2.2　层叠法成型LOM

层叠法成型技术又叫分层实体制造法（Laminated Object Manufacturing, LOM），最初由美国Helisys公司的工程师Michael Feygin于1986年研制成功。后来由于技术合作被引进中国，目前，南京紫金立德电子有限公司成为全球唯一拥有该技术核心专利的公司。分层实体制造法也成为众多快速成型技术中唯一由中国企业掌握的关键技术，基于该技术的商业3D打印机也于2010年成功推出。

2.2.1　技术原理

层叠法成型技术是当前世界范围内几种最成熟的快速成型制造技术之一，主要以片材（如纸片、塑料薄膜或复合材料）作为原材料。由于多使用纸张作为原材料，使得整个制造成本非常低廉，并且制件精度很高。同时，一些改进型的LOM3D打印机能够打印出媲美二维印刷的色彩，因此受到了各界非常广泛的关注，特别是在产品概念设计可视化、造型设计评估、装配检验、快速制模以及直接制模等方面得到了大量应用。

其成形原理大致如图2-4所示，首先，激光及定位部件根据预先切片得到的横断面轮廓数据，将背面涂有热熔胶并经过特殊处理的片材进行切割，得到和横断面数据一样的内外轮廓，这样便完成了一个层面的切割。接着供料和收料部件将旧料移除，并叠加上一层新的片材。紧接着利用热黏压装置将背部涂有热熔胶的片材进行碾压，使新层同已有部件黏合，之后再次重复进行切割。通过这样逐层地黏合、切割，最终制成需要的三维工件。目前，可供LOM设备打印的材料包括纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等，而用途上除了可以制造模具、模型外，也可以直接制造一些结构件或功能件。

根据上面的简单描述，我们可以知道LOM3D打印机同其他设备一样，需要先使用切片软件对三维数字模型进行切片计算，以获得模型的各个截面轮廓数据。然后才能根据切面轮廓数据，在上位软件的控制下，发出指令控制激光切割系统，使切割头沿X轴和Y轴方向移动。同时，供料部件将背面涂有热溶胶的片材（如涂覆纸、涂覆陶瓷箔、金属箔、塑料箔材）一段一段地传送至工作台的上方，激光切割系统再采用二氧化碳激光束将工作台上的原材料切割出工件轮廓线同样的形状。对于废料的处理，一些设备会先将片材无轮廓区域的部分先切割成小碎片，再通过回收装置进行移除或最后统一去除。

由于热压机构将一层层纸压紧并黏合在一起，使得打印过程中各层之间便已形成黏结，因此不需要考虑添加支撑部件，升降工作台可以直接支撑正在成型的工件，只需在每层打印完成后，下降一个层的高度即可。

采用LOM工艺制作的大中型原型件，具备翘曲变形较小、尺寸精度较高、成型时间较短等特点，同时用于切割的激光器使用寿命更长，打印完成的成品可以保存良好的机械性能。这种特征使得LOM设备非常适合于产品设计的概念建模和功能性测试零件。另外，由于制成的零件具有木质属性，因而还特别适合于直接制作砂型铸造模。

2.2.2　工艺过程

在层叠法成型工艺的实际使用中，设备基本都会将单面涂有热溶胶的片材通过热辊来完成加热操作。完成加热后热溶胶在加热状态下产生黏性，使得由纸、陶瓷箔、金属箔等构成的材料得以黏接起来。接着，操作台上方的激光器按照CAD模型分层数据，用激光束将片材切割成所制零件的内外轮廓。然后再铺上新的一层片材，通过热压装置将其与下面已切割层黏合在一起，激光束再次进行切割。一直重复这个过程，直至整个零部件打印完成。

通过这些，我们不难发现，LOM工艺其实还是具有传统切削工艺的影子。但只不过它不是用大块原材料进行整体切削，而是将原来的零部件模型分割为多层，然后进行逐层切削。北京太尔时代早期研发的3D打印机也是采用LOM工艺的3D打印机，但因为采用纸作为原料（图2-5），使用激光切割时存在点燃的风险，且应用前景有限，所以太尔时代后来才转为主要研发FDM工艺的3D打印机。

