采用硅橡膠模具制造塑料原型

　　本文主要介紹了如何通過逐步指示法使您從母模制造走向模具制造和塑料件的注塑生產(chǎn)。原型制造的出現(xiàn)已經(jīng)有很多年的歷史了，但在這個(gè)詞的前面加上“快速”一詞后，就又創(chuàng)建了一個(gè)新的行業(yè)——“快速原型制造”。

　　隨著全球經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，出現(xiàn)添加法制作工藝也是其必然的發(fā)展趨勢(shì)?，F(xiàn)在原型制造工藝中采用了一種物美價(jià)廉的生產(chǎn)方法，即采用硅橡膠模具澆鑄尿烷塑料零件。今天的尿烷塑料以及從前幾年開始的模具制造技術(shù)，為原型制造奠定了應(yīng)有的基礎(chǔ)。本文就目前應(yīng)用的技術(shù)做了一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。這種技術(shù)采用了5步復(fù)制工藝，利用硅橡膠模具澆鑄優(yōu)質(zhì)的尿烷塑料零件。

　　創(chuàng)建母模

　　復(fù)制工藝的第一步是創(chuàng)建母模。在過去，母模是在粘土、木材或塑料模型車間制造的。今天，我們可以采用添加快速原型制造（RP）技術(shù)，幫助創(chuàng)建母模。這些技術(shù)包括立體平版印刷技術(shù)、采用3D系統(tǒng)的選擇性激光燒結(jié)技術(shù)、采用Stratasys的熔合沉積法造型技術(shù)、利用物體幾何形狀的PolyJet技術(shù)、來自Z公司的3DP技術(shù)以及采用CNC數(shù)控機(jī)床加工生產(chǎn)的母模。

　　圖1 傳統(tǒng)的疊箱鑄模，從圖中可以看到尿烷塑料鑄件仍留在模具內(nèi)。 當(dāng)我們采用手工澆鑄尿烷塑料時(shí)，一般采用疊箱鑄模

　　在母模的創(chuàng)建過程中，除了采用CNC數(shù)控機(jī)床加工的特例以外，快速原型制造技術(shù)還采用了一種層壓加工技術(shù)。為了保證聚氨酯注塑件的質(zhì)量，在大部分情況下，該零件還需要進(jìn)一步的精加工處理。所謂的精加工處理，一般采用砂紙打磨、填充和油漆處理，以達(dá)到均勻光滑的表面或所需的特定效果。

　　
圖2 由二合一模具澆鑄的尿烷塑料鑄件

　　設(shè)計(jì)模具

　　1.設(shè)置

　　在制造模具前，首先應(yīng)考慮模具的通氣孔和澆鑄口。通氣孔和澆鑄口的成型必須能夠控制注入到模具中的尿烷流量。特定模具所要求的澆鑄口尺寸和位置取決于母模的容積和形狀，容積越大，澆鑄口的面積也越大。此外，還包括其他一些因素，例如母模的壁厚、澆鑄復(fù)合熔液的粘度及其適用期限。

　　為了防止模具移位，模具的定位器對(duì)模具兩個(gè)部分的精密較準(zhǔn)是非常重要的，只有定位準(zhǔn)確才能保證生產(chǎn)出精密的零件。在模具上添加定位器可采用幾種不同的方法。最簡(jiǎn)單的方法是，在模具的第一面上切割一個(gè)槽口。當(dāng)模具的另一面澆鑄時(shí)，就會(huì)形成一個(gè)相反的壓印。模具的定位器可以在建立模具第一面的結(jié)構(gòu)時(shí)放入。凝固后，將這些定位器移走，然后澆鑄模具的第二面。

　　2.硅橡膠的選用

　　快速原型制造和模具制造使用的硅橡膠可通過兩種方式配置：添加固化（鉑基）和濃縮固化（錫基）。添加固化硅的特性包括：

　?。?）在室溫條件下固化時(shí)，實(shí)際上不發(fā)生收縮現(xiàn)象； （2）通過加熱可以加速固化； （3）具有更好的耐化學(xué)特性； （4）一般采用較高的硬度，以保持內(nèi)壁的完整性。

