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山东大学硕士学位论文 金属树脂模具材料配方与制模工艺实验研究 摘要 近2 0 年来，制造业市场环境发生了很大变化：一方面表现为消费者兴趣 的时效性和消费者需求的日益主体化、个性化和多元化：另一方面则是区域性、 国际性市场壁垒的淡化和打破，使制造厂商不得不着眼于全球市场的激烈竞 争，将多样化的产品快速推向市场是制造商把握市场先机而求生存的重要保 障。 快速原型制造技术( r a p i dp r o t o t y p i n g m a n u f a c t u r i n g ，r p m ) 就是在这 种背景下逐步形成并得以发展的。而以r p & m 原型作母模来翻制模具的快速 模具制造技术( r a p i dt o o l i n g ，r t ) ，进一步发挥了快速原型制造技术的优越 性，可实现最终零件或产品的快速制造，这对多样化、准时化、小批量的现代 制造模式和瞬息万变的市场需求无疑是强有力的技术支撑因此，快速模具制 造技术具有十分广阔的应用前景，可以用于新产品开发和小批量生产，降低生 产成本，提高生产率，实现批量订制。 本文在介绍快速原型和快速模具制造技术发展现状的基础上介绍了典型 的快速模具制造技术及其工艺，其中包括：直接制造模具的s l s 工艺、3 d - p 工艺、s d mt 艺和d m l s 工艺，间接制造模具的硅橡胶制模工艺、q u i c kc a s t 工艺、喷射粘结成形工艺、k e l t o o l 工艺、金属冷喷制模工艺和电铸工艺等。 在系统介绍金属树脂快速制模常用树脂、填料及各种添加剂的基础上，本 文对基于快速原型的金属树脂模具材料配方进行了详细的实验研究。分别对e 型环氧树脂e 4 4 ，1 3 5 1 ，f 型环氧树脂f 5 1 、f 4 4 ，不饱和1 9 9 # 树脂等金属树脂 进行大量的实验研究，得出了分别与它们相对应的固化剂、稀释剂、增韧剂以 及填料等各种添加剂的种类及适宜的配比量。分别由这几种金属树脂材料配方 制取试样，通过测量试样的硬度等机械性能，得出几种比较理想的材料配方并 采用e 4 4 金属树脂模具材料配方进行了某盒形件的金属树脂模具制作 在模具材料配方一定的情况下，不同的模具制作工艺也会得到质量完全不 同的树脂模具。本文对基于快速原型的金属树脂模具制造技术和利用金属树脂 模具进行产品真空浇注技术进行了详细的研究，给出了基于快速原型的金属树 脂模具制造的工艺过程和工艺参数，介绍了型框尺寸计算方法、树脂用量计量 l 摘要 以及树脂混合顺序、搅拌时间、原型件表面处理以及原型内腔填充物的选择与 填充技巧、模具与原型件的分离等若干关键技术问题，给出了利用金属树脂模 具进行产品真空浇注的工艺流程，介绍了确保浇注产品质量的搅拌时间、保温 温度和保温时间等关键工艺参数。 y e a r s o nt h e o n eh a n d , c a ) n s u m e r st r a n s f o r mt h e i ri n t e r e s t sm o r eq u i c h ya n dt h e i r d e m a n d sb e c o m em o r ec u b i s m , i n d i v i d u a t i o na n dd i v e r s i f i c a t i o n , o nt h eo t h e r h a n d , b e c a u s et h eb u l w a r ko ft h et e r r i t o r i a la n di n t e r n a t i o n a lm a r k e ti sf a i n ta n d b r e a k , m a n u f a c t u r e r sh a v et ov i e wt ot h ek e e nc o m p e t i t i o ni ni n t e r n a t i o n a lm a r k e t i no r d e rt oh o l dt h ef o r e t h o u g h to fm a r k e t , i ti si m p o r t a n tt op u tt h ec o m m o d i t i e s i n t ot h em a r k e tf l e e t l y r a p i dp r o t o t y p i n ga n dm a n u f a c t u r i n ga r p & h 0t e c h n o l o g yc o m e sf o r t ha n d d e v e l o p sw i t ht h ec h a n g e si nt h eb a c k g r o u n d a n dr a p i dt o o l i n g 僻dp r e s sh o m e r a p i dp r o t o t y p i n ga n dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y sa d v a n t a g e w ec a nc a r r yo u t r a p i dm a n u f a c t u r i n go ft h ee n dp a r t o rp r o d u c tb yr a p i dt o o l i n g r a p i dt o o l i n g s e r v e sa st h es t r o n gs u p p o r tt ot h em o d e mp r o d u c i n gm o d ea n dt h em a r k e t s d e m a n d s t h e r ei sw i l ef o r e t h o u g h tf o rr a p i dt o o l i n gt oa p p l yt od e v e l o pt h en e w p r o d u c t , p r o d u c es m a l lb a t c hp r o d u c t , r e d u c ec o s t , i m p r o v et h ep r o d u c t i v i 哆a n d r e a l i z ec u s t o m - m a d ep m d l l c tf o ras m a l lb a t c h d i r e c tm o l ds u c ha ss l s 、3 d p 、s d m 、d m i sa n di n d i r e c tm o l ds u c ha s s i l i c o nm o l d , q u i c kc a s tt e c b l l o l o g y ，r e j e c tf o r m i n g , k e l t o o lt e c h n o l o g y , c a u l dm e t a l s p r a yf o r m i n ga r ep r o p o s e db a s e do nt h er a p i dp r o t o t y p i n ga n dm a n u f a c t u r i n ga n d r a p i dt o o l i n gt e c h n o l o g yi nt h i sp a p e r r e s i n su s e di nm e t a lr e s i nm o l d , m e t a lp o w e ra n da l lk i n d so fa d d i t i v ea r e i n t r o d u c e di nd e t a i l n 圯c l a s s i f i c a t i 蚰o fr e s i n ，m e r i t sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h e e p o x yr e s i n , c u r i n ga g e n ta n dt h i n n e rt h a tu s e di nr e s i ni sg i v e ni ns y s t a n a m a t e r i a l sc o m p o n e n t sa n de x p e r i m e n t s 谢t ht h e mw e r ee m p h a s i z e di nt h i s a r t i c l e m a t e r i a l sc o m p o n e n t ss u c ha se p o x yr e s i ne 4 4 ，e 5 1 ，f 4 4 ，f 51a n d p o l y e s t e rr e s i n1 9 9a n dt h e i rc o r r e s p o n d i n ga d d i c t i v e sf o rp r o d u c i n gm e n t a lr e s i n m o l da r ci n v e s t i g a t e d a n df r o mag r e a td e a le x p e r i m e n t s ，t h et y p ea n dt h er i g h t d o s a g eo ft h i n n e r s ，m o d i f i e r s ，a n db u l ka d d i t i v e sa r eg o t s o m ep r o p e rm a t e r i a l s c o m p o n e n t sa 地p r o p o s e dt h r o u g hc o m p a r i n gt h er i g i d i t ya n do t h e rm e c h a n i c a l p 硼o r m a n e eo f t h es a m p l e st h a tw e r em a d ei no r d e