LOM设备打印的具体工艺过程包括以下步骤。

（1）通过进料辊完成填料操作，将片材引导进入工作台面上。

（2）热压辊同时进行加热，将片材进行加热融化处理，使其同上一层成型材料完成黏结操作。

（3）通过激光或刀具按切片形成的轮廓作为路径进行切割处理。

（4）打印平台下沉一个层厚的高度，然后通过出料辊和进料辊同时完成残余材料的移出，以及新材料的移入操作，之后重复整个打印过程，直至完成整个物体的打印工作。

（5）将成型件从打印平台上移除，然后进行打磨、密封等后处理。

2.2.3　技术特点

目前，该打印技术能成熟使用的打印材料相比FDM设备而言要少很多，最为成熟和常用的还是涂有热敏胶的纤维纸。由于原材料的限制，导致打印出的最终产品在性能上仅相当于高级木材，一定程度上限制了该技术的推广和应用。但该技术同时又具备工作可靠、模型支撑性好、成本低、效率高等优点，但缺点是打印前准备和后处理都比较麻烦，并且不能打印带有中空结构的模型。在具体使用中多用于快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。概况来说，LOM打印技术的优点主要有以下几个方面。

（1）成型速度较快。由于LOM本质上并不属于增材制造，无需打印整个切面，只需要使用激光束将物体轮廓切割出来，所以成型速度很快，因而常用于加工内部结构简单的大型零部件。

（2）模型精度很高，并可以进行彩色打印，同时打印过程造成的翘曲变形非常小。

（3）原型能承受高达200℃的温度，有较高的硬度和较好的力学性能。

（4）无需设计和制作支撑结构，并可直接进行切削加工。

（5）原材料价格便宜，原型制作成本低，可用于制作大尺寸的零部件。

LOM技术的缺点也非常显著，主要包括以下几个方面。

（1）受原材料限制，成型件的抗拉强度和弹性都不够好。

（2）打印过程有激光损耗，并需要专门实验室环境，维护费用高昂。

（3）打印完成后不能直接使用，必须手工去除废料，因此也不宜构建内部结构复杂的零部件。

（4）后处理工艺复杂，原型易吸湿膨胀，需进行防潮等处理流程。

（5）Z轴精度受材质和胶水层厚决定，实际打印成品普遍有台阶纹理，难以直接构建形状精细、多曲面的零件，因此打印后还需进行表面打磨等处理。

另外，需要再次强调的是，纸材最显著的缺点是对湿度极其敏感，LOM原型吸湿后工件Z轴方向容易产生膨胀，严重时叠层之间会脱落。为避免因吸湿而造成的影响，需要在原型剥离后的短期内迅速进行密封处理。经过密封处理后的工件则可以表现出良好的性能，包括强度和抗热抗湿性。

2.2.4　典型设备

目前，采用FDM熔融挤压技术研发的3D打印机多为低端产品，主要面向家庭桌面级应用，国内也已有大量的厂商正在研发，并推出了许多不错的产品。而对于一些高端产品所采用的3DP、SLS和SLA等技术，其核心专利和关键工艺又多为德国、美国所掌握和控制。

虽然南京紫金立德的LOM技术也是从以色列引进，但目前也已经成为了全球性的专利技术，具备全球范围的垄断性权利。根据其发布的各项信息来看，采用这一技术的设备不但可以打印各种模型，还能打印出一些无法使用机床加工的零部件。凭借这一点，使该公司一定程度上跻身于世界3D打印机技术的前列，产品也销往欧美等30多个国家和地区。但也正是由于该技术由一家公司完全掌握，以及该技术本身的缺陷，致使采用该技术的产品非常少，应用的行业也比较窄。

目前商业化生产的产品中，最新型的为SD300Pro系列，如图2-6所示。