采用硅橡胶模具制造塑料原型

本文主要介绍了如何通过逐步指示法使您从母模制造走向制造和塑料件的注塑生产。原型制造的出现已经有很多年的历史了，但在这个词的前面加上“快速”一词后，就又创建了一个新的行业——“快速原型制造”。

图1  传统的叠箱铸模，从图中可以看到尿烷塑料铸件仍留在模具内。当我们采用手工浇铸尿烷塑料时，一般采用叠箱铸模

随着全球经济竞争的日益激烈，出现添加法制作工艺也是其必然的发展趋势。现在原型制造工艺中采用了一种物美价廉的生产方法，即采用硅橡胶模具浇铸尿烷塑料零件。今天的尿烷塑料以及从前几年开始的模具制造技术，为原型制造奠定了应有的基础。本文就目前应用的技术做了一个简单的介绍。这种技术采用了5步复制工艺，利用硅橡胶模具浇铸优质的尿烷塑料零件。

创建母模

复制工艺的第一步是创建母模。在过去，母模是在粘土、木材或塑料模型车间制造的。今天，我们可以采用添加快速原型制造（RP）技术，帮助创建母模。这些技术包括立体平版印刷技术、采用3D系统的选择性激光烧结技术、采用Stratasys的熔合沉积法造型技术、利用物体几何形状的PolyJet技术、来自Z公司的3DP技术以及采用CNC数控机床加工生产的母模。

在母模的创建过程中，除了采用CNC数控机床加工的特例以外，快速原型制造技术还采用了一种层压加工技术。为了保证聚氨酯注塑件的质量，在大部分情况下，该零件还需要进一步的精加工处理。所谓的精加工处理，一般采用砂纸打磨、填充和油漆处理，以达到均匀光滑的表面或所需的特定效果。

图2  由二合一模具浇铸的尿烷塑料铸件

设计模具

1.设置

在制造模具前，首先应考虑模具的通气孔和浇铸口。通气孔和浇铸口的成型必须能够控制注入到模具中的尿烷流量。特定模具所要求的浇铸口尺寸和位置取决于母模的容积和形状，容积越大，浇铸口的面积也越大。此外，还包括其他一些因素，例如母模的壁厚、浇铸复合熔液的粘度及其适用期限。

为了防止模具移位，模具的定位器对模具两个部分的精密较准是非常重要的，只有定位准确才能保证生产出精密的零件。在模具上添加定位器可采用几种不同的方法。最简单的方法是，在模具的第一面上切割一个槽口。当模具的另一面浇铸时，就会形成一个相反的压印。模具的定位器可以在建立模具第一面的结构时放入。凝固后，将这些定位器移走，然后浇铸模具的第二面。

2.硅橡胶的选用

快速原型制造和模具制造使用的硅橡胶可通过两种方式配置：添加固化（铂基）和浓缩固化（锡基）。添加固化硅的特性包括：

（1）在室温条件下固化时，实际上不发生收缩现象；

（2）通过加热可以加速固化；

（3）具有更好的耐化学特性；

（4）一般采用较高的硬度，以保持内壁的完整性。

浓缩固化硅的一些特性包括：

（1）突出的抗抑制特性；

（2）可采用催化剂基础混合比调节固化率；

（3）对单级叠箱铸模具有极好的性能；

（4）在复杂零件的脱模过程中，采用较低的硬度以满足灵活性的需要。

硅橡胶还具有承受390~590 F浇铸温度的能力。

在选用硅橡胶时，应将硅橡胶的抗抑制性能作为一项主要的指标来考虑。硅橡胶的抑制性是由成型母模中或母模上的某些污染物造成的。这些污染物会削弱或终止硅橡胶固化时所必要的交叉耦合作用，影响母模的粘着性或使模具整体缺乏固化特性。

目前发现，造成抑制性的材料主要有含硫的制模粘土、天然橡胶、arnincs材料、氯丁橡胶、未密封的木材，以及来自纸杯包装的石蜡。如有疑问，建议采用皮肤接触式试验进行鉴定。如果橡胶发粘或在推荐的硫化时间过去后仍未全部固化，那么就会产生抑制现象。

