Các hệ thống thiết bị LOM có cấu tạo tương tự nhau, được chia thành các bộ phận chính gồm: phần cứng và phần mềm máy tính, hệ thống laser và quang học, thiết bị định vị tọa độ X-Y, bệ đỡ và cơ cấu nâng hạ, hệ thống dán, bộ phận cung cấp vật liệu và bộ phận thu hồi vật liệu.
(1) Hệ thống máy tính với tính năng tương thích để cài đặt được phần mềm LOMSliceTM. Nhằm thực hiện quá trình tiền xử lý, cắt lớp chi tiết và điều khiển. Độ chính xác theo phương Z được duy trì, điều khiển qua một cơ chế khép kín và được tính cho mỗi lớp dán khi chế tạo. Khi nguồn laser đang cắt mô hình, thì phần mềm lập kế hoạch phát thảo cho mặt cắt của lớp kế tiếp.
(2) LOMSliceTM có thể khắc phục những lỗi của tập tin *.STL liên quan đến hướng chế
tạo, hoặc theo quy tắc đỉnh - đến - đỉnh trong tam giác, hoặc xử lý những mặt bị
thiếu. Để tạo điều kiện thuận lợi cho tách vật liệu thừa, LOMSliceTM sẽ tự động chia
(hoặc đốt cháy) nhỏ kích thước các vùng vật liệu dư thành các ô vuông.
(3) Để dễ dàng hơn, nhanh hơn và an toàn hơn trong việc tiếp cận tia laser, thiết bị LOM
sử dụng một hệ thống laser Helium-neon, cùng với chùm tia laser CO2. Người vận
hành có thể bật tia laser và quan sát khi gương được liên kết.
(4) Việc dán và ghép các lớp vật liệu được thực hiện bằng nhiệt và áp lực thông qua trục
cán hình trụ được gia nhiệt. Các tấm vật liệu có lớp mỏng nhựa nhiệt dẻo kết dính ở một mặt. Bằng việc tăng áp lực của trục lăn nhiệt, sự kết dính giữa các lớp được cải thiện do giảm bọt khí giữa 2 lớp. Áp lực ép được điều khiển để tránh gây ra sự biến dạng chi tiết.
(5) Hệ thống cung cấp và tháo vật liệu gồm 2 trục cuốn, các trục lăn dẫn hướng vật liệu và trục cán thô. Các trục này chuyển động và cuộn vật liệu trong suốt quá trình tiền xử lý và chế tạo chi tiết; tạo dòng vật liệu đi qua hệ thống LOM liên tục và nhẹ nhàng. Ma sát giữa vật liệu và trục lăn cao su đảm bảo quá trình cấp và tháo liệu nhanh và không bị tắc nghẽn.
Các loại vật liệu dạng tấm mỏng có bề mặt kết dính đều có thể được sử dụng để chế tạo chi tiết trong hệ thống LOM. Vật liệu nhựa, kim loại, ngay cả gốm vẫn có thể được sử dụng. Tuy nhiên, vật liệu phổ biến nhất là giấy Kraft với chất kết dính là polyethylene do tính phổ biến, chi phí thấp, nhẹ và thân thiện với môi trường.
Để đảm bảo chế độ ép đều trên toàn bộ bề mặt làm việc, cần phải có nhiệt độ không đổi. Hệ thống kiểm soát và điều khiển nhiệt đảm bảo nhiệt độ của hệ thống không đổi trong quá trình làm việc.
4.1.4. Nguyên lý làm việc
Nguyên tắc làm việc của quá trình LOM được thể hiện trên Hình 4.3, như sau:
a. Các chi tiết được chế tạo theo nguyên tắc xây dựng từng lớp, dán từng lớp giấy (hoặc
vật liệu dạng tấm khác); đường bao mặt cắt của chi tiết được cắt bằng tia laser CO2.
b. Mỗi lớp của quá trình chế tạo gồm mặt cắt ngang của một hoặc nhiều chi tiết. Lớp tiếp
theo được dán và chế tạo trực tiếp lên trên lớp vừa được cắt bằng laser trước đó.
c. Sự điều khiển trục Z được thực hiện bởi bộ phận nâng hạ bệ đỡ chi tiết. Bệ sẽ được hạ
thấp hơn khi mỗi lớp được hoàn thành; lớp tiếp theo được dán và sẵn sàng để cắt. Độ cao trục Z được xác định chính xác tương ứng với dữ liệu mặt cắt ngang được tính cho lớp đó.
d. Không cần cơ cấu đỡ chi tiết, do có vật liệu "dư", vật liệu này được cắt thành đường
ngang dọc để dễ dàng loại bỏ sau khi hoàn thành, đây cũng là cấu trúc hỗ trợ dùng để đỡ chi tiết.
Hình 4.3: Quá trình làm việc LOM.
