趙輝 劉芬芬 王天琪 王清文

（東北林業(yè)大學(xué)生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150040）お

摘要 提出了一種新型分層實(shí)體制造技術(shù)，以木塑復(fù)合薄片材料為原料，利用數(shù)控激光將其切割成特定形狀，再應(yīng)用超聲波將木塑薄片分層累加焊接成型。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了超聲波分層焊接木塑薄片的可行性，并分析了該方法的優(yōu)點(diǎn)及技術(shù)參數(shù)設(shè)置。

關(guān)鍵詞 分層實(shí)體制造；激光切割；超聲波焊接；木塑薄片

中圖分類號(hào) SB788文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 0517-6611（2014）19-06279-02

お

LOM Technology of Wood瞤lastic Composites Based on Ultrasonic Welding

ZHAO Hui et al

(Key Lab of Bio睟ased Material Science & Technology of Ministry of Education, Northeast Forestry University, Harbin, Heilongjiang 150040)

AbstractA new kind of laminated object manufacturing (LOM) technology with wood瞤lastic composite(WPC) sheet as raw material was put forward, in which use the CNC laser to cut WPC sheet into specific shape, then apply the ultrasonic welding to accumulate wood sheets together layer by layer. The feasibility of ultrasonic welding to WPC and its LOM technology was verified, and the advantages and relative technical parameters related were analyzed.

Key wordsLOM; Laser cutting; Ultrasonic welding; Wood瞤lastic sheet

基金項(xiàng)目 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（DL12CB02）。

作者簡(jiǎn)介 趙輝（1973- ），男，黑龍江哈爾濱人，副教授，博士，從事先進(jìn)制造技術(shù)與企業(yè)工程、創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論（TRIZ），生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)研究。

收稿日期 20140530

分層實(shí)體制造技術(shù)簡(jiǎn)稱LOM技術(shù)，即將原材料按照需要的形狀一層層疊加成型，是一種適合薄片原料的快速成型技術(shù)。傳統(tǒng)的LOM系統(tǒng)是將單面涂有熱熔膠的紙、陶瓷箔或金屬箔等通過加熱輥加熱黏接成一層，位于上方的激光器按照CAD模型數(shù)據(jù)，用激光將材料切割成所需要的輪廓，然后用熱壓輥再在上面貼一層材料，并再次切割，如此循環(huán)往復(fù)直至加工完成整個(gè)零件造型（需手工剝除邊角料）［1-2］。

現(xiàn)今有很多高等院校、公司以及單位在研究、生產(chǎn)和改進(jìn)LOM系統(tǒng)，如國(guó)外的Sparx、Helisys、Kira公司等，國(guó)內(nèi)有華中科技大學(xué)、清華大學(xué)等單位。西安交通大學(xué)的余國(guó)興等［3］人對(duì)LOM系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，提出用經(jīng)濟(jì)適用的刀切法代替激光切割法；中北大學(xué)的郭平英［4］提出了一種基于大厚度切片的金屬功能零件的LOM技術(shù)；北京工商大學(xué)的徐明君等［5］人研究了超聲波焊接金屬材料在LOM中的應(yīng)用；北京工業(yè)大學(xué)的李小明等［1］人也利用質(zhì)量魚骨圖研究了基于超聲波焊接的LOM技術(shù)等。

由于傳統(tǒng)方法存在一些不足，比如熱熔膠的可塑性使得焊件不耐高溫，熱熔膠不能均勻熔化導(dǎo)致疊層厚度不均勻，焊件整體強(qiáng)度無(wú)法保證；黏接過程中不停的熱壓、冷卻以及對(duì)成型零件剝離廢料時(shí)的殘余熱應(yīng)力等都可能造成制件變形，從而影響焊件整體精度等。該文根據(jù)LOM技術(shù)的原理，提出一種新型分層實(shí)體制造的實(shí)現(xiàn)方法——超聲波焊接木塑薄片成型的LOM技術(shù)。該技術(shù)以木塑薄片代替原來的紙作為原材料，同時(shí)用超聲波焊接取代現(xiàn)有的熱壓輥?zhàn)饔迷谕坑袩崛勰z的紙上進(jìn)行分層焊接，在一定程度上克服了傳統(tǒng)LOM技術(shù)的一些缺陷，改進(jìn)了LOM成型技術(shù)。