为了防止发生抑制性问题，标准的做法是采用阻隔涂层。阻隔涂层实际上是一种涂料，喷涂在母模上，防止抑制性物质与未硫化的橡胶接触。能让人们接受的涂料可以是聚乙烯醇、丙烯酸喷涂层或底漆。

图3  SLA母模由经验丰富的模具制造工人进行进一步的精加工。然后创建硅橡胶模具和浇铸尿烷塑料零件（详见图中黑色的尿烷塑料件）

制造模具

在母模制成以后就可动手制造硅橡胶模具了。硅橡胶的最重要特性是复制精度。硅橡胶之所以广泛地为人们所熟知，是因为其极高程度的复制性能。而且硅橡胶还具有很高的灵活性，可采用不同的方式制造模具。

1.叠箱铸模

其中有一种类型的模具称作单级模具或叠箱铸模。这类模具要求原型制作工人将母模悬挂在模具箱内。然后用硅橡胶填充零件的周围，直至模具箱装满。当橡胶固化以后，可用刀子将模具切割成两半。采用这种方法切割模具可使模具形成一条分型线，再加上波纹，可保证模具的两半合拢时完全对准。这是制造硅橡胶模具最迅速、成本效益最好的一种方法。

2.二合一模具

多级模具或二合一模具更是一种劳动密集型产品，其制造要比单级模具付出更多的劳动，但因其有分型线，更易于控制，模具有更好的稳定性，适于浇铸大型零件。多级模具的制造采用粘土造型，模具的两半之间有分型线。然后制作一个模具型箱，母模的一半采用硅橡胶填充覆盖。待第一次注入的硅橡胶固化以后，将模具翻过来，清除造型粘土，再将硅橡胶模从箱框中起出。箱框可以替换，然后浇铸模具的另一半，并等待其固化（见图2）。

3.表皮式铸模

表皮式铸模或粉刷成型技术用于极大型的零件，这种零件一般带有较深的切口或较高的立壁，或两者兼有。在制作这类模具时，模具制造商在开始时先采用硅橡胶和催化剂混合物预涂层。这种涂层应采用浇铸法在母模上浇铸或粉刷。如果在涂铸过程中，涂层表面出现气泡，可用空气喷吹法和用手工将气泡清除。待预涂层粘结以后，再在上面均匀地涂上一层硅橡胶。这种“涂抹”技术需连续不断地进行，直至其涂层厚度达到3/8in（1in=25.4mm）为止。增加涂层数量有助于提高其抗撕裂性能。待硅橡胶固化以后，再制造一个模具型箱，并在表皮式铸模的周围用石膏材料或尿烷泡沫材料支撑加固。

4.配料和除气

当原型制造商一旦确定制造哪种类型的模具，采用哪种硅橡胶时，就到了准备模具制造用的硅橡胶材料的时候了。必须按照生产厂的指示和正确的配比，精确地称出两种材料的重量（硅基和催化剂）。

配料使用的塑料容器应比原料的体积大4~5倍，只有这样才能使原材料在真空除气时有足够的膨胀余地。在不使用自动配料设备的时候，建议对所有的硅橡胶采用真空除气的方法。

采用这种工艺的目的是为了清除在材料混合中产生的气泡，以免影响表面形状的复制。而且接近母模的气泡会在这里形成一个空洞。当浇铸材料时（注入尿烷时），将会在复制件上出现突出的部分，给清理工艺和清除飞边增加时间。混合材料在钟形容器内或真空室内的除气需采用29in汞柱的压力将其内部抽真空。在采用这种工艺时，液体将会产生泡沫，并大量地上升到表面。最后材料中的气泡被真空清除，膨胀的材料恢复到原来的水平。

这是模具生产中非常重要的一个工艺步骤，只需几分钟的时间，但花费这些时间是很值得的。然后将熔融的材料从真空室中取出来，并将其注入到模具箱框内。首先从最低点注入，让硅橡胶沿着母模周围流动。不要将硅橡胶直接浇铸到母模上。因为这样做可能会导致波浪效应，使潜在的空气跑入到硅橡胶内。浇铸应继续进行，直至硅橡胶达到模具型箱的顶部或至少超过母模1in。然后将模具搁置在一旁，并根据生产厂的指示将其固化。待模具固化以后，将模具的两半分离，或将叠箱铸模切割分离，建立分型线，然后将母模取出。此时，模具已准备就绪，等待浇铸尿烷塑料熔液。