rt oc o m p a r ee v e r ym e t a lr e s i n 1 1 1 a b s t r a c t c o m p o n e n t s b a s e do nt h e e 4 4c o m p o n e n t sam e t a lr e s i nm o u l dw a sm a d e c o m p l e t e l yd i f f e r e n tq u a l i t ym o l dw i l lb eg o td u et ot h ed i f f e r e n tp r o c e s s t h e f a b r i c a t i n gp r o c e s so fam e t a lr e s i nm o l db a s e do i lt h ep l a s t i ca n dt h er a p i d v a c u u m - c a s t i n gt e c h n o l o g yo far e s i np r o d u c tu s i n gt h em e t a lr e s i nm o l da r e i n v e s t i g a t e d t h e nt h ed e t a i l e dm e a s u r e sa n dr e l a t i v et e e l m i q u e sf o ri m p r o v i n gt h e q u a l i t ya n dr e d u c i n gd i f f i c u l t i e si ns e p a r a t i n gt h em e t a lr e s i nm o l da n dt h ep l a s t i c p r o t o t y p ea r es u g g e s t e d t h em a i np r o c e s sa n dt e c h n i q u e sp a r a m e t e r s 骶g i v e ni n t h ep a p e r t h em e t h o dt oc a l c u l a t et h er e s i n , t h eo r d e rt om i xe v e r ym a t e r i a l s t h e t i m et om i xt h er e s i na n dt h i n n e r , c u r i n ga g e n t , d e a l i n g 晰也t h es u r f a c eo ft h e p r o t o t y p e ，t h ec h o i c eo fm o l df a c e ，t h es k i l lt of i l lt h eh o l e so ft h ep r o t o t y p ew i t h t h ep i c k i n gm a t e r i a la n dt h es k i l lt om a k ec a v i t yb a s e do nc o l ea l ei n v e s t i g a t e di n d e t a i l a n do t h e rf a c t o r st h a ta f f e c tt h ec a s t i n gp r o d u c t , t h et i m eo fm i xr o u n d , t h e k e e p i n gt e m p e r a t u r ea n ds oo i la r ci n t r o d u c e di nt h i sp a p e r , f i n a l l y , t h ec h o i c eo fc u r i n ga g e n ta n dt h em e t h o dt ou s ei ta ”s t u d i e d e x p e r i m e n t a l l y i nt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yap r o b l e mi sf o u n dt h a tt h es e p a r a t i n go f t h em o u l da n dt h ep r o t o t y p e ，t h es e p a r a t i n go ft h em o u l da n dt h ep r o d u c ti sv e r y d i f f i c u l t y m si sap r o b l e ma b o u tc u r i n ga g e n ta n di ti so n eo fd i f f i c u l t i e si n m a k i n gt h em e t a lr e s i nm 。