分层物体制造临界分离角的提出与应用

D0I:10.13374/j.iss1001-053x.2001.01.039 第23卷第1期 北京科技大学学报 VoL23 No.1 2001年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2001 分层物体制造临界分离角的提出与应用 胡福泰) 高士友”郑永华)黄树槐) 1)燕山大学机械学院，秦皇岛0660042)北京科技大学机械工程学院，北京1000833)华中理工大学材料学院，武汉430074 摘要通过对分层物体制造工业应用关键技术及废料分离机理的分析讨论，首次提出临界 分离角的概念，阐述了应用临界分离角的废料网格划分方法.应用临界分离角理论划分废料网 格可从根本上解决废料分离问题. 关键词快速造型；分层物体制造；临界分离角 分类号 TH140.1:TH162.1 分层物体制造(Laminated Object Manufactur- 使紧贴A面一层材料沿粘结面或叠层基材本身 ig,LOM).严格地说，LOM的原型制造周期应 发生破坏，对于较理想的成型材料，假定胶层撕 包括：反求和实体造型、原型制造、废料去除、原 裂所需应力为G.纸基材厚向撕裂所需应力为 型表面处理等，忽略任何一方面，都不可能达到 2,每块废料与A面接触面积为F,完成这种分 快速制造的目的.废料去除不仅仅关系到原型 离的力为P,则有： 制造速度，还直接影响原型制作质量，在一定程 p-Fa aio 度上决定了原型制造工艺.研究废料去除仅考 F.02 0 (1) 虑叠层材料本身，而忽视成型工艺、网格划分形 这种分离力较大，易使A面产生变形或破坏，且 式等的重要作用是不够的 形成粗糙撕裂表面.参见图2(a).曾有人提出， 当扫描原型轮廓发生突变时，对突变部位上一 1废料分离机理 层材料进行网格细划，试图减小分离力P.由图 影响废料分离的因素很多，单单强调材料 2b)分析可知，这种局部1,2层网格细分，并不 方面因素的观点是片面的.以纸基材料为例，假 能有效地减小大块废料与A面的接触面积F, 定材料是理想的（纸纤维密实不易分层，胶层极 故不可能显著减小废料分离力 薄且均匀，粘结时不向切口流胶，纸层间粘结可 B面是铅垂面，它与废料间经激光切割后 靠牢固)，故可先不考虑材料的影响.图1()为某 完全分离.C为任意斜面，参见图3，假设斜面与 一原型，图1(b)是对废料施行等方格切断却未 水平面间倾角为日，叠层材料单层厚度为t,激 分离时的原型，下面我们来分析一下该原型的 光切口宽度（激光光斑直径）为，废料块为正方 废料分离过程. 形，边长为L,于是可得出下述关系： 废料块上斜面部分的叠层数n=L·tan0/,t 平面A为水平面，平行于A面方向无激光 切割后废料与原型间粘合面面积： 切割分离面，它与废料间完全粘合，分离时须迫 (a) D 图1零件与原型 Fig.1 Part and prototype 收稿日期：2000-0302胡福泰男，36岁，副教授，博士

