快速成型第5章 基于快速原型的软模快速制造技术

1、第5章基于快速原型的软模快速制造技术快速原型由于受其制造方法所要求的使用材料的限制，并不能够完全替代最终的产品。因此，在新产品功能检验、投放市场试运行获得用户使用后的反馈信息以及小批量生产等方面，仍需要由实际材料制造的产品。因此，利用快速原型作母模来翻制模具并生产实际材料的产品，便产生了基于快速原型的快速模具制造技术（Rapid Tooling， RT）。RT技术突出的特点就是其显著的经济效益，它与传统的数控加工：模具方法相比，周期和费用都降低V1013左右，见表5l。近年来，工业界对RT的研究开发投入了日益 多的人力和资金，RT 的收益由此也获得了巨大增增长 据SME统计，近年来RT服务的收

2、益年增长率均高于RP系统销售。51 快速模具的分类及基本工艺流程基于RP的快速模具制造方法一般分为直接法和间接法两大类。直接制模法是直接采用RP技术制作模具，在RP技术诸方法中能够直接制作金属模具的是选择性激光烧结法（ SLS法）。用这种方法制造的钢铜合金注塑模，寿命可达 5万件以上。但此法在烧结过程中，材料发生较大收缩巳不易控制，故难以快速得到高精度的模具。目前，基于RP快速制造模具的方法多为间接制模法。间接制模法指利用RP原型间接地翻制模具。依据材质不同，间接制模法生产出来的模具一般分为软质模具（SOft Tooling）和硬质模具（Hard Tooling）两大类。软质模具因其所使用的软

3、质材料（如硅橡胶、环氧树脂等）有别于传统的钢质材料而得名，由于其制造成本低和制作周期短，因而在新产品开发过程中作为产品功能检测和投入市场试运行，以及国防、航空等领域单件、小批量产品的生产方面均受到高度重视，尤其适合于批量小、品种多、改型快的现代制造模式。目前提出的软质模具制造方法主要有硅橡胶浇注这、金属喷涂法、树脂浇注法等。软质模具生产制品的数量一般为505000件，对于上万件乃至几十万件的产品，仍然需要传统的钢质模具，硬质模具指的就是钢质模具。利用RP原型制作钢质模具的主要方法有熔模铸造法、电火花加工法、陶瓷型精密铸造法等。图51给出了基于RP的快速模具方法的分类及应用。图52给出的是基于R

4、P原型母模一次转换浇注方法制作样件或成型模具的工艺流程。52硅橡胶模具快速制造技术硅橡胶模具制造工艺是一种比较普及的快速模具制造方法。由于硅橡胶模具具有良好的柔性和弹性，能够制作结构复杂、花纹精细、无拔模斜度甚至具有倒拔模斜度，以及具有深凹槽类的零件，制作周期短，制件质量高，因而备受关注。由于零件的形状尺寸不同，对硅橡胶模具的强度大小要求也不一样，因而制模方法也有所不同。目前，制模用硅橡胶为双组分液体硅橡胶，分为缩合型和加成型两类。缩合型模具硅橡胶的主要组分包括：端基和部分测基为羟基的聚硅氧烷（生胶）、填料、交联利和硫化促进剂。加成型模具硅橡胶的主要组分包括：端基和部分侧基为乙烯基的聚硅氧烷（

5、生胶）、含氢硅油（交联剂）、铂触媒（催化剂）、白炭黑（填料）。目前，这两种模具硅橡胶材料已在国内外许多行业获得了广泛应用。一般来说，缩合型模具硅橡胶的抗剪强度较低，在模具制造过程中易被撕破，因此很难用于那些花纹深、形状复杂的模具。在用缩合型模具胶制造厚模具的过程中，由于缩会交联过程中产生的乙醇等低分子物质难以完全排出，致使模具在受热时硅橡胶降解老化而显著影响其使用寿命；同时由于乙醇等低分子物质的排出致使硫化胶的体积收缩，从而造成模具的尺寸小于相应的原型尺寸。因此，缩合型模具硅橡胶大多用做塑料与人造车生产中的高频压花模具，或用于一些尺寸要求不精密的工艺品制造。由于采用加成硫化体系，加成型模具硅橡