o l da n dt h ep r o b l e ma f f e c tt h eq u a l i t yo ft h em o u l d s e r i o u s l y t h r o u g hal o to fe x p e r i m e n t s0 1 3 t h ec u r i n ga g e n t , t h es u c c e s sp r o c e s s a n dq u a l i t yc o n t r o ln l e a s u r e $ i nu s i n gc u r i n ga g e n ta l ep r o p o s e d , i tl a a si m p r o v e d t h es t a t u si nq u oo ft h em e t a lr e s i nm o u l da n dh a si m p o r t a n tr e f e r e n e ev a l u et ot h e u s e rw h om a k e st h em e t a lr e s i nm o u l dw i t ht h er e s i nt h a tm a d ei nc h i n 丑 k e yw o r d s ：r a p i dt o o l i n g , r a p i dp r o t o t y p i n ga n dm a n u f a c t u r i n g ，m e t a lr e s i nm o l d m a t e r i a l sc o m p o n e n t s ，c u r i n ga g e n t 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：圣：垒翌日期：垄丛：三 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：到! 鱼! 圣导师签名：诬 山东大学硕士学位论文 _ i 一i i 目l ! 自_ e e ! t 目_ _ 自_ _第一章绪论 1 1 引言 近2 0 年来，制造业市场环境发生了很大变化：一方面表现为消费者兴趣 的时效性和消费者需求的日益主体化、个性化和多元化；另一方面则是区域 性、国际性市场壁垒的淡化和打破，使制造厂商不得不着跟于全球市场的激 烈竞争快速将多样化的产品推向市场是制造商把握市场先机而求生存的重 要保障，由此导致了制造价值观从面向产品到面向顾客的重定向、制造战略 重点从成本与质量到时间与响应的转移等，此可视为各国致力于c m f s 、并行 工程、敏捷制造等现代制造模式研究与实践的重要背景。传统制造业的战略 是规模效益第一，上世纪8 0 年代又提出价格第一和质量第一，上世纪9 0 年 代以来，已发展为市场响应第一，快速响应制造已成为国际研究的热点，如 今市场的机遇要靠企业去把握、去创造。因此，产品的快速开发是快速响应 制造的龙头，是成为赢得2 l 世纪国际市场竞争的关键【l 】。 快速原型制造技术( r a p i dv r o t o t y p i n g m a n u f a c t u r i n g ，r p & m ) 就是在这 种背景下逐步形成并得以发展的它借助计算机、激光、精密传动和数控等 现代手段，将计算机辅助设计( c a d ) 和计算机辅助制造( c a m ) 集成于一 体，根据在计算机上构造的三维模型，能在很短时间内直接制造产品样品， 无须传统的加工机床和模具 2 1 该项技术创立了产品开发的新模式，使设计师 以前所未有的直观方式体会设计的感觉，感性而迅速的验证和检查所设计产 品的结构和外形，从而使设计工作进入了一种全新的境界，改善了设计过程 中的人机交流，缩短了产品开发的周期，加快了产品更新换代的速度，降低 了企业投资新产品的风险，加强了企业引导消费的力度。由这种技术制造的 产品样品可用于新产品的评价，也可用于制造硅橡胶模具、环氧树脂模具和 熔模铸造模具等，从而批量生产塑料零件及金属零件用这种方法制造样品 较传统法的显著优点是，制造周期大大缩短( 由几周、几个月缩短为若干个 小时) ，成本大大降低【3 】 而以r p & m 原型作母模来翻制模具的快速模具制造技术( r a p i d 第一章绪论 t o o l i n g ，r t ) ，进一步发挥了快速原型制造技术的优越性，可实现最终零 件或产品的快速制造，这对多样化、准时化、小批量的现代制造模式和瞬息 万变的市场需求无疑是强有力的技术支撑。r p & m r t 技术提供了一种从模具 的c a d 模型直接制造模具的新概念、新方法，它将模具的概念设计和加工工 艺集成在一个c a d ，c a m 系统内，为并行工程、敏捷制造、虚拟制造等先进 技术的应用创造了良好的条件r t 技术能解决大量传统加工方法难以解决的 问题，可获得一般切削加工不能获得的复杂形状，可根据c a d 模型无需数控 切削加工直接将复杂的型腔曲面制造出来而基于r p & m 技术的r t 由于技 术集成度高，从c a d 数据到物理实体转换过程快，因而，模具的制造周期仅 为传统的数控加工方法的1 3 1 1 0 ，生产成本仅为1 3 i 5 ，所以国外工业发 达国家已将r p & m r t 列为缩短新产品开发周期及模具制造周期的重要研究 课题和制造业核心技术之一【4 1 随着快速原型软硬件设备与快速原型材料的不断发展和完善，快速原型 制造件的强度和精度得到不断的提高，快速原型逐渐向快速模具制造发展， 用快速原型方法制造各类模具已成为r p & m 应用的热点问题【5 l ，该技术被美 国汽车工程杂志评为全球1 5 项重大技术之首，受到全球制造业的广泛关注【6 】。 