当前层的材料而不损伤已成型的部分，激光切割速度与功率自动匹配控制。外光路由一组集聚光镜和反光镜组成，切割光斑的直径范围是0.1～0.2mm。
3.原材料存储及送进机构 原材料存储及送进机构由直流电动机、摩擦轮、原材料存储辊、送料夹紧辊、导向辊、废料辊等组成。原料纸套在原材料存储辊上，材料的一端经过送料夹紧辊、导向辊粘于废料辊上。送料时，送料电动机沿逆时针方向旋转一定角度，带动纸料向左前进所需要的距离。在完成当前层的铺覆加工后，送料机构就会重复上述动作，敷设下一层材料。
4.可升降工作台 可升降工作台用于支撑模型工件。每完成一层加工，工作台在数控系统的控制下就会自动下降一个0.1～0.2mm的层厚。
5.热粘压机构 热粘压机构由热压板、温控器及高度检测器、步进电动机、发热板、同步齿形带等组成。热压板上装有大功率发热元件。温控器包括温度传感器和控制器。当送料机构铺覆完一层纸材后，热压机构就会对工作台上方的材料进行热加压，其目的是为保证上下层之间完全粘结。
二、分层实体制造的后处理
从LOM快速成型设备上取下的原型制件是埋在叠层块当中的，必须剔除外部、内部废料及支撑结构等。其主要后处理工艺过程如下：
(一)废料的去除
废料的去除是将LOM工艺中产生的废料及支撑结构与原型制件进行分离。网格状废料通常需要采用手工剥离的方法在成型后剥离。图2-49所示为LOM后处理的具体步骤。
图2-49 LOM后处理的具体步骤
a)从制块中起出原型制件 b)剔除外部废料 c)剔除内部废料 d)原型制件
(二)模型表面的后处理
为了使原型制件的表面质量以及机械强度等性能满足用户的需要，在确保其尺寸稳定性、精度等方面满足要求外，还需对原型制件的外表面进行打磨、修补、涂漆防潮等后处理工序。例如，当工件表面有小缺陷需修补时，可用热熔塑料、乳胶与细粉料调和成的腻子或湿石膏进行填补，再用砂纸或打磨机打磨和抛光。
当成型工件上有些小而较薄弱的特征结构时，可先在它们的表面涂覆一层增强剂，然后再进行打磨和抛光工序；或先将这些薄弱部分从工件上取下，待打磨和抛光等后处理工序完成后，再用强力胶或环氧树脂将其粘结和定位。
当受到快速成型机最大成型尺寸的限制而无法制作大工件时，可先将这些大型工件的三维模型划分为若干个可制作的小模型，将这些小模型分别进行成型后，在这些小模型的结合部位制作出定位孔，再用定位销和强力胶进行连接，组合成一整体工件。
图2-50所示为经后处理的某电器上壳木质LOM原型制件。
图2-50 经后处理的某电器上壳木质LOM原型制件
三、LOM成型技术的应用及举例
LOM成型技术自美国Helisys公司于1986年研制开发以来，在世界范围内得到了广泛的应用。它虽然在精细产品和塑料件等方面不及SLA具有优势，但在比较厚重的结构件模型、实物外观模型、砂型铸造、快速模具母模、制鞋业等方面，其应用具有独特的优越性，并且LOM技术制成的制件具有很好的切削加工性能和粘结性能。LOM技术主要用于以下几个方面：
(一)产品模型的制作
(1)可直接制作纸质功能制件，用于新产品研发中工业造型的结构设计验证及外观评价。
(2)利用材料良好的粘结性能，可制作较大尺寸的模型制件，也可制作复杂的薄壁型制件。
(3)借助真空注射制造硅橡胶模具，试制少量的新产品。
(二)快速模具的制作
(1)采用LOM技术制件与转移涂料技术，制作铸件和铸造用金属模具。
(2)采用LOM技术制作铸造用消失模。
(3)可制造石蜡件的蜡模、熔模精密铸造中的蜡模。
LOM原型用作功能构件或代替木模，能满足一般性能要求。若采用LOM原型作为消失模，进行精密熔模铸造，则要求LOM原型在高温灼烧时发气速度要小，发气量及残留灰分等也要求较少。此外，采用LOM原型直接制作模具时，还要求其片层材料和粘结剂具有一定的导热和导电等性能。
(三)几个LOM原型制件具体应用的例子