1 焊接成型原理

材料的可焊性取決于其硬度和晶格結(jié)構(gòu)。超聲波焊接是利用超聲波的高頻振蕩對(duì)焊件接頭進(jìn)行局部加熱和表面清理，然后對(duì)材料施加壓力實(shí)現(xiàn)焊接的方法［6］。超聲波焊接木塑薄片不需要外加熱源，具有不受焊接性的約束，沒有氣、液相污染，能夠連接同種或異種金屬、半導(dǎo)體、塑料等特點(diǎn)。因其不存在熱傳導(dǎo)與電阻率的問題，容易焊接高熱導(dǎo)率及高電導(dǎo)率的材料，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程塑料的焊接領(lǐng)域［7］。

超聲波焊接木塑復(fù)合薄片實(shí)現(xiàn)分層疊加成型的原理與分層實(shí)體制造的快速成型原理類似。主要是超聲波發(fā)生器將工頻電流（50 Hz）轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l振蕩電流（15 kHz），換能器利用逆壓電效應(yīng)將其轉(zhuǎn)換成彈性機(jī)械能，聚能器放大振幅，并將其通過耦合桿、上聲極（焊頭）傳遞至木塑復(fù)合薄片［8］。該試驗(yàn)使用的焊接模具如圖1所示，焊接過程中將已切割好的木塑薄片按要求放置在模具上，然后啟動(dòng)按鈕，施加能量即可。由于2焊件結(jié)合處有很大阻力，超聲波能量聚集于此，2焊件在高頻振動(dòng)下劇烈地摩擦，產(chǎn)生的熱量使焊件結(jié)合處熔化，實(shí)現(xiàn)焊接。在上述基礎(chǔ)上，根據(jù)分層實(shí)體制造的成型原理，逐層累加木塑薄片焊接直至完成整個(gè)制件的分層焊接。

圖1 超聲波焊接機(jī)模具

2 焊接試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

明和ME3015KC 型超聲波塑料焊接機(jī)（上海明和公司），額定功率2 200 W，工作頻率15 kHz；ZS406E電動(dòng)加硫成型機(jī)（東莞卓勝機(jī)械設(shè)備有限公司）；SJSH30/SJ45雙階塑料擠出機(jī)組（南京橡塑機(jī)械廠）；SHR10A高速混粉機(jī)（張家港市通河橡塑有限公司）；CLS3500激光高速切割機(jī)（北京神州鐳射激光切割有限┕司）。

2.2 試驗(yàn)材料選取和制備

在美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（ASTM）中對(duì)木塑復(fù)合材料（Wood睵lastic Composites，縮寫為WPC）給出的定義是“一種主要由木材或者纖維素為基礎(chǔ)材料與塑料（也可以是多種塑料）制成的復(fù)合材料”［9］。試驗(yàn)選用的木塑薄片是木塑復(fù)合材料的一種，它兼有木材和塑料的優(yōu)點(diǎn)，制作原材料簡(jiǎn)單、來源廣，成本也相應(yīng)較低，且對(duì)環(huán)境污染小。

試驗(yàn)選用了PP/木粉和PE/木粉2種木塑薄片，2種薄片中木粉含量均為50%，加上46%的PP或HDPE，再加4%的其他助劑進(jìn)行混合。首先，將材料按配比要求進(jìn)行配料，經(jīng)高速混料機(jī)混合均勻，再由雙階塑料擠出機(jī)擠出，擠出的熔融態(tài)材料不冷卻，直接經(jīng)過電動(dòng)加硫成型機(jī)壓延成300 mm×200 mm塊狀、厚度在1.0~1.5 mm之間的薄片。為了便于試驗(yàn)的進(jìn)行，根據(jù)超聲波焊接機(jī)的特性和選用模具的大小，對(duì)熱壓成型后的大塊木塑薄片，根據(jù)三維CAD模型驅(qū)動(dòng)，選取適當(dāng)?shù)膮?shù)，利用激光切割機(jī)將大塊木塑薄片統(tǒng)一切割為30 mm×30 mm的小塊正方形木塑薄片。切割好的原材料PP/木粉、PE/木粉正側(cè)面樣品如圖2a、b所示。