模具制造是制约我国汽车、家电、轻工业等行业发展的瓶颈和关键【”目前， 已经开发的快速模具有直接法制造的金属树脂模具，硅橡胶模具、铝基树脂 模具、钢模具等喁】在若干简易模具制造技术中，硅橡胶浇注法制造模具发展 已经比较成熟，金属树脂浇注法制模技术由于成本较低，制作周期短，制件 质量高，且能够批量生产制件，因而备受关注但是金属树脂浇注法制模技 术发展不成熟，尤其是模具材料配方和模具制作具体工艺不成熟，因此金属 树脂材料配方和制模具体工艺成为金属树脂制模技术研究的热点和难点。 1 2 快速原型与快速模具技术的发展现状 1 9 8 6 年，c h a r l e sh u l l 开发了世界上第一套快速原型装置，1 9 8 8 年第一代 商业化快速原型制造系统在3 ds y s t e m s 公司问世1 9 1 。此后的l o 年间，快速原 型制造技术的研究和开发工作开展得如火如茶1 9 9 8 年r p 的直接收入( 销售 r p 系统和进行原型制造及原型后续加工收入) 预计已达l o 亿美元【嘲。美国、 日本及欧洲发达国家已将快速原型技术应用于航空、宇航、汽车、通讯、医 山东大学硕士学位论文 疗、电子，家电、玩具、军事装备、工业造型( 雕刻) 、建筑模型、机械行业等 快速原型技术制作的原型在新产品开发中具有重要的作用。按其功能可分为 概念模型、功能模型和技术模型。概念模型用于展示设计的整体概念、立体 形态和布局安排，进行多种设计方案比较分析功能模型用于研究产品造型 与结构关系，表达结构尺寸特点和连接方式等，研究产品的些物理性能、 机械性能。进行分析检查、检验和实验，并且根据实验结果及时修正设计， 降低成本与时间。技术模型与实际产品几乎相同，由功能模型发展而来，采 用真实材料制造，具有严格的尺寸关系和相同的性能，可直接作为零件使用 此外，快速原型制造技术在医疗行业中可用于制造人体各器官的复制品，供 医生进行准确会诊之用，主要有人体骨头模型、人造假肢模型、人体软组织 模型及器官模型等，其大小、形状和颜色几乎达到了以假乱真的地步【】 国内r p 研究起步在1 9 9 1 年左右，北京隆源自动成形系统有限公司、清 华大学、西安交通大学、南京航天大学、华中理工大学、上海交通大学、华 北工学院等在成型理论，工艺方法、设备、材料，软件等方面做了大量的研 究开发工作，有些单位已开发出商品化，能做出复杂原型的r p 系统。例如北 京隆源公司开发的a f s 3 0 0 激光快速成形机( 选择性激光烧结系统) 【1 2 1 、华中 理工大学研制的以纸为成形材料的基于分层物体制造原理的h r p 系统、清华 大学研制的多功能快速造型系统m p p m s 和基于f d m 的熔融挤出成形系统 ( m e m 2 5 0 ) 等在基于快速成形技术的快速制造模具方面，上海交通大学开发 了具有我国自主知识产权的铸造模样计算机辅助快速制造系统，为汽车行业 制造了多种模具i t 3 】；隆源公司的r p 服务中心也为企业制作了多种精密铸模； 华中理工大学研究出了一种复模技术快速制造铸模，翻制出了铝合金模具和 铸铁模块此外，国内的家电行业在快速成形系统的应用上，走在了国内前 列。如广东的美的、华宝、科龙，江苏的春兰、小天鹅，青岛的海尔等，都 先后采用快速成形系统来开发新产品，收到了很好的效果目前，国内由政 府资助，正在深圳、天津等地建立一批向企业提供快速成型技术的服务机构 f l l l 有理由相信，快速原型技术在我国将得到很好的应用。但该技术如果仅 仅停留在原型制作上。尚形成不了对制造业的冲击，要想发挥r p & m 技术的 】 第一章绪论j 更大优势，就必须形成快速制造能力，因此快速模具( r t ) 便受到高度重视， 也得到迅速发展。 利用快速原型技术制得的快速原型，结合硅胶浇注、金属树脂浇注、金 属冷喷涂、精密铸造、电铸、离心铸造等方法可以生产模具；快速原型件也 可以直接或间接制得e d m 电极，用于电火花加工生产模具；快速原型技术制 得的快速原型也可以直接作为模具。运用r t 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，周期和费用都降低到i 3 1 1 0 左右，如表1 1 所示。近年来，工业界对r t 的研究开发投入了日益增多的人 力和资金，r t 的收益由此也获得了巨大增长。据s m e 统计，近年来r t 服务 的收益年增长率均高于r p 系统销售，如9 6 年比9 5 年增长6 2 7 ，而r p 设 备销售额的增长为4 2 6 。