根据对原型件性能要求的不同,薄片材料可分为:纸片材、金属片材、陶瓷片材、塑料薄膜材、薄木片材和复合材料片材等。对基体薄片材料有如下性能要求:
(1)抗湿性。保证纸原料(卷轴纸)不会因时间长而吸水,从而保证热压过程中不会因水分的损失而产生变形及黏结不牢。纸的施胶程度可用来表示纸张抗水能力的大小。
(2)浸润性。良好的浸润性保证良好的涂胶性能。
(3)抗拉强度高。保证在加工过程中不会被拉断。
(4)收缩率小。保证热压过程中不会因部分水分损失而导致变形,可用纸的伸缩率参数计量。
(5)剥离性能好。因剥离时破坏发生在纸张内,要求纸的垂直方向抗拉强度不是很大。
(6)易打磨,表面光滑。
(7)稳定性。成形零件可长时间保存。
1.纸质片材
LOM工艺所用的纸一般由纸质基底和涂覆的黏合剂、改性添加剂组成,其成本较低,基底在成形过程中不发生状态改变(始终为固态),因此翘曲变形小,最适合于大、中型零件的制作。
选择LOM纸材应按照以下基本要求:
(1)形状为卷筒纸,便于系统工业化的连续加工。
(2)纤维的组织结构好,质量好的纸纤维长且均匀,纤维间保持一定间隙,因为LOM技术要求纸上涂上一层均匀的胶黏剂,所以要求纸的表面空隙大而密,使胶能很好地渗入纸层,在打印时能达到良好的黏结效果。这有利于涂胶,也有利于力学性能的提高。
(3)纸的厚度要适中,根据成形制件的精度及成形时间的要求综合确定。在精度要求高时,应选择薄纸,纸越薄越均匀,精度就越高;在精度能满足要求的前提下,尽量选择厚度较大的纸,这样可以提高成形速度和生产效率。
(4)涂胶后的纸厚薄必须均匀。厚薄均匀才便于加工和保证零件的精度。测量纸不同点的厚度时,要求相对误差不大于5%,同时,纸的正反面,纵横向差别也应尽量小。
(5)力学性能好,纸在受拉力的方向必须有足够的抗张强度,便于纸的自动传输和收卷;同时,纸的抗张强度还影响成形制件的力学性能。纸的伸长率、耐折度、撕裂度等也都是选择纸型时的参考指标。
国产的纸完全可以满足以上要求,纸是由纤维、辅料和胶(含有一定水分)组成的。普通的纸具有以下特点:(www.daowen.com)
1)多孔性
纸的主要成分是纤维素,纤维细胞中心具有空腔。纤维之间是交织结构,所以纸的一个明显特征就是多孔性,包括纤维内孔和纤维间孔都可以吸收空气中的水分,所以纸具有易吸湿性。
2)反应性
纤维素还带有很多羟基。它们具有醇羟基的特性,可以和其他的活性官能团如醛基、羧基、氨基等反应。
在LOM上的应用方面,纸的化学特性和机械特性表现为热熔胶的黏结能力、抗张能力、抗撕裂能力等。一般的卷筒纸都是纵向强度大于横向强度,稍加处理,卷筒纸就能满足加工要求。
Kinergy公司生产的纸材采用了熔化温度较高的黏合剂和特殊的改性添加剂,用这种材料成形的制件坚硬如木(制件水平面上的硬度为18 HRR,垂直面上的硬度为100 HRR),表面光滑,有的材料能在200℃下工作,制件的最小壁厚可达0.3~0.5 mm,成形过程中只有很小的翘曲变形,即使间断地进行成形也不会出现不黏结的裂缝,成形后工件与废料易分离,经表面涂覆处理后不吸水,有良好的稳定性。Kinergy公司生产的纸基卷材详细性能见表8-2。
表8-2 Kinergy公司生产的纸基卷材
纸的机械性能对应于其微观结构,就是指纤维的质量和纤维之间的交织结构。首先,纤维结构若较粗大,在各个方向上交织紧密,就具有较强的力学性能,可有效改善剥离分层。其次,表面纤维具有一定的空隙,有利于黏合剂的渗透和黏合。试验证明,涂过热熔胶的纸,其抗张强度、耐折度、抗撕裂强度都有很大的提高,制件用的纸层达250层时纵向抗拉强度可达6 250 N,要产生0.2 mm的形变就需要343 N的力(一般制件尺寸精度误差要求小于0.2 mm),制件一般不会受到这么大的力。并且纸的平整度也会得到改善。只有纸在受拉力的方向上有足够的抗张强度,才有利于自动化作业的连续性,提高生产效率。
2.陶瓷片材
LOM工艺是由美国的Helisys公司首先开发并应用于陶瓷领域的。用于叠加的陶瓷材料一般为流延薄材,也可以是轧膜薄片。切割方式可采用接触式和非接触式两种,非接触式切割方式一般为激光切割,接触式切割可采用机械切割。国内直接用于陶瓷领域的LOM设备非常少,目前研究的重点主要是集中在流延素坯卷材的生产、素坯的叠加和烧结性能的研究上,并在此研究的基础上开发可连续生产的成套设备。
LOM制造中应注意的一个问题是坯体表面存在层与层之间的台阶,表面不光滑,需要进行磨光。边界处理可以采用切割成网状后,去除和表面磨光的方法。随着叠层技术和工艺的改进,四点弯曲强度可达200~275 MPa,从目前研究来看,可制备的陶瓷器件主要为形状较为复杂的盘状和片状等。如果制造成本进一步降低,日常和工业上应用的大多数盘状、片状和管状陶瓷材料都可以通过LOM工艺来实现。
采用纸质片材的LOM工艺由于激光切割过程中会产生有毒烟雾,且具有成形精度低、原型强度较低等缺陷,目前已被采用PVC薄膜、陶瓷薄膜等材料的LOM工艺取代。表8-3为Cube Technologies公司不同薄材的性能比较。
表8-3 Cube Technologies公司的薄材
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