6、胶在硫化时不产生低分子化合物，因而具有极低的钱收缩率，胶料可以深部固化，而且物理性能、力学性能和耐热老化性能优异，成为了模具胶中正在大力发展的品种。加成型模具硅橡胶适用于制造精密模具和铸造模具，而且模具制造工艺简单，不损伤原型，仿真性好。521硅橡胶模具的特点硅橡胶具有良好的仿真性、强度和极低的收缩率。用该材料制造弹性模具简单易行，无需特殊的技术及设备，只需数小时在室温下即可制成。硅橡胶模具能经受重复使用和粗劣操作，能保持制件原型和批量生产产品的精密公差，并能直接加工出形状复杂的零件，免去铣削和打磨加工等工序，而且脱棋十分容易，大大缩短产品的试制周期，同时模具修改也很方便。此外，由于硅橡胶模具

7、具有很好的弹性，对凸凹部分浇注成型后也可直接取出，这是它的独特之处。硅橡胶的这些优点使它成为制模材料的佼佼者，一部分已进入机械制造领域并与金属模具相竞争。目前用硅橡胶制造的弹性模具已用于代替金属模具生产蜡型、石膏型、陶瓷型、塑料件，乃至低熔点合金，如铅、锌以及铝合金零件，并在轻工、塑料、食品和仿古青铜器等行业的应用不断扩大，对产品的更新换代起到不可估量的作用。利用硅橡胶制造模具，可以更好地发挥RP技术的优势。522基于快速原型的硅橡胶模具制作工艺由于RP技术生产出来的原型材料与硅橡胶不发生反应，制造过程中没有经过变形，也不会产生褶皱，能够生产出与精密塑料件一样的表面质量。以某电器上盖的 LOM

8、原型为例，介绍硅橡胶模具的制作工艺。利用RP原型制作硅胶模具的工艺流程如图5-3所示。（1）原型表面处理。 RP法制作的原型在其叠层断面之间一般存在台阶纹或缝隙，需进行打磨和防渗与强化处理等，以提高原型的表面光滑程度和抗湿性与抗热性等。只有原型表面足够光滑，才能保证制作的硅胶模型腔的表面粗糙度，进而确保翻制的产品具有较高的表面质量和便于从硅胶模中取出。（2）制作型框和固定原型。依据原型的几何尺寸和进胶模使用要求，设计浇注型枢的形状和尺寸，型握的尺寸应适中。在固定原型之前，需确定分型面和浇口的位置。分型面和浇口位置的确定是十分重要的，它直接影响着浇注产品能否顺利脱模和产品浇注质量的好坏。当分型面

9、和浇道选定并处理完毕后，便将原型固定于型框中，如图54a。（3）硅橡胶计量、混合并真空脱泡。硅橡胶用量应根据所制作的型框尺寸和硅橡胶的比重准确计量。将计量好的硅橡胶添入适当比例的硬化剂，搅拌均匀后进行真空脱泡。脱泡时间应根据达到的真空度来掌握。（4）硅橡胶浇注及固化。硅橡胶混合体真空脱泡后浇注到已固定好原型的型框中，如图54b所示。在浇注过程中，应掌握一定的技巧。硅橡胶浇注后，为确保型腔充填完好，再次进行真空脱泡，如图54C所示。脱泡的目的是抽出浇注过程中掺入硅胶中的气体和封闭于原型空腔中的气体，此次脱泡的时间应比浇注前的脱泡时间适当加长，具体时间应根据所选用的硅橡胶材料的可操作时间和原型大小