4.1.5. Ƣu nhƣợc điểm
Ưu điểm nổi bật của hệ thống tạo mẫu nhanh bằng phương pháp LOM:
(1) Vật liệu đa dạng: về nguyên tắc, bất kỳ vật liệu nào ở dạng tấm cũng có thể được sử dụng cho các hệ thống LOM. Bao gồm các vật liệu hữu cơ và vô cơ như giấy, nhựa, kim
loại, vật liệu tổng hợp và gốm. Vật liệu có sẵn cho phép thay đổi chủng loại, độ dày, nhằm đáp ứng yêu cầu chức năng và các ứng dụng đặc biệt của mẫu chế tạo.
(2) Thời gian chế tạo nhanh: tia laser trong quá trình LOM không quét toàn bộ diện tích bề mặt của mỗi mặt cắt ngang, mà chỉ cắt vạch theo biên dạng đường bao. Vì vậy, các chi tiết được chế tạo nhanh, làm cho quá trình LOM có ưu điểm vượt trội trong sản xuất các chi tiết lớn và cồng kềnh.
(3) Độ chính xác cao: Các tính năng chính xác có thể đạt được với máy LOM thường đạt ở 0.127 mm (0.005‖). Thông qua thiết kế và lựa chọn các thông số cụ thể, mức độ chính xác theo trục X, Y và Z có thể đạt cao hơn. Nếu lớp vật liệu không co rút theo chiều ngang trong quá trình cán lớp, thì không có biến dạng các đường bao được cắt sau dán, tia laser cắt không gây ra co rút. Nếu các lớp co rút theo phương ngang, hệ thống điều khiển sẽ tính bù vào đúng phần chiều cao mỗi khi cán và lớp mỏng của mô hình 3D được đặt tại vị trí thích hợp.
Hệ thống LOM sử dụng bàn tọa độ X-Y chính xác để dẫn hướng chùm tia laser, được quan sát trong suốt quá trình chế tạo bằng hệ thống điều khiển, kết quả cho độ chính xác đạt ±0,127 mm hoặc cao hơn với bất kỳ chi tiết nào. Trục Z cũng được điều khiển để xác định chiều cao một phần tích lũy ở mỗi lớp.
(4) Cơ cấu hỗ trợ: không cần cơ cấu hỗ trợ đỡ chi tiết, bởi vì chi tiết được đỡ bởi chính vật liệu chế tạo dư bao bên ngoài của chi tiết. Những bộ phận vật liệu này không được tách bỏ trong quá trình LOM, mà đóng vai trò bộ phận giữ chi tiết hoặc đỡ các bộ phận của chi tiết.
(5) Hậu xử lý: Quá trình LOM không cần chi phí cao. Vì tấm vật liệu không phải chịu biến đổi pha, các chi tiết được tạo từ LOM không bị cong vênh, không bị biến dạng và không có ứng suất nội.
Những nhược điểm chủ yếu của LOM có thể kể đến như sau:
(1) Khó điều chỉnh chính xác tia laser: cường độ tia laser được sử dụng để cắt phần vật liệu hỗ trợ (cross-hatches) của mẫu chi tiết cần phải được kiểm soát chính xác, để laser cắt lớp cán không thâm nhập vào các lớp cắt trước đó. Kiểm soát không tốt các chùm tia laser cắt có thể gây ra biến dạng toàn bộ nguyên mẫu.
(2) Chế tạo các vách mỏng: Quá trình LOMTM
không thích hợp để chế tạo các chi tiết có vách mỏng, đặc biệt là trong hướng Z. Nguyên nhân là do vách mỏng không đủ cứng để chịu được quá trình xử lý sau khi chế tạo, và tháo bỏ phần đỡ chi tiết. Khi tách các vách mỏng ra khỏi bộ phận đỡ, cần phải chú ý để tránh gãy vỡ và đảm bảo các biện pháp phòng ngừa để tránh làm hỏng các bộ phận này.
(3) Tính toàn vẹn của mẫu: Chi tiết được chế tạo bởi quá trình LOMTM
cơ bản được liên kết với nhau bằng chất kết dính có nhiệt. Tính toàn vẹn một phần là do đó hoàn toàn phụ thuộc vào cường độ kết dính keo được sử dụng, và như vậy được giới hạn trong sức ép này. Vì thế, các chi tiết được chế tạo có thể không thể chịu được tác động mạnh, không yêu cầu mẫu có chất lượng cao.
(4) Tách bộ phận đỡ chi tiết: tốn nhiều lao động nhất của quá trình LOMTM là giai
đoạn cuối cùng, khi chi tiết được tách ra từ bộ phận đỡ chi tiết. Công đoạn này thường được thực hiện với công cụ bằng gỗ, tốn thời gian, cần phải cẩn thận để tránh hư hỏng sản phẩm.