本文主要介紹了如何通過(guò)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(kāi)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(guò)去，母模是在粘土、木材或塑料模型車(chē)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程中，采用較低的硬度以滿(mǎn)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(lái)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(lái)自紙杯包裝的石蠟。如有疑問(wèn)，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(guò)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(wèn)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(jiàn)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(lèi)型的模具稱(chēng)作單級(jí)模具或疊箱鑄模。這類(lèi)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?chē)?，直至模具箱裝滿(mǎn)。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(xiàn)，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(xiàn)，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(xiàn)。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(guò)來(lái)，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(jiàn)圖2）。

　　3.表皮式鑄模

　　表皮式鑄?；蚍鬯⒊尚图夹g(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(lèi)模具時(shí)，模具制造商在開(kāi)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(guò)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?chē)檬嗖牧匣蚰蛲榕菽牧现渭庸獭?/p>

　　4.配料和除氣

　　當(dāng)原型制造商一旦確定制造哪種類(lèi)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(chǎng)的指示和正確的配比，精確地稱(chēng)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。混合材料在鐘形容器內(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(lái)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(lái)，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?chē)鲃?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(guò)母模1in。然后將模具擱置在一旁，并根據(jù)生產(chǎn)廠(chǎng)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(xiàn)，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(chǎng)開(kāi)始用這種模具生產(chǎn)各種尿烷塑料件。這類(lèi)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(chǎng)都提供了詳細(xì)的規(guī)格表，協(xié)助顧客選購(gòu)其產(chǎn)品。

　　2.澆鑄

　　在開(kāi)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(guò)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(shù)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(guò)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(kāi)始除氣。在這個(gè)過(guò)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(lái)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(guò)程一直進(jìn)行到澆口注滿(mǎn)為止，尿烷熔液通過(guò)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(méi)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(wú)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(kāi)，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(jiàn)圖3）。

　　3.注塑成型法

　　正如前面所提到的那樣，尿烷生產(chǎn)廠(chǎng)已經(jīng)開(kāi)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(lèi)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(mǎn)。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(shù)脂和硬化劑。然后將該容器放入到類(lèi)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(gòu)置，包括其可變的混合比例、線(xiàn)路加熱器，或按照要求專(zhuān)門(mén)制作。在容器的一端附加一個(gè)靜態(tài)混合噴嘴，這樣樹(shù)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(kāi)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。