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 介 、 乞 一 分层物体制造临界分离角的提 出与应用 胡福泰 ” 燕山大学机械学院 ， 秦皇岛 高士友 ” 郑永华 ， 北京科技大学机械工程学院 ， 北京 黄树槐 ， 华中理工大学材料学院 ，武汉 摘 要 通过对分层物体制造工业应用关键技术及废料分离机理的分析讨论 ， 首次提出临界 分离角 的概念 ， 阐述 了应用 临界分离角的废料网格划分方法 应用 临界分离角理论划分废料网 格可从根本上解决废料分离 问题 关键词 快速造型 分层物体制造 临界分离角 分 类号 分层物体制造 奴叮 吨 ， 严格地说 ， 的原型 制造周期应 包括 反求和实体造型 、 原型制造 、 废料去除 、 原 型表面处理等 ， 忽略任何一方面 ， 都不可能达到 快速制造 的 目的 【 废料去除不仅仅关系到原型 制造速度 ， 还直接影 响原型制作质量 ， 在一定程 度上决定 了原型 制造工艺 ， 研究废料去 除仅考 虑叠层材料本身 ， 而忽视成型 工艺 、 网格划分形 式等的重要作用 是不够 的 使紧贴 面一层材料沿粘结面或叠层基材本身 发生破坏 对于较理想 的成型材料 ， 假定胶层撕 裂所需应力为 。 ， 纸基材厚 向撕裂所需应力为 仍 ， 每块废料与 面接触面积为 ， 完成这种分 离 的力为 尸 ， 则有 尸 · 山 尸 弓 · 负 氏 仍 口 废料分离机理 影 响废料分离 的 因素很多 ， 单单强调材料 方面 因素 的观点是片面 的 以纸基材料为例 ， 假 定材料是理想 的 纸纤维密实不易分层 ， 胶层极 薄且均匀 ， 粘结时不 向切 口 流胶 ， 纸层间粘结可 靠牢固 ， 故可先不考虑材料的影 响 图 为某 一原型 ， 图 是对废料施行等方格切 断却未 分离时 的原型 ， 下 面我们来分析一下该原 型 的 废料分离过程 平面 为水平面 ， 平行于 面方 向无激光 切割分离面 ， 它与废料间完全粘合 ， 分离时须迫 这种分离力较大 ， 易使 面产生变形或破坏 ， 且 形成粗糙撕裂表面 参见 图 曾有人提 出 ， 当扫描原型 轮廓发生 突变时 ， 对突变部位上一 层材料进行 网格细划 ， 试图减小分离力 尸 由图 何分析可知 ， 这种局部 ， 层 网格细分 ， 并不 能有效地减小大块废料与 面 的接触面积 ， 故不可能显著减小废料分离力 面是铅垂面 ， 它与废料 间经激光切割后 完全分离 为任意斜面 ， 参见 图 ， 假设斜面与 水平面 间倾角为 ， 叠层材料单层厚度为 ， 激 光切 口 宽度 激光光斑直径 为 ， 废料块为正方 形 ， 边长为 ， 于是可得 出下述关系 废料块上斜面部分 的叠层数 二 ， 切割后废料与原 型 间粘合面面积 图 零件与原 型 功 。 勺 收稿 日期 刁 刁 胡福泰 男 ， 岁 ， 副教授 ， 博士 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2001．01．039

◆46· 北京科技大学学报 2001年第1期 (a) (b) 面积F 面积F A面 A面 图2水平面上废料分离 Fig.2 Separation of the waste material on horizontal plane 废料 原型 8 图3倾斜表面上的废料 Fig.3 The waste material on inclined surface F=L.L-n-L.4=L(1-4/t-tane) (2) 经分析可知，只有当倾斜表面与叠层材料 当htan0≥1时，取d/rtan0=1. 平面夹角大于某临界值时，才能实现废料与原 由于切割后仍有原型与废料在部分面积上 型间的完全分离.定义此临界角度为8，则： 牢固粘合，此部分废料分离时，需强行破坏废料 ⊙=arctan(tld) (4) 与原型间的粘接. 若t=0.1mm,4=0.3mm,则⊙=18.5°.我们称由 对于A面与C面，均存在废料与原型间的 此确定的角为临界分离角 牢固粘结，这是造成分离困难的根本原因. 3 临界分离角的应用 2临界分离角的提出与定义 由上述分析可知，所要制造的原型中的水 由式(2)可知，当F=0时，废料与原型间完 平面及与水平面倾角小于⊙的斜面，在原型制 全分离，此时需有1/t.tan8≥1， 造后均存在难以分离废料的问题，应采用图4 故 d≥arctan(t/) (3) 所示的附加分离面，使新加入的分离面与水平 图4附加分离面示意图 Fig.4 Diagrammatic of the additional separation plane

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 圈 水 平 面上废 料分 离 ， 废料 图 倾斜表面上 的废 料 褚 · 加 一 刀 一 刁 经分析可知 ， 只有 当倾斜表面 与叠层 材料 当刁 口〕 时 ， 取 平 面夹角 大于某 临界值时 ， 才能实现废料与原 由于 切割后仍有原型 与废料在部分面积上 型 间 的完全分离 定义 此临界角度 为 曰 ， 则 牢固粘合 ， 此部分废料分离时 ， 需强行破坏废料 曰 与原型 间的粘接 若 二 ， 」 ， 则曰 二 我们称 由 对于 面与 面 ， 均存在废料与原型 间的 此确定 的角为 临 界分离角 牢 固粘结 ， 这是造成分离 困难 的根本原 因 临界分离角的提出与定义 由式 可 知 ， 当 尸 时 ， 全分离 ， 此 时需有 刁 〕 ， 故 之 废料与原型 间完 临界分离角的应用 由上 述分析可 知 ， 所要制造 的原型 中的水 平面及 与水平面倾角小 于 曰 的斜面 ， 在原型 制 造后 均存在难 以 分离废料 的 问题 ， 应采用 图 所示 的 附加分离面 ， 使新加人 的分离面 与水平 图 附加 分离面示 意 图