10、而定。脱泡后，硅胶模可自行硬化或加温硬化。加温硬化可缩短硬化时间。（5）拆除型框、刀剖开模并取出原型。当硅胶模硬化后，即可将型框拆除并去掉浇道棒等，如图54d所示。参照原型分型面的标记进行刀剖开模（图54e），将原型取出，并对硅橡胶模具的型腔进行必要清理，便可利用所制作的硅橡胶模具在真空状态下进行树脂或塑料产品的制造，如图54f所示。523硅橡胶模具制作的若干问题在翻制硅橡胶模具时，硅橡胶模具的成本、寿命及尺寸精度是硅橡胶模具制作过程中需重点考虑的因素。l）型框尺寸较小，可以节省硅橡胶的用量，降低硅橡胶制模成本，但不利于硅橡胶的浇注；尺寸较大，既浪费硅橡胶又降低了硅胶模的柔性，增加了从硅橡胶模

11、具中取出产品的难度。为使硅胶模大小适中，在搭建硅橡胶模具型框的时候，通常使型枢四壁、底面距RP模型边缘20mm，侧面挡板高度为RP模型的高度h再加上90mm，留出50mm的高度，以保证脱泡时硅胶不能溢出，如图5-5所示。2）为了脱模方便，应合理选取分型面。分型面通常选取投影面积最大的面。但是，由于硅橡胶材料具有较高的弹性，在开模时可以进行粗劣的操作，因此有一些特殊结构，如侧面的小凸起等，在选取分型面时可以不予考虑。另外，对原型中的封闭通孔或不封闭的开口，为便于两个半模在创切过程中容易分离，应将其部位采用透明胶等封贴。3）对于较高的薄壁件，如果壁厚尺寸要求精确，在选择分型面时要注意将薄壁整体置于

12、同一半模中，以减小因合模或模具捆绑时引起薄壁型腔的变形而导致壁厚尺寸误差。较高薄壁件分型面的选定如图56所示。图56a中分型面位置选取比较合理，使较高薄壁处的型腔位于上模。如果分型面的位置选为图56b所示的位置，使得薄壁处的型腔由上下棋形成，这种情况下进行合模，如果上下模位置放偏，则较高薄壁处的壁厚尺寸精度将难以保证。4）型框一般做成长方形或正方形，但是对于一些特殊结构的零件，为了节省硅胶，降低成本，可按其形状搭建型枢，如图57所示，其中图57a是水平方向示意图，图5-7是高度方向示意图。5）对于存在大面积平面形状的原型，当贴好分型面后，应合理选定浇道的位置及方向。对于单一浇道来说，如果在结构

13、许可的情况下，浇道位置应选在原型的重心附近。浇道的方位应注意避免使大面积平面形状置于型腔的最高位置，否则，该较大面积平面最后充型时，会因存在少量气泡无法排出而导致该平面处存在较多气孔。图5-8给出了浇道方位摆放示意图。图5-8a为正确的浇道摆放方式，该方式下，材料充填过程逐渐将剩余的气体从薄壁的上缘通过排气孔排出。若将浇道设置为图5-8b所示的方位，在填充的最后阶段，剩余的气体被围困在产品较大面积的上表面处，该水平面上的气泡无法流动而最终残留在型腔中，在产品表面形成气孔，影响产品的表面质量。6）在刀剖开模的时候，手术刀的行走路线是刀尖走直线，刀尾走曲线，使硅橡胶模具的分型面形状不规则，这样可以

14、确保上下模合模时准确定位，避免因合模错位引起的误差，如图5-9所示。524经济型硅橡胶模具制作的一种工艺方法硅橡胶材料的成本较高，占据着硅橡胶模具制作小批量样件的大部分成本，尤其是尺寸较大单件制品的制作。为此，人们一直在努力研究在该类技术方法中如何能够节省硅橡胶材料的用量，而同样也能够制作出满足要求的样件来。在硅橡胶模具实际制适应用中，对于有些特殊特征结构的制件的硅橡胶模具制作，存在着较大的材料浪费，如图5-10所示。如果图示中浪费的硅橡胶材料部分用成本低廉的材料替代，会显著降低硅橡胶模具制作的成本。这里以石膏替代材料为例，介绍一种经济型硅橡胶模具制作工艺方法.1适于经济型硅橡胶模具的母模原型

