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摘要：介绍了基于LOM技术的硅胶模、环氧树脂模、金属喷涂模等多种注塑模具的工艺方法和技术特点，研究了纸基反应式低压注塑模具的设计步骤、制作工艺和反应式低压注塑工艺以及其中的一些技术关键，研究结果表明利用这一快速模具技术制作的注塑件质量良好，适合新产品研制与开发中小批量生产的要求。
关键词：快速成型，快速模具，模具设计，注射成形模，纸基模具
引言
快速成型技术（Rapid Prototyping，简称RP）是80年代末期发展起来的一项高新制造技术，按照其材料及工艺特点主要分为LOM(Laminated Object Manufacturing，又称分层实体制造) 工艺、SLA(Stereolithography Apparatus，又称立体光刻) 工艺、SLS(Selective Laser Sintering，又称选择性烧结) 工艺、FDM(Fused Depostion Modeling，又称熔融沉积制造) 工艺等几大类，在汽车、摩托车、家电、航空、医疗等行业获得了广泛的应用。
但是目前各种快速成型技术的应用都还存在一定的局限性，主要表现在直接制作的快速原型件与实际零件相比在材质、性能等方面还存在较大差异，往往不能用来进行装机实测各种与强度、性能有关的数据。在产品覆盖件制作方面，LOM技术制作的纸质原型件虽然硬度很高但容易分层开裂，SLA工艺制作的光敏树脂原型件脆性较大，SLS工艺直接烧结塑料粉末制作的原型件性能较好但目前成本较高，FDM工艺在原型件的制作成本、支撑等方面也还不尽如人意。另外，试制件在一定数量上的要求往往也难以满足。快速成型技术在模具方面的应用导致了快速模具技术（Rapid Tooling，简称RT）的出现，并由快速成型技术的一个应用方向迅速发展成为一项相对独立的新兴技术。
1. 基于LOM技术的快速制模工艺
快速模具技术一般按其制造过程中是否需要RP原型过渡主要分为直接法和间接法两大类，如通过RP原型翻制的硅胶模、环氧树脂模、金属喷涂模等快速制模工艺属于间接快速模具技术，而直接快速模具技术主要有SLS工艺、3DP（Three Dimensional Printing，又称三维印刷成型技术）工艺、LENS（Laser Engineering Net Shaping，又称激光工程化净成型技术）工艺等多种直接快速金属模具技术，基于LOM技术的各种木模、消失模以及注塑纸基模具等也属于直接快速模具技术。
利用LOM技术制作的快速原型件，其强度类似硬木，可承受200℃左右的高温，具有较好的机械强度和稳定性，经过适当的表面处理，如喷涂清漆、高分子材料或金属后，可作为各类间接快速制模工艺的母模，或直接制作用于注塑用的纸基模具，基于LOM技术的各类快速制模工艺在塑料覆盖件制作方面都得到了广泛的应用。
2. 基于LOM技术的间接快速制模工艺
在注塑用快速模具应用方面，其基本原理是首先利用LOM技术制作的纸质快速原型件，通过不同的模具翻制技术制作出硅胶模、环氧树脂模、金属喷涂模等快速模具，然后根据模具情况进行热注塑或反应式注塑，得到生产或试制用的塑料零件。由于翻制技术成熟、工艺简便、方法多样，可以根据产品质量、数量等具体要求选择合适的工艺，是目前常用的快速模具技术之一。
2．1 硅胶模
硅胶模是最常见的快速模具，又称软模（Soft Tolling），是应用范围最广、技术最成熟的快速模具制作方法之一，一般用于试制用模具或制作其它模具的过渡模。硅胶模采用的硅橡胶材料主要分为室温硫化硅橡胶（简称RTV硅橡胶）和高温硫化硅橡胶（简称HCV硅橡胶）两种。前者一般在室温下固化，可承受300℃左右的温度；后者的硫化温度一般在170℃左右，具有更好的性能，工作温度可达500℃以上。
硅胶模的制作工艺一般为：以纸基原型件作为母模，在母模上预设分型面并制作分型背衬，喷涂脱模剂；按比例配制硅胶进行浇注；完全固化后再进行另一半的浇注；沿预定的分型面切开硅胶模；取出原型件，完成硅胶模制作。在没有真空设备的条件下应注意选择合适的硅橡胶材料以及采取合理的排气措施。