Vol.23 No.1 胡福泰等：分层物体制造临界分离角的提出与应用 047· 面的夹角大于或等于⊙，以确保废料与原型顺 艺流程对切片前的三维模型进行预处理，在所 利分离. 有与水平工作台面夹角小于⊙的模型表面上， 应用临界分离角⊙的工艺过程如图5所示： 设置与水平面夹角大于⊙的假想分离面（厚度 目前的网格划分仅局限于平面状态，废料 极薄或为零)，使那些不符合完全分离条件的表 部分的网格划分还没有建立起三维概念，这就 面接近和达到完全分离，为进一步的废料分离 给后续的废料分离带来了很大麻烦.根据本文 创造条件，从而实现废料部分网格划分由单一 的分析，依据临界分离角的概念，应用图5的工 考虑某一截面形状过渡到考虑整体结构 CAD模型 4结论 通过本文对LOM成型系统废料去除本质 与水平面倾角大于> 和分离技术机理的分析，首次提出了临界分离 N 角的概念和针对三维CAD模型进行的虚拟处 给定精度等级 理的附加分离面方法，对于解决LOM工艺的废 界定分离区域 料分离，尤其对于处理那些不易分层的叠层材 生成附加分离面 料（如塑料、陶瓷、金属）原型的废料分离，具有 指导意义和实际应用价值 分成切片 参考文献 图5工艺流程图 1胡福泰.快速造型工业应用关键技术研究：[博士后 Fig.5 Diagram of technological process 研究工作报告].武汉：华中理工大学，1998 Definition and Application of the Separation Critical Angle in LOM HU Futai,GAO Shiyou,ZHENG Yonghua,HUANG Shuhua 1)Mechanical Engineering School,Yanshan University.Qinghuangdao 066004,China 2)Mechanical Engineering School,USTBeijing.Beijing 100083,China 3)Material Engineering School,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China ABSTRACT The key technology-separating theory of the waste material of LOM on industry application is analyzed and discussed.The separation critical angle is defined at the first time.The methods of compar- tmentalization make use of the separation critical angle are elaborated.After used the separation critical angle, the question of separation waste material would be solved completely. KEY WORDS RPM(Rapid Prototyping Manufacturing);LOM(Laminated Object Manufacturing);separ- ation critical angle

舀】 一 胡福 泰等 分层 物体制造 临界分离角 的提 出与应用 面 的夹角大于或等于 口 ， 以 确保废料与原型顺 利分离 应用 临界分离角口的工艺过程如 图 所示 目前 的 网格划分仅局 限于 平面状态 ， 废料 部分 的 网格划 分还 没有建立起三维概念 ， 这就 给后续 的废料分离带来 了很大麻烦 根据本文 的分析 ， 依据临界分离角 的概念 ， 应用 图 的工 艺流程对切 片前 的三 维模 型 进行预处理 ， 在所 有 与水平工作 台面夹角小 于 口 的模 型 表面上 ， 设置与水平 面 夹角大于 日 的假想分离面 厚度 极薄或 为零 ， 使那些不 符合完全分离 条件 的表 面接近 和 达到完全分离 ， 为进一步 的废料分离 创造条件 ， 从而实现废料部 分 网格划 分 由单一 考虑某一截 面形状过渡到考虑 整 体结构 模型 给定精度等级 界定分离区域 生成附加分离面 分成切 片 与水平面倾角大于 图 工艺流 程 图 结论 通过本文对 成型 系统废料去 除本质 和 分离技术机理 的分析 ， 首次提 出 了 临界分离 角 的概念和 针对三维 模型 进行 的虚拟处 理 的附加分离面方法 ， 对于解决 工艺 的废 料分离 ， 尤其对于 处理那些不易分层 的叠层材 料 如 塑 料 、 陶瓷 、 金属 原 型 的废料分离 ， 具有 指导 意 义 和实际应用价值 参 考 文 献 胡福泰 快速造 型工业应用关键技术研究 博士后 研究工作报告 武汉 华 中理工 大学 ， 尹 ， ’ ， 沪 ， ， 、 乞 ， ， 即记 ， 巧 ， ， 幻 ， ， ， 一 仰 ， 加 江