到1 9 9 6 为止，世界上已有r t 服务机构近3 0 0 家， 9 6 年底，其总收入达2 8 6 4 亿美元，占r p & m 行业收入的5 8 2 1 4 1 表1 - 1 基于r p & m 原型快速制作模具与传统机加工法制作模具的比较 1 3 本课题的研究意义 对于快速原型与快速模具制造技术，国内的研究主要集中于设备的研制 和商品化上，对于基于r p & m 的快速模具制造技术没有进行系统的研究。随 着快速原型技术的发展，基于快速原型技术的快速模具制作技术的研究也得 到了高度重视。目前，除了硅橡胶快速制模技术比较成熟以外，其他快速制 模技术如金属环氧树脂模具、金属喷涂模具等尚需要进行进一步的研究。树 脂材料种类繁多，性能各异，而环氧树脂模具材料的配方及其制作工艺一直 是环氧树脂快速制模技术研究的重点。 金属树脂是添加金属粉末，小颗粒或者金属细针到树脂中的一种模具原 4 山东大学硕士学位论文 料。加入的金属既能增加树脂的导热性从而降低树脂收缩率，又可提高树脂 强度、硬度、抗拉性能、耐磨性能等。金属树脂快速制模即借用金属浇注方 法，将己准备好的浇注原料( 树脂均匀掺入添加剂) 注入一定的型腔中使其 固化( 完成聚合或缩聚反应) ，从而制得模具的方法。 华中理工大学刘志力【1 5 1 等和河南高等专科学校的杨占尧旧等对基于 l o m 原型的金属树脂模具材料进行了研究。以金属粉末和环氧树脂为基料， 研究了不同添加剂对金属树脂材料性能的影响，指出了最适合的模具树脂材 料配方，但是这些树脂配方非常笼统，对模具制作工艺也没有系统的报道 从上世纪6 0 年代开始，国内的很多企业及科研部门就开始用树脂来制造模具， 但是到目前为止，仍然采用低档的不饱和聚酯。然而不饱和聚酯收缩率大、 机械性能低、尺寸稳定性差，只能制作精度低、寿命短的简易模具。 国际上，以汽巴公司的a r a l d i t e , u r e o l ，r p , c i b a t o o l i n g ，r e n s h a p e 等系列为代 表的专业模具树脂，具有极低的收缩率、优异的耐磨性和尺寸稳定性，可以 满足铸造模具使用要求【1 7 1 但是汽巴公司的模具树脂配方属于专利，对外界 是保密的而且价格也较昂贵 本文拟以国产环氧树脂及填料为原料，对环氧树脂及填料的配方以及制 作工艺进行系统研究，为环氧树脂模具制作提供必要的技术支持，对促进该 项快速制模技术的应用与发展具有重要意义。 1 4 本文的主要工作 快速模具制造技术有广阔的应用前景，可以用于新产品开发和小批量生 产，降低生产成本，提高生产率，实现批量订制。本文第二章介绍了典型的 快速模具制造技术及其工艺，其中包括：直接制造模具的s l s 工艺、3 d p 工 艺、s d m 工艺和d m l s 工艺，间接制造模具的硅橡胶制模工艺、q u i c kc a s t 工艺、喷射粘结成形工艺、k e l t 0 0 1 工艺、金属冷喷模工艺和电铸工艺等随 着快速模具制造技术的完善，快速模具的质量将不断提高。 本文第三章，详细介绍了金属树脂模具常用材料：树脂、金属填料以及 各种添加剂。系统地介绍了树脂的分类，通用e 型环氧树脂的优点、特性及 其应用，以及固化剂，稀释剂分类及应用场合。 在系统介绍金属树脂制模常用树脂、填料及各种添加剂的基础上，本文 第一章绪论 第四章对基于快速原型的金属树脂模具材料配方进行了详细的实验研究。分 别对e 型环氧树脂e 4 4 、e 5 1 ，f 型环氧树脂f 5 1 、f 4 4 ，不饱和1 9 9 # 树脂等 金属树脂进行大量的实验研究，得出了与它们分舜j 相对应的固化剂、稀释剂、 增韧剂以及填料等各种添加剂的种类及适宜的配比量分别由这几种金属树 脂材料配方制取试样，通过测量试样的硬度等机械性能，得出几种比较理想 的材料配方并据e 4 4 金属树脂模具材料配方进行了某盒形件的金属树脂模具 制作 在模具材料配方一定的情况下，不同的模具制作工艺也会得到质量完全 不同的树脂模具。本文第五章对基于快速原型的金属树脂模具制造技术和利 用金属树脂模具进行产品真空浇注技术进行了详细的研究，以微波牛奶杯上 盖模具的制作为例给出了基于快速原型的金属树脂模具制造的工艺过程和工 艺参数，介绍了型框尺寸计算方法、树脂用量计量以及树脂混合顺序、搅拌 时间、原型件表面处理以及原型内腔填充物的选择与填充技巧、模具与原型 件的分离等若干关键技术问题，给出了利用金属树脂模具进行产品真空浇注 的工艺流程，介绍了确保浇注产品质量的搅拌时间、保温温度和保温时间等 关键工艺参数的选取 在本文实验研究中发现原型件和模具、模具和产品的分离十分困难，严 重影响该快速制模技术的成败，为此在第六章，针对这一问题对脱模剂的选 择和具体涂布方法进行了大量的实验研究，给出了能够满足环氧树脂模具使 用要求的脱模剂及其使用工艺，对目前国内环氧树脂模具脱模困难，模具表 面效果不理想的现状进行了改善，对于采用国产环氧树脂材料制作金属树脂 快速模具具有重要的参考价值 快速原型技术及基于快速原型的快速模具制造技术是一项高新制造技 术，一方面它正迅速在愈来愈多的领域、行业中推广应用，另一方面又在进 一步完善、发展本文的最后一章给出了研究结论并提出了快速模具技术的 发展方向以及在本文的基础上还要进一步深化的研究工作 山东大学硕士学位论文 第二章快速模具技术 2 1 引言 快速原型技术由于其制造方法要求的使用材料的限制，并不能完全替代最 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，仍然需要有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。 