　　濃縮固化硅的一些特性包括：

　?。?）突出的抗抑制特性； （2）可采用催化劑基礎(chǔ)混合比調(diào)節(jié)固化率； （3）對(duì)單級(jí)疊箱鑄模具有極好的性能； （4）在復(fù)雜零件的脫模過程中，采用較低的硬度以滿足靈活性的需要。

　　硅橡膠還具有承受390~590 F澆鑄溫度的能力。

　　在選用硅橡膠時(shí)，應(yīng)將硅橡膠的抗抑制性能作為一項(xiàng)主要的指標(biāo)來考慮。硅橡膠的抑制性是由成型母模中或母模上的某些污染物造成的。這些污染物會(huì)削弱或終止硅橡膠固化時(shí)所必要的交叉耦合作用，影響母模的粘著性或使模具整體缺乏固化特性。

　　目前發(fā)現(xiàn)，造成抑制性的材料主要有含硫的制模粘土、天然橡膠、arnincs材料、氯丁橡膠、未密封的木材，以及來自紙杯包裝的石蠟。如有疑問，建議采用皮膚接觸式試驗(yàn)進(jìn)行鑒定。如果橡膠發(fā)粘或在推薦的硫化時(shí)間過去后仍未全部固化，那么就會(huì)產(chǎn)生抑制現(xiàn)象。

　　為了防止發(fā)生抑制性問題，標(biāo)準(zhǔn)的做法是采用阻隔涂層。阻隔涂層實(shí)際上是一種涂料，噴涂在母模上，防止抑制性物質(zhì)與未硫化的橡膠接觸。能讓人們接受的涂料可以是聚乙烯醇、丙烯酸噴涂層或底漆。

　　
圖3 SLA母模由經(jīng)驗(yàn)豐富的模具制造工人進(jìn)行進(jìn)一步的精加工。 然后創(chuàng)建硅橡膠模具和澆鑄尿烷塑料零件（詳見圖中黑色的尿烷塑料件）

　　制造模具

　　在母模制成以后就可動(dòng)手制造硅橡膠模具了。硅橡膠的最重要特性是復(fù)制精度。硅橡膠之所以廣泛地為人們所熟知，是因?yàn)槠錁O高程度的復(fù)制性能。而且硅橡膠還具有很高的靈活性，可采用不同的方式制造模具。

　　1.疊箱鑄模

　　其中有一種類型的模具稱作單級(jí)模具或疊箱鑄模。這類模具要求原型制作工人將母模懸掛在模具箱內(nèi)。然后用硅橡膠填充零件的周圍，直至模具箱裝滿。當(dāng)橡膠固化以后，可用刀子將模具切割成兩半。采用這種方法切割模具可使模具形成一條分型線，再加上波紋，可保證模具的兩半合攏時(shí)完全對(duì)準(zhǔn)。這是制造硅橡膠模具最迅速、成本效益最好的一種方法。

　　2.二合一模具

　　多級(jí)模具或二合一模具更是一種勞動(dòng)密集型產(chǎn)品，其制造要比單級(jí)模具付出更多的勞動(dòng)，但因其有分型線，更易于控制，模具有更好的穩(wěn)定性，適于澆鑄大型零件。多級(jí)模具的制造采用粘土造型，模具的兩半之間有分型線。然后制作一個(gè)模具型箱，母模的一半采用硅橡膠填充覆蓋。待第一次注入的硅橡膠固化以后，將模具翻過來，清除造型粘土，再將硅橡膠模從箱框中起出。箱框可以替換，然后澆鑄模具的另一半，并等待其固化（見圖2）。