15、结构特征并不是所有需要翻模复制的零件形状都适合于上述提出的经济型硅橡胶模具制造方法。从经济性和效率两方面考虑，以下几种类型的零件比较合适：（1）局部具有较大空腔的零件，如图5ll所示。空腔内部尺寸较大，如全部用硅橡胶填充，必然造成较大浪费。采用经济型方法，先在空腔内面贴一定厚度的橡皮泥，再向空腔内倒入石膏，待石膏凝固后设法除掉橡皮泥，向留出的空隙内注入硅橡胶，实现材料节省。（2）沿某一方向，不同位置截面的尺寸差异较大的零件。具有该形状特征的零件可分为以下两类：l）具有台阶特征及类似结构的零件，如图512所示零件，如台阶之下部分的模具全部用硅橡胶填充，也会造成较大浪费。可采用经济型方法，将台阶周

16、围起支撑作用的硅橡胶用石膏代替。2）具有拐角类特征的零件。根据研究，拐角内侧可将多余的硅橡胶以石膏替代，如图513所示。2经济型硅橡胶模具制作工艺流程通过与石膏混合制作经济型硅橡胶模具工艺方法的流程为：原型或样件-分型处理贴粘土或橡皮泥配石膏浆石膏造型去粘土浇注硅橡胶修型试制产品。具体的工艺过程如下：（1）安放原型贴粘土。对原型进行必要的清理和处理后放置到平板上固定好，制作并固定模框，使原型周围距模框的距离均匀，在楼框平板内表面上涂刷脱模剂后，在原型表面贴橡皮泥，如图5-14a所示。（2）浇石膏背衬。将配好的石膏浆浇注到模框中，等待石膏浆固化，如图5-l4b所示。（4）去除橡皮泥。五膏浆固化后

17、，去掉橡皮泥层，清理型胶，如图5- 14C所示。粘在原型上的橡皮泥要清洗干净，以免影响模具的表面质量。（4）硅橡胶浇注。根据去掉的橡皮泥层的体积，计算所需调配的硅橡胶体积，再考虑一定的损耗，进行硅橡胶的调配。调配均匀后，放入油真空装置中排除硅橡胶混合体中的气泡。脱泡后进行硅橡胶浇注，如图5- 14d所示。（5）取出原型。待浇注好的硅橡胶模具在室温下固化或加热固化后，取出原型，如图5-l4e所示。425硅橡胶模具的应用对于批量不大的注塑件生产，可以采用RP原型快速翻制的硅橡胶模具通过树脂材料的真空注型来实现，这样，能够显著缩短产品的制造时间，降低成本，提高效率。对于没有细肋、小孔的一般零件，采用

18、硅橡胶模具浇注树脂件可制作制品达到50件以上。采用硅橡胶模具进行树脂材料真空注型的工艺流程，如图5-15所示。（1）清理硅胶模，预热模具。为了保证注型件充填完全，需要在上模中离浇口较远的型腔较高处设置一系列的排气孔。在进行树脂件浇注之前，应进行必要的清理工作，例如清除沟槽内的残留物，检查排气孔是否堵塞等。清理工作完成以后，将硅胶模具放入温箱中进行预热。（2）喷洒离型剂，组合硅胶模具。为了便于注塑件从模具中取出，需要在模具型腔表面喷洒离型剂，特别要注意喷洒深沟槽、深孔等难以脱模处。喷洒完离型剂后，就可以将硅橡胶模具组合起来。不过，对于透明材料的制件，不宜喷洒离型剂。（3）计量树脂。树脂的重量通常根据原型的重量进行估算，并根据浇注过程中材料的盈余进行调整。初次浇注时，一般由原型的重量乘上一定的系数来初定所需浇注树脂的重量。再根据规定的树脂和硬化剂的配比即可算出所需树脂和硬化剂各自的重量。（4）脱泡混合，真空注型。为了提高注件的致密