浇铸尿烷塑料件

1.选用

硅橡胶模具的普及促使尿烷生产厂开始用这种模具生产各种尿烷塑料件。这类材料的规格范围从肖氏硬度10A~85D，其持续加压时间为45~60s，脱模时间为5min。其余尿烷塑料的操作温度为225~300 F。
考虑选用的因素应该包括：硬度（硬度计测定）、抗拉强度、冲击强度、延伸率、热偏离温度和清晰度。所有的尿烷生产厂都提供了详细的规格表，协助顾客选购其产品。

2.浇铸

在开始浇铸工艺前，先在模具的每一个面上喷涂和粉刷一层脱模剂。然后将模具合拢，并用紧固带、橡胶带或通过木质框架用螺丝固定模具的两个部分。由于大部分的尿烷系材料由树脂和硬化剂组成，因此必须小心地在容器中将这两种材料搅拌均匀，其外表很像硅橡胶。在除气工艺过程中，应让其膨胀，但速度不要太快。然后将混合物放入到真空室，并开始除气。在这个过程中，材料将再一次发泡并上浮。在气泡清除后，材料的体积恢复到原来的水平。将尿烷熔液以较小的流量注入到模具的浇口之中。浇铸过程一直进行到浇口注满为止，尿烷熔液通过通气孔溢出。

在这一点上应该注意，建议二次放入真空室时，不要让任何空气混入。如果没有真空室，可以将模具放到压力罐中，并在80~110psi压力下固化，直至尿烷达到胶凝时间为止。采用压力室可将任何气泡或空洞压缩到极其微小的尺寸，只有这样才能生产出无空穴和气泡的零件。

为了加速固化工艺，允许将模具放入到加热炉内加热固化。当固化工艺完成之后，将模具的两半分开，并将复制件脱模取出。重复这一工艺就可浇铸生产出更多的零件了。采用这一工艺在硅橡胶模具内浇铸，大约可生产20个零件。然而，根据零件的不同复杂程度，其生产量保持在这个数量范围之内（见图3）。

3.注塑成型法

正如前面所提到的那样，尿烷生产厂已经开发了名为“快速浇铸”或“快速定型”的尿烷塑料。这些特殊的尿烷材料，胶凝时间为40~60s，脱模时间只需5min。其另外一个优点是具有较高的热偏离温度，使模具使用寿命提高。采用这类尿烷材料，原型制造商每天可以浇铸生产15~30个零件，从而使总体产量达到几百个零件。

浇铸这些零件的方法基本上与叠箱铸模技术相同。其区别在于增加了一个额外的浇口，可使模具的型腔从底部到顶部注满。当模具一旦切割成两半以后，需要在模具的每个面都喷涂上一层脱模剂，然后用紧固带、胶带、卡钉或夹紧装置固定。

下一步是将尿烷材料放入到一个容器内，在容器内有两个独立的圆筒，分别装有树脂和硬化剂。然后将该容器放入到类似于填缝枪的喷射枪内，采用手工或空气压力进行操作。精心制作的喷液系统可从市场上购置，包括其可变的混合比例、线路加热器，或按照要求专门制作。在容器的一端附加一个静态混合喷嘴，这样树脂和硬化剂可彻底混合。在低压条件下，尿烷熔液被注入到模具之中，直至其从通风口溢出。模具被放入到一个压力箱内，协助清除材料中所含的气泡。大约需要5min就可以准备打开模具了。

对尿烷塑料件进行精加工

零件复制的最后阶段是对零件的精加工。加工原型零件的方法是：首先切除浇口、通风口和零件上可能出现的飞边。用细锉和砂纸打磨粗糙的表面，使其变得光滑。如果发现零件上有空洞，可用精细的点补工具和混合尿烷材料填补空洞。待材料固化以后，用钢锉或细粒砂纸打磨多余的材料。