　　3.表皮式鑄模

　　表皮式鑄模或粉刷成型技術(shù)用于極大型的零件，這種零件一般帶有較深的切口或較高的立壁，或兩者兼有。在制作這類模具時(shí)，模具制造商在開始時(shí)先采用硅橡膠和催化劑混合物預(yù)涂層。這種涂層應(yīng)采用澆鑄法在母模上澆鑄或粉刷。如果在涂鑄過程中，涂層表面出現(xiàn)氣泡，可用空氣噴吹法和用手工將氣泡清除。待預(yù)涂層粘結(jié)以后，再在上面均勻地涂上一層硅橡膠。這種“涂抹”技術(shù)需連續(xù)不斷地進(jìn)行，直至其涂層厚度達(dá)到3/8in（1in=25.4mm）為止。增加涂層數(shù)量有助于提高其抗撕裂性能。待硅橡膠固化以后，再制造一個(gè)模具型箱，并在表皮式鑄模的周圍用石膏材料或尿烷泡沫材料支撐加固。

　　4.配料和除氣

　　當(dāng)原型制造商一旦確定制造哪種類型的模具，采用哪種硅橡膠時(shí)，就到了準(zhǔn)備模具制造用的硅橡膠材料的時(shí)候了。必須按照生產(chǎn)廠的指示和正確的配比，精確地稱出兩種材料的重量（硅基和催化劑）。

　　配料使用的塑料容器應(yīng)比原料的體積大4~5倍，只有這樣才能使原材料在真空除氣時(shí)有足夠的膨脹余地。在不使用自動(dòng)配料設(shè)備的時(shí)候，建議對(duì)所有的硅橡膠采用真空除氣的方法。

　　采用這種工藝的目的是為了清除在材料混合中產(chǎn)生的氣泡，以免影響表面形狀的復(fù)制。而且接近母模的氣泡會(huì)在這里形成一個(gè)空洞。當(dāng)澆鑄材料時(shí)（注入尿烷時(shí)），將會(huì)在復(fù)制件上出現(xiàn)突出的部分，給清理工藝和清除飛邊增加時(shí)間?；旌喜牧显阽娦稳萜鲀?nèi)或真空室內(nèi)的除氣需采用29in汞柱的壓力將其內(nèi)部抽真空。在采用這種工藝時(shí)，液體將會(huì)產(chǎn)生泡沫，并大量地上升到表面。最后材料中的氣泡被真空清除，膨脹的材料恢復(fù)到原來的水平。

　　這是模具生產(chǎn)中非常重要的一個(gè)工藝步驟，只需幾分鐘的時(shí)間，但花費(fèi)這些時(shí)間是很值得的。然后將熔融的材料從真空室中取出來，并將其注入到模具箱框內(nèi)。首先從最低點(diǎn)注入，讓硅橡膠沿著母模周圍流動(dòng)。不要將硅橡膠直接澆鑄到母模上。因?yàn)檫@樣做可能會(huì)導(dǎo)致波浪效應(yīng)，使?jié)撛诘目諝馀苋氲焦柘鹉z內(nèi)。澆鑄應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，直至硅橡膠達(dá)到模具型箱的頂部或至少超過母模1in。然后將模具擱置在一旁，并根據(jù)生產(chǎn)廠的指示將其固化。待模具固化以后，將模具的兩半分離，或?qū)B箱鑄模切割分離，建立分型線，然后將母模取出。此時(shí)，模具已準(zhǔn)備就緒，等待澆鑄尿烷塑料熔液。

　　澆鑄尿烷塑料件

　　1.選用

　　硅橡膠模具的普及促使尿烷生產(chǎn)廠開始用這種模具生產(chǎn)各種尿烷塑料件。這類材料的規(guī)格范圍從肖氏硬度10A~85D，其持續(xù)加壓時(shí)間為45~60s，脫模時(shí)間為5min。其余尿烷塑料的操作溫度為225~300 F。 考慮選用的因素應(yīng)該包括：硬度（硬度計(jì)測(cè)定）、抗拉強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、延伸率、熱偏離溫度和清晰度。所有的尿烷生產(chǎn)廠都提供了詳細(xì)的規(guī)格表，協(xié)助顧客選購其產(chǎn)品。