圖2 PP/木粉薄片（a）和PE/木粉薄片（b）

2.3 試驗(yàn)方法

該試驗(yàn)直接采用超聲波焊接機(jī)對(duì)2種木塑復(fù)合薄片進(jìn)行逐層累加焊接，發(fā)生器的工頻電流為 50 Hz，焊接壓力 0.5 MPa，延遲時(shí)間和固化時(shí)間固定，焊機(jī)焊頭振動(dòng)時(shí)間（ 以下簡(jiǎn)稱發(fā)振時(shí)間）根據(jù)試驗(yàn)需求進(jìn)行調(diào)整。

2.3.1焊接工藝參數(shù)對(duì)試件性能的影響。

主要研究焊接機(jī)發(fā)振時(shí)間對(duì)試件性能的影響。在焊接壓力、延遲時(shí)間和固化時(shí)間固定的情況下，連續(xù)調(diào)整發(fā)振時(shí)間對(duì)2種材料分別進(jìn)行焊接，尋找各自的最優(yōu)化焊接參數(shù)。其中焊接壓力為0.5 MPa，延遲時(shí)間為2 s，固化時(shí)間1.5 s，發(fā)振時(shí)間的調(diào)整范圍是0.8~1.4 s，每間隔0.15 s改變1次發(fā)振時(shí)間，重復(fù)試驗(yàn)。

2.3.2材料厚度和種類對(duì)試件性能的影響。

由于材料的種類會(huì)影響焊接的效果，當(dāng)材料厚度和焊接參數(shù)一定時(shí)，選取PP/木粉和PE/木粉2種硬度不同的木塑薄片進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。受其他外部因素影響，壓延材料的厚度不是很均勻，為了便于一層層的累加焊接以達(dá)到最佳焊接效果，同時(shí)也更符合分層實(shí)體制造對(duì)材料厚度的要求，選取了厚度在1.0~1.5 mm之間相對(duì)均勻的木塑薄片。試驗(yàn)過程中，當(dāng)材料種類和焊接參數(shù)不變時(shí)，分別對(duì)厚度為1.0 mm、1.2 mm和1.4 mm 3種規(guī)格的材料進(jìn)行焊接。

3 結(jié)果與分析

3.1 焊接工藝參數(shù)的影響

由試驗(yàn)可知，發(fā)振時(shí)間對(duì)焊接的效果有著重要影響。由于超聲功率較大，當(dāng)其他參數(shù)固定，焊接材料逐層累加時(shí)，發(fā)振時(shí)間過長(zhǎng)，超聲振動(dòng)會(huì)波及到已經(jīng)焊好的材料，導(dǎo)致開焊或者是材料相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，影響焊件強(qiáng)度；時(shí)間太短，又可能出現(xiàn)焊接不成功的現(xiàn)象，同樣影響焊件整體強(qiáng)度。因此，選取適當(dāng)?shù)陌l(fā)振時(shí)間，有利于焊接過程中各層材料原子間的充分熔化和均勻結(jié)合，使焊件整體效果較好，從而提高焊件的強(qiáng)度。