快速模具制造技术是快速原型技术和传统的模具制造技术相结合的模具 制造技术，是近年来发展比较快的个应用领域嘲它采用快速成形工艺及 相应的后续加工，来快速制作模具。它涉及两方面的功能：快速开发用于传 统制造工艺的模具，如快速制作注塑模型与铸造模型。减少用模具成形工件 所需的时间，缩短成形的循环周期，提高模具的生产效率【1 姐1 i 例如：在注塑 模具中，采用与工件共形的冷却道，使塑料快速、均匀冷却，缩短注射成形的 循环时间，改善工件的品质 传统花费高，周期长的模具制造技术只适合用于大批量产品的生产因此， 如何快速经济的制造模具特别是适合小批量产品生产的模具成为关键。此外在 产品研制过程中也总是需要一些中间模具来生产小批量原型或者样品，以此来 检验市场前景，进行功能检测，产品外形工艺设计，装配干涉检验，效果评估 因此，快速模具在现代工业生产领域越来越重要。 2 2 快速模具的应用领域 采用r t 技术制造快速模具可以体现如下特点圈： 1 ) 不受工件特征或几何形状的限制； 2 ) 能产生精确的模具几何形状，模具零件调试、修整工作量小； 3 ) 能提供质量良好的型腔表面； 4 ) 无模具尺寸的限制： 5 ) 有高生产节奏与生产率； 6 ) 与传统机加工钢制模具相比，制作周期短。 图2 - 1 所示为r t 的主要应用范围采用r t 技术制造的快速模具可以替 7 第二章快速模具技术 代传统的木模、蜡模，并进一步制造砂型，壳型、铸造金属零件，也可将制件 当作母模，快速制作环氧树脂模、硅胶模、石膏模、陶瓷模，蜡模或金属模等 多种模具，再浇注金属件或塑料件，或者直接制造e d m 电极 图2 1r t 的主要应用范围 2 3 快速模具技术分类 目前r t 方法已发展了至少2 0 种以上嘲，可大致分为直接模具制造和间 接模具制造两大类m 2 3 1 直接快速模具制造技术 t 直接快速模具制造是利用快速成形技术直接制造模具本身，再经过一些必 要的后处理和机加工以获得模具所要求的机械性能，尺寸精度和表面粗糙度。 目前能够直接制造金属模具的工艺有s l s ，3 d - p 和s d m 等，其常用制造方法 分述如下： ( 1 ) 采用s l s 或3 d p 工艺直接制造快速模具 利用由塑料包裹的金属粉末作为成形材料，通过s l s 或3 d - p 工艺制造出 生料的模具零件，然后进行中温焙烧去除包裹材料，获得内部疏松结构的金属 零件，这种零件机械性能较差，需要经过渗铜或静压处理等措施增加材料的致 密度( 可达9 2 以上) 和强度，再经过必要的机加工和表面研磨即可获得金属模 具。这种工艺的主要缺点是材料焙烧时收缩较大，因而零件尺寸精度控制比较 困难。 ( 2 ) 采用s d m 工艺直接制造快速模具 s d m 工艺通过材料沉积、层面机械加工和喷丸处理三个步骤制造金属零 件，层面机械加工的引入使所获得的零件具有较高的精度和表面质量，因此可 8 山东大学硕士学位论文 件，层面机械加工的引入使所获得的零件具有较高的精度和表面质量，因此可 以直接制造高致密度的金属零件模具。s d m 工艺制造的金属模具突破了零 件复杂程度的限制，同时又具有较高的成形精度。 ( 3 ) d m l s 工艺制造快速模具 直接金属粉末激光烧结制模( d i r e c tm e t a ll a s e rs i n t e r i n g ，d m l s ) 是利 用s l s 设备系统直接进行金属模具的制造德国快速成形设备开发商e o s 公 司开发的设备e o s 删能够直接制作2 5 0 m m x 2 5 0 m m x1 0 0 r a m 的金属模具。 d m l s 烧结需在e o s 公司生产的e o s i n t m 型粉末材料选择性烧结快速成形 机上进行，所采用的合金粉末有两种： 1 ) d i r e c tm e t a l 铜镍基混合粉 用铜镍基混合粉烧结成形的模具只需在其表面渗透一层高温环氧树脂， 或渗入低熔点金属( 如锡) ，就可作为注塑模、压铸模等。在烧结过程中材料的 净体积变化几乎为零，从而使渗透树脂后的工作相对精度能达到o 0 5 0 1 。 2 ) d i r c c ts t e e l 钢青铜镍基混合粉 用钢青铜镍基混合粉烧结成形的模具同样可用作注塑模、压铸模等其 中，用5 0 - v i 烧结的注塑模具能注射几千件塑料件，烧结的压铸模具能铸造 几百件金属零件，而模具无任何磨损的痕迹。如果进一步采用表面涂覆处理， d m l s 模具的寿命会更高。 在选择性激光烧结过程中，相变产生的体积膨胀可预补偿粉末在烧结过程 中引起的收缩即使烧结的金属模具没有产生明显的尺寸收缩，烧结后仍然存 在超过2 0 的孔隙。