　　2.澆鑄

　　在開始澆鑄工藝前，先在模具的每一個(gè)面上噴涂和粉刷一層脫模劑。然后將模具合攏，并用緊固帶、橡膠帶或通過木質(zhì)框架用螺絲固定模具的兩個(gè)部分。由于大部分的尿烷系材料由樹脂和硬化劑組成，因此必須小心地在容器中將這兩種材料攪拌均勻，其外表很像硅橡膠。在除氣工藝過程中，應(yīng)讓其膨脹，但速度不要太快。然后將混合物放入到真空室，并開始除氣。在這個(gè)過程中，材料將再一次發(fā)泡并上浮。在氣泡清除后，材料的體積恢復(fù)到原來的水平。將尿烷熔液以較小的流量注入到模具的澆口之中。澆鑄過程一直進(jìn)行到澆口注滿為止，尿烷熔液通過通氣孔溢出。

　　在這一點(diǎn)上應(yīng)該注意，建議二次放入真空室時(shí)，不要讓任何空氣混入。如果沒有真空室，可以將模具放到壓力罐中，并在80~110psi壓力下固化，直至尿烷達(dá)到膠凝時(shí)間為止。采用壓力室可將任何氣泡或空洞壓縮到極其微小的尺寸，只有這樣才能生產(chǎn)出無空穴和氣泡的零件。

　　為了加速固化工藝，允許將模具放入到加熱爐內(nèi)加熱固化。當(dāng)固化工藝完成之后，將模具的兩半分開，并將復(fù)制件脫模取出。重復(fù)這一工藝就可澆鑄生產(chǎn)出更多的零件了。采用這一工藝在硅橡膠模具內(nèi)澆鑄，大約可生產(chǎn)20個(gè)零件。然而，根據(jù)零件的不同復(fù)雜程度，其生產(chǎn)量保持在這個(gè)數(shù)量范圍之內(nèi)（見圖3）。

　　3.注塑成型法

　　正如前面所提到的那樣，尿烷生產(chǎn)廠已經(jīng)開發(fā)了名為“快速澆鑄”或“快速定型”的尿烷塑料。這些特殊的尿烷材料，膠凝時(shí)間為40~60s，脫模時(shí)間只需5min。其另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是具有較高的熱偏離溫度，使模具使用壽命提高。采用這類尿烷材料，原型制造商每天可以澆鑄生產(chǎn)15~30個(gè)零件，從而使總體產(chǎn)量達(dá)到幾百個(gè)零件。

　　澆鑄這些零件的方法基本上與疊箱鑄模技術(shù)相同。其區(qū)別在于增加了一個(gè)額外的澆口，可使模具的型腔從底部到頂部注滿。當(dāng)模具一旦切割成兩半以后，需要在模具的每個(gè)面都噴涂上一層脫模劑，然后用緊固帶、膠帶、卡釘或夾緊裝置固定。

　　下一步是將尿烷材料放入到一個(gè)容器內(nèi)，在容器內(nèi)有兩個(gè)獨(dú)立的圓筒，分別裝有樹脂和硬化劑。然后將該容器放入到類似于填縫槍的噴射槍內(nèi)，采用手工或空氣壓力進(jìn)行操作。精心制作的噴液系統(tǒng)可從市場(chǎng)上購置，包括其可變的混合比例、線路加熱器，或按照要求專門制作。在容器的一端附加一個(gè)靜態(tài)混合噴嘴，這樣樹脂和硬化劑可徹底混合。在低壓條件下，尿烷熔液被注入到模具之中，直至其從通風(fēng)口溢出。模具被放入到一個(gè)壓力箱內(nèi)，協(xié)助清除材料中所含的氣泡。大約需要5min就可以準(zhǔn)備打開模具了。

　　對(duì)尿烷塑料件進(jìn)行精加工

　　零件復(fù)制的最后階段是對(duì)零件的精加工。加工原型零件的方法是：首先切除澆口、通風(fēng)口和零件上可能出現(xiàn)的飛邊。用細(xì)銼和砂紙打磨粗糙的表面，使其變得光滑。如果發(fā)現(xiàn)零件上有空洞，可用精細(xì)的點(diǎn)補(bǔ)工具和混合尿烷材料填補(bǔ)空洞。待材料固化以后，用鋼銼或細(xì)粒砂紙打磨多余的材料。