表1描述了PP/木粉和PE/木粉在延遲時(shí)間2 s和固化時(shí)間1.5 s不變時(shí)，改變發(fā)振時(shí)間的焊接情況。對(duì)比分析不同發(fā)振時(shí)間下的焊件效果可知：發(fā)振時(shí)間太短，木塑薄片不能完成焊接或是焊接面積小于50%，焊件強(qiáng)度明顯不夠；發(fā)振時(shí)間過長(zhǎng)，焊接的偶然性很大，而且會(huì)導(dǎo)致材料邊緣翹起、本體熔化或是變黑，焊件強(qiáng)度同樣受到影響。綜合各項(xiàng)因素發(fā)現(xiàn)：焊接PP/木粉薄片發(fā)振時(shí)間為1.2 s、PE/木粉薄片發(fā)振時(shí)間為1.0 s時(shí)焊件達(dá)到較佳的效果，且在逐層累加的過程中，薄片間依然能夠很好地結(jié)合，焊件外形可觀且整體具有一定的強(qiáng)度。

表1 不同發(fā)振時(shí)間下PP、PE薄片的焊接情況對(duì)比

發(fā)振時(shí)間∥s PP/木粉的木塑薄片 PE/木粉的木塑薄片

0.8 材料結(jié)合面積小于50%，能手動(dòng)分開 材料結(jié)合面積在50%左右，效果不明顯

0.9 材料結(jié)合面積在50%左右，效果不明顯 材料結(jié)合面積在70%左右，有一定的強(qiáng)度

1.0 材料結(jié)合面積略大于50%，焊接偶然性較大 結(jié)合面積達(dá)到90%，焊件厚度均勻、邊緣規(guī)整

1.1 材料結(jié)合面積在70%左右，有一定的強(qiáng)度 材料有相對(duì)滑動(dòng)，結(jié)合面積不理想

1.2 結(jié)合面積達(dá)到90%，焊件厚度均勻、邊緣規(guī)整 材料相對(duì)錯(cuò)動(dòng)明顯，本體部分變黑

1.3 材料相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，本體有變黑趨勢(shì) 本體變黑，邊緣翹皮

1.4 相對(duì)滑動(dòng)明顯，本體變黑，邊緣翹皮 本體部分振碎，破壞明顯

3.2 材料種類和厚度的影響

由試驗(yàn)可知，對(duì)于2種不同的木塑薄片材料，硬度越低的焊接越容易，由于PE/木粉材料的硬度小于PP/木粉材料，試驗(yàn)中當(dāng)材料厚度和焊接參數(shù)一定時(shí)，PE/木粉薄片較PP/木粉的薄片更容易被焊接上，焊接后效果也更明顯。由于材料的厚度會(huì)直接影響焊件的均勻度及強(qiáng)度，而經(jīng)熱壓機(jī)壓出的木塑薄片厚度存在不均勻的現(xiàn)象。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在材料種類和焊接參數(shù)一定時(shí)，選用厚度越薄的材料越容易被焊接，焊接熔融結(jié)合也更好；對(duì)于厚度較大的同一種材料，要達(dá)到一定的焊接效果，必須延長(zhǎng)其焊接的發(fā)振時(shí)間。

4 結(jié)語(yǔ)

該文提出的試驗(yàn)方法中，用木塑薄片代替紙作為成型材料，來源廣、成本低且環(huán)保；重要的是材料層與層之間的連接不再依靠黏接劑、堆焊材料和自熔合金，而是選取適當(dāng)?shù)膮?shù)直接利用超聲波焊接機(jī)焊接木塑薄片，在高頻振蕩下通過材料原子間的相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)固態(tài)連接。

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，利用超聲波焊接木塑薄片實(shí)現(xiàn)分層實(shí)體制造的快速成型方法是可行的，且具有較好的外觀效果。將分層疊片技術(shù)和超聲波焊接技術(shù)結(jié)合起來對(duì)木塑薄片進(jìn)行分層疊片焊接，不僅能保護(hù)材料本體不被污染，不產(chǎn)生焊渣、污水、有害氣體等廢物污染，也能較快地制作出需要的零件（模型），是一種既節(jié)能環(huán)保又高效的方法。該文提出的成型方法符合當(dāng)今對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)短周期、低成本、高質(zhì)量的要求，是一種新型的LOM快速成型方法。

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