但是，青铜的熔点为9 0 0 1 2 ，低于c u 的熔点1 0 8 3 ( 2 ，浸 铜是不可以的实践证明，浸环氧树脂也同样可以得到比较好的效果通过浸 环氧树脂，可以使模具强度提高到4 0 0 m p a 左右，而且可以得到十分理想的表 面质量i l ” 比利时金属成形研究中心( r e s e a r c hc e n t e ro fb e l g i a nm e t a l w o r k i n g i n d u s t r y ) 同样采用e o s i n t m 设备制作了某玩具塑料壳体注射模具，具体的 制作时间如表2 1 所示整个周期约为l o 个工作日，其中包括5 0 0 件制品的 生产原来采用铝模制作时间为2 6 天，时间缩短了一半以上，而且成本也降 低了原来的二- 半以上 9 第二章快速模具技术 表2 - i s is 法直接制作某玩具注射摸的时间 工序时间，l i s l s 制作型腔 人工处理 浸环氧树脂 机加工 顶杆，浇道的制作 2 5 7 6 1 2 8 2 3 2 间接快速模具制造技术 尽管直接快速模具制造在制造环节上比较简单，但它在模具制造精度和性 能控制上较困难，而且特殊的后处理要求也增加了设备的投入与之相比，问 接快速模具制造，通过快速成形与传统成形技术的有效结合，比较易于控制模 具的精度、表面质量、机械性能，而且根据不同的应用要求还可以使用不同复 杂程度和不同成本的制造工艺，因此目前工业界多数使用间接快速模具制造。 比较典型的技术有硅胶制模工艺、金属冷喷制模工艺，快速精密铸造工艺、 k e l t o o l 工艺和电铸模工艺等依据材质不同，间接制模法生产出来的模具一 般分为软质模具( s o i tt o o l i n g ) 和硬质模具( h a r dt o o l i n g ) 两大类 2 4 - 2 6 1 ，其 中软质模具主要用于小批量零件或者用于产品的试生产f 1 4 j 。 软质模具因其所使用的软质材料( 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法、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5 0 - 5 0 0 0 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i 心原型 制造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2 - 2 给出了基于r p 的快速模具制造方法 1 0 山东大学硕士学位论文 图2 - 2 基于快速原型的快速模具制造方法 l 、直接注射热塑性塑料制模 直接注射热塑性塑料制模 2 7 1 简称为d i r e c t a i m ( d i r e c t a c e si n j e c t i o nm o u l d i n g ) ，是一种使用传统的工程塑料加热注射到直接由光固化方法制作 的树脂模具型腔中的制模方法模具使用液态光敏聚合物在只有7 5 f ( 2 5 c ) 液 态光敏聚合物的玻璃体状态制成。此工艺早期的使用效果很好，成功制造模具 的例子遍及多个国家。包括英国w a r w i c k 制造组，丹麦d a n i s h 科技协会，瑞 士c i b a - g e i g y ，澳大利亚昆士兰州制造协会和美国施乐复印机有限公司。a i m 工艺流程如图2 - 3 所示。图2 4 给出了a i m 工艺方法的实际制作过程。 巨堕皿臣巫n 臣巫 匝亟一 图2 - 3a i m 工艺流程 群 第二章快速模具技术 ( a ) s l 制作的型腔( ”型腔固定在地板上 ( c ) 安装铜管浇注背衬材料( d ) 模具安装 ( e ) 制品 图2 - 4a i m 工艺方法的实际制作过程 除了低熔点合金，金属充填环氧树脂也可以用作支撑材料。与低熔点合金 相比，环氧树脂可以通过抽真空，来排除环氧树脂背衬材料中的气泡。但是， 大多数树脂冷却需要2 4 h 以上，因此模具制作时间比用合金做支撑材料的制作 ， 时间长。 由于树脂材料的热传导能力很差，每次注射，模具都需要足够的时间冷却， 一次循环需要1 0m i t t 。但是循环时间长对于生产效率的影响较小，因为节约 时间的主要部分是制造模具过程，此工艺制作模具速度快，无需后处理，且生 产产品数量不多。由于模具型芯和型腔直接由c a d 模型产生而不是特定母模 的翻制品，因此模具的精确度只取决于快速原型工艺过程，型腔尺寸可以得到 - 4 - 0 0 5 m m 的精确度。但是与其他塑料模具快速制造工艺相比，对于较大尺寸 的a c e s ( 热固性塑料) 模具。是此工艺成本相对较高。强度相对较弱，模具容 易脆碎。 山东大学硕士学位论文 在a i m 工艺中不需要制造所浇注零件的实际模型，其型腔和型芯由光固 化成型方法来直接制作。a i m 工艺可以在高达3 0 0 c 的条件下进行2 0 - - 1 0 0 件 热固性塑料件的制作。该模具型腔是采用特殊的材料( 如c i b a t o o l m s l 5 1 7 0 ) 在7 5 玻璃化温度下来光固化成形的。采用a i m 方法进行不同材质塑料件制 作的注射参数如表2 2 所示。循环周期之所以