Листовое ламинирование

Листовое ламинирование — группа методов аддитивного производства, основанных на послойном соединении листовых материалов для создания трёхмерных объектов. Ключевыми представителями технологии являются Laminated Object Manufacturing (LOM) -- производство ламинированных объектов и Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM) or Ultrasonic Consolidation (UC) -- ультразвуковое аддитивное производство. LOM использует клей или тепло для соединения слоёв с последующей резкой, тогда как UAM применяет ультразвуковую сварку металлов, дополненную фрезеровкой. Оба метода позволяют создавать градиентные и многоматериальные структуры, что расширяет их применение в прототипировании, производстве и ремонте деталей.

Определение

Листовое ламинирование (Sheet Lamination) объединяет технологии, где тонкие листы материала (бумага, пластик, металл) соединяются послойно, а излишки удаляются для формирования объекта.

• Laminated Object Manufacturing - LOM: Листы склеиваются или сплавляются теплом, затем вырезаются лазером или ножом.
• Ultrasonic Additive Manufacturing - UAM: Металлические фольги свариваются ультразвуком в твёрдом состоянии, с ЧПУ - постобработкой для точности и снижения шероховатости.

История появления

LOM

Метод LOM был разработан в 1980-х годах Майклом Фейгеном в компании Helisys Inc. Первый патент США 4,752,352 ^[1] зарегистрирован в 1988 году. Изначально технология использовала бумагу с клеевым покрытием, что сделало её доступной для быстрого прототипирования.^[2]

UAM

UAM появился в 1999 году благодаря Dawn White, которая запатентовала процесс (патент США № 6,519,500)^[3]. Технология была коммерциализирована Solidica Inc., а затем усовершенствована Fabrisonic^[4] с введением высокомощной версии источника ультразвука.^[5]

Изображения

• Схема процесса LOM:

  

  Схема процесса объемного ламинирования

• Пример 3Д печати методом UAM градиентного изделия путем чередования слоев Al1000 и CPTi^[6]:

  

  Пример 3Д печати методом UAM градиентного изделия путем чередования слоев Al1000 и CPTi

Описание технических процессов

LOM

Лист материала (толщиной 0,05–0,2 мм, см. Схема) подаётся на платформу -7, склеивается с предыдущим слоем с помощью нагретого ролика -2, затем лазерный резак (3-5) или нож вырезает контур. Излишки остаются как поддержка и удаляются -8 после завершения. Процесс выполняется следующим образом:

1. Лист приклеивается к подложке с помощью разогретого валика -6.
2. Лазером намечаются желаемые размеры текущего сечения прототипа -5.
3. Лазером заштриховывается -4 область, не предназначенная для использования -3, для облегчения удаления отходов.
4. Платформа с готовым слоем перемещается в сторону -6.
5. Укладывается новый лист материала -1.
6. Платформа опускается в новое положение для приема следующего слоя -7.

Процесс повторяется до тех пор, пока не будет готова полная модель или прототип.

UAM

Металлическая фольга (толщиной до 0,15 мм) соединяется с подложкой ультразвуковыми колебаниями (20 кГц) под давлением. ЧПУ-фрезеровка применяется для создания сложных форм и удаления излишков. Производственный процесс выглядит следующим образом:

• На монтажную платформу устанавливается цельнометаллическая опорная пластина.
• Поверх опорной пластины укладывается металлическая фольга, и вся монтажная платформа протягивается под сонотродом, приклеивая фольгу к базовой пластине. На этом этапе детали не придается никакой формы.
• Затем этот процесс повторяется до тех пор, пока склеиваемые слои не достигнут заданной глубины.
• Станок с ЧПУ, аналогичный тем, которые используются при традиционной субтрактивной обработке с ЧПУ, придает детали нужную форму, удаляя лишнюю пленку.
• Этот цикл повторяется до тех пор, пока деталь не достигнет заданной высоты.

Фрезерный инструмент меньшего размера придаст детали дополнительную форму и завершит внутреннее фрезерование, необходимое для получения готовой детали. Полный цикл UAM повторяется до тех пор, пока деталь не будет готова. Деталь снимается со строительной платформы, а опорная плита отсоединяется.

Используемые материалы

• LOM: Бумага, пластиковые плёнки, реже металлические листы (с термообработкой). Метод поддерживает полимерные композиты и керамические ленты, но металлокерамика и керамополимеры требуют специальной постобработки (например, спекания).
• UAM: Металлы (алюминий, медь, титан, нержавеющая сталь). UAM позволяет комбинировать разнородные металлы для градиентных структур, но не совместим с керамикой или полимерами напрямую.

Совместимость материалов

• Удобно сочетать: В LOM — бумага с клеем, пластик с пластиком; в UAM — алюминий с медью, титан с нержавеющей сталью (низкая температура исключает образование хрупких интерметаллидных фаз).
• Несовместимо: В LOM — металлы с керамикой без постобработки; в UAM — полимеры и керамика из-за отсутствия плавления.

Металлопоимеры и керамополимеры

LOM может использоваться для печати металлополимерных или керамополимерных структур, если применять полимерные ленты с металлическими или керамическими наполнителями, но потребуется высокотемпературная постобработка (дополнительное спекание). UAM для таких материалов непригоден из-за ультразвукового принципа, ограничивающего его металлами.

Градиентные и многоматериальные структуры

Оба метода позволяют создавать градиентные и многоматериальные изделия:

• LOM: Переход между слоями бумаги и пластика с разными свойствами (например, плотность или цвет).
• UAM: Комбинирование металлов (например, алюминий-титан) для изменения теплопроводности или прочности вдоль структуры. См. пример градиентного изделия чередованием слоев Al1000 и СрTi на вкладке.

Сравнение LOM и UAM

Параметр	LOM	UAM
Принцип соединения	Клей/тепло	Ультразвук
Материалы	Бумага, пластик, металл?	Только металлы
Точность (слой)	Средняя (0,1–0,5 мм)	Высокая (<0,1 мм)
Скорость	Высокая	Средняя
Прочность	Низкая (50–100 МПа для бумаги, до 200 МПа с пластиком)	Высокая (300–500 МПа для металлов)
Применение	Прототипы	Функциональные детали

Сравнение с другими технологиями

По сравнению с технологий селективного лазерного плавления, LOM и UAM проще в реализации, но уступают в точности мелких деталей. UAM превосходит Binder Jetting по прочности соединений, а LOM экономичнее лазерной стерелитографии для визуальных моделей.

Известные фирмы-производители

В мире

• LOM: Cubic Technologies (ранее Helisys) , Mcor Technologies .
• UAM: Fabrisonic (США) , Solidica .

В России

• Оборудование для LOM и UAM в основном импортируется.