1.汽车车灯 随着汽车制造业的飞速发展，目前车型更新换代的周期在不断地缩短，导致对整车配套的各主要零部件的设计也提出了更高的要求，如汽车车灯组件的设计除了要求其内部结构满足装配和使用要求外，其外观的设计也必须要与整车的外形完美与协调。
快速成型技术的出现，非常好地迎合了车灯结构与整车外观开发的需求。图2-51所示为某车灯配件公司为国内一大型汽车制造厂开发的轿车车灯LOM原型制件。采用LOM成型技术，大大提高了该组车灯的开发效率以及成功率。
图2-51 某轿车车灯的LOM原型
a)轿车前照灯 b)轿车后组合灯
2.铸铁手柄 某机床设备的一操作手柄为铸铁件，若采用人工方式制作砂型铸造用的木模，既费时，加工精度又难以保证。若采用LOM成型技术，则可先将具有复杂曲面形状的手柄进行三维设计，然后直接快速制作出用于砂型铸造的木模。这既克服了人工制作的局限和困难，又大大缩短了新产品的研发与生产周期，同时也提高了产品的精度和质量。图2-52a、b所示分别为铸铁手柄的LOM原型和三维CAD模型。
图2-52 铸铁手柄的LOM原型和三维CAD模型
a)铸铁手柄LOM原型 b)铸铁手柄三维CAD模型
3.在制鞋业中的应用 当前，无论是国际还是国内，制鞋业的竞争日益激烈，美国Wolverine World Wide公司却一直保持着良好的销售业绩，因为该公司一直使用Helysis公司的LOM快速成型加工技术，使得鞋类产品的款式不断得到快速的更新，并能为顾客提供高质量的新产品。
Wolverine的设计师们首先根据市场和用户的需求，设计出鞋底和鞋跟的三维CAD数据模型(见图2-53a)，再进行各种材质的渲染。这种三维高品质的图像，使得新产品可以在研发过程中完成第一次的筛选工作。然后再进行LOM实物模型的制作，得到外观是木质的鞋底和鞋跟。为了使模型看起来更真实，可在LOM模型表面进行喷涂，以产生不同的材质效果，如图2-53b所示。接着，在每一种鞋底配上适当的鞋面后生产若干双样品，如图2-53c所示，用于展示给用户或商家。最后，再根据所反馈的意见，借助计算机对鞋样的三维CAD数据模型进行快速地修改，直到用户满意为止。一旦设计通过，CAD中的数据便可用于批量的生产与制造模具。因此，这种将CAD技术与快速成型技术相结合的高端技术可显著缩短产品的生产周期，在提高产品质量及可靠性的同时，也提高了系列模型的可重复性。
图2-53 Wolverine World Wide公司鞋类产品开发
4.功能试验件及母模的制作 目前，LOM成型技术在汽车制造业中的研发和试制过程中应用广泛，如用于各种原型、功能试验件及母模的制作。图2-54所示为采用LOM技术制作的奥迪轿车制动钳体母模以及金属铸件。
图2-54 采用LOM技术制作的轿车制动钳体母模以及金属铸件
a)LOM母模 b)金属铸件
5.其他应用 图2-55a所示为哈尔滨工程大学开发的LOM-ⅡB机型。图2-55b、c、d所示分别为采用此设备制作的龙戏珠、小书架、储钱罐等LOM制件。
图2-55 哈尔滨工程大学开发的LOM-ⅡB机型及制作的制件
a)LOM-ⅡB机型 b)龙戏珠LOM制件 c)小书架LOM制件 d)储钱罐LOM制件
图2-56所示为采用LOM技术制作的一电话机草模型。
图2-56 采用LOM技术制作的一电话机草模型
四、LOM实体制造的特点
由于LOM技术是在片材上切割出零件的轮廓截面，不需扫描整个截面，因此成型的速度较快，尤其适合制造大型零件，零件的精度也较高。另外，工件外框与截面轮廓之间多余的纸材在加工中起到了支撑作用，所以LOM技术无需加支撑。
(一)LOM成型技术的优点
(1)原型制件精度高。薄形材料在切割成型时，在原材料中只有薄薄的一层胶发生固态变为熔融态的变化，而纸材仍保持固态不变，因此形成的LOM制件翘曲变形较小，且无内应力。制件在Z方向的精度可达±0.2～0.3mm，X和Y方向的精度可达0.1～0.2mm。
(2)原型制件具有较高的硬度和良好的机械加工性能。原型制件能承受高温约200℃左右，可进行各种切削加工。
(3)成型速度较快。加工时激光束是沿着物体的轮廓进行切割，而无需扫描整个断面，所以LOM技术的成型速度很快，常用于加工内部结构较简单的大型零件。
(4)无需另外设计和制作支撑结构。
(5)废料和余料容易剥离，且无需后固化处理。
(6)原材料价格便宜，制作成本低。
(二)LOM成型技术的不足
(1)不能直接制作塑料原型。
(2)原型的弹性、抗拉强度不好。
(3)模型制件需进行防潮后处理。因为原材料选用的是纸材，所以原型易吸湿后膨胀，因此成型制件一旦加工好后，应立即进行必要的表面后处理，如防潮处理，可采用树脂进行防潮漆涂覆。
(4)模型制件需进行必要的后处理。对原型表面有台阶纹理的，应仅限于制作结构简单的零件，若要加工制作复杂的曲面造型，则成型后需进行表面打磨、抛光等后处理工艺。图2-57所示为采用LOM技术制作的经打磨、抛光以及上腻子等后处理的缝纫机机头。
根据以上介绍可知，LOM技术适合制作结构简单的大中型原型制件，成型时间较短，翘曲变形也较小，并且原型制件具有良好的力学性能，特别适用于新产品研发设计用的概念模型的构建和功能性测试。由于制成的原型制件具有木质属性，适合直接制作砂型铸造模，因此LOM技术具有广阔的应用前景。
五、LOM技术研究现状
目前，进行LOM技术研究的单位主要有Helisys公司、Kinergy公司、华中科技大学、清华大学等。Helisys公司除生产原有的LPH、LPS和LPF三个系列纸材设备外，近期还开发出了塑料和复合材料的设备。因此，LOM技术正在向选材多样化的方向发展。
图2-57 采用LOM技术制作的经后处理的缝纫机机头
华中科技大学生产的主要产品型号有HBP-Ⅲ和AHRP-ⅡB，成型空间分别为600mm×400mm×500mm、450mm×350mm×350mm，叠层厚度为0.08～0.15mm，具有较高的性价比。此类产品具有以下独到的特点：整个系统精度高、速度快、运转平稳、材料利用率高。
清华大学近期推出了SSM系列成型设备和相应的成型材料，该设备配备有国产的CO2激光器，加工精度较高。此外，清华大学还推出了多功能M-RPMS系统，可同时完成SSM和FDM、SLS技术。M-RPMS的显著特点是具有多模块化的结构，即在基础床身上可加上SSM功能盖、FDM功能盖或其他快速成型类型的功能盖。该多功能设备不仅可以方便地进行各单功能设备切换，而且切换时间较短，大约只需2h即可完成切换任务。
日本Kira公司生产出了PLT系列薄形材料选择性切割成型机。它的最大特点是不采用纸材，而是使用复印机在复印纸上印出工件的截面轮廓；然后将这些带有轮廓图形的纸张在送料机构的作用下，顺序送至工作台上；紧接着工作台加热使复印粉熔化，将带有轮廓图形的一张张纸逐一粘于工作台上；最后由平板式绘图机驱动切刀沿轮廓线进行切割，得到LOM原型制件。
为了使得LOM成型制件易于去除多余的废料，韩国理工学院提出了薄型材料选择性切割成型原理。采用此方法，LOM原型制件加工完毕后，除了一小部分的支撑结构尚需剥离之外，大部分废料几乎都已被分离，可以大大节省剥离废料和余料的时间。其具体过程是：
(1)在第一次切割时，首先切割成型材料上废料区的周边。
(2)将带孔的成型材料送至原已成型的叠层块上，使带有废料的背衬纸与成型材料相分离。
(3)工作台上升后，成型材料粘在原已成型的叠层块上。
(4)在第二次切割时，切割出工件各层轮廓的边界。如此循环往复，直到原型制件加工制作完毕。
此外，新加坡KINERGY公司近期研发生产出了三种加入新型改性添加剂的纸材(K-01，K-02，K-03)。用该材料制成的模型制件表面光滑坚硬，且在成型过程中曲翘变形程度较以往纸材明显减小，成型后废料更易于剥离。近期美国Cubic Technologies公司生产出了纸材之外的两种材料，即聚酯薄膜和玻璃纤维薄膜，这将增加LOM成型技术更广阔的应用空间。