硅胶模具有制作周期短、成本低、工艺简单、材料弹性好、易于脱模、复印性能好的特点。反应式低压注塑工艺操作简便，不需要真空设备，但排气条件较差，容易产生夹带气泡和充型不满的缺陷。硅胶模还存在精度不高、寿命短、不能用于热注塑工艺的不足之处，用作注塑模时寿命一般为10～50件。另外，便于脱模的特点有时会掩盖无脱模角或倒脱模的设计缺陷，影响产品设计质量的检验效果。
2．2 铝填充环氧树脂模
铝填充环氧树脂模具的工艺过程与硅胶模类似，即首先以纸基原型件作为母模，在母模上预设分型面，喷涂脱模剂，浇注由精细研磨铝粉填充的双组分热固性环氧树脂，注意混合与固化过程均要在真空状态下进行，固化后再按上述过程完成另一半的浇注，修整后制成铝填充的环氧树脂模具。它主要用作热注塑模，寿命一般为500～2000件。但环氧树脂类模具普遍存在导热性较差的缺点，导致生产周期加长，生产效率与钢模相比还较低。
2．3 金属喷涂模
金属喷涂模具主要包括金属冷喷镀模具和等离子喷镀模具。金属冷喷镀模具的制造工艺是：首先用喷枪在RP原型的表面上喷射雾化了的熔化金属，待液态金属固化后形成厚度约2mm的金属壳层，再经过添加背衬、埋入冷却管道、去除原型等处理后制成模具。喷涂表面的复制性能较好，尺寸精度较高。但与传统金属模具相比还不能使用较大的锁模力，另外导热性差也导致注塑成型周期延长，使用寿命一般为数千件。
等离子喷镀模具的制造工艺的基本原理就是电离气体产生的高温等离子弧熔化的粉末跟随高速火焰流喷射到需要喷镀的工件表面并结成壳层，经处理后制成模具。可以喷镀高熔点金属、非金属材料，具有表面硬度高、变形小、工艺稳定、使用寿命长的特点。
3. 基于LOM技术的直接快速制模工艺
LOM技术在直接快速注塑模具方面的应用主要是反应式注塑模具，根据注塑条件的不同又可分为真空注塑和低压注塑两类，下面介绍的就是基于LOM技术的纸基反应式低压注塑模具工艺（以下简称纸基注塑模具）。
3．1纸基注塑模具设计
纸基注塑模具设计原理与步骤类似于钢模设计，但考虑到纸基件制作的特殊性以及注塑方式的差异，纸基注塑模具的设计又有其不同的特点。
1) 尺寸补偿
纸基注塑模具属于直接制模，不存在硅胶模等间接制模工艺在翻制过程带来的累积误差，因此，影响最终注塑件尺寸精度的因素主要有三维CAD模型转换STL文件时的转换精度损失、纸基模具制造误差、纸基模具装配误差、聚氨酯注塑材料收缩率等，在这里需要补偿的尺寸就是聚氨酯材料的收缩率，即在三维软件中对三维CAD模型进行尺寸补偿，这对于尺寸较大的零件来说是必须要考虑的。
2) 脱模方向确定与分型面设计
一般来说，脱模方向在进行三维CAD模型设计时就已经考虑好了，这里需要做的就是综合考虑模具设计、制造的各个环节，进一步确认原设计脱模方向的合理性，如存在问题则可对三维CAD模型进行修改，重新设计脱模方向或模型结构。
分型面设计的基本原则与钢模类似，但同时还要考虑纸基件的特殊性以及反应式注塑工艺的具体特点，主要是分型面的设计要符合最大投影面原则，确保注塑件的尺寸精度与表面质量，尽量简化模具结构，便于模具的制造与安装，符合反应式低压注塑的工艺条件，考虑纸基件强度薄弱区域位置与成型方向等方面因素。
脱模方向确定与分型面设计直接与模具结构、模具制造、注塑成型等各环节密切相关，是模具设计成功与否的重要环节之一。
3) 脱模斜度检查与设计
由于纸基模具表面质量比钢模差，又没有硅橡胶模的弹性，因此，除一般的脱模斜度检查外，为了便于脱模，在满足工件尺寸公差要求，或不影响工件结构、功能的前提下，脱模斜度尽可能取大一些，或在模具结构上对不易脱模的部位加以重点考虑。
4) 抽芯、滑块、顶杆设计
如果零件结构需要，还应像钢模一样设计抽芯、滑块、顶杆等结构，其设计是否合理对于注塑件能否顺利脱模至关重要，也是纸基注塑模具设计的技术关键之一。
5) 流道、浇口、排气口设计
纸基模具的流道与浇口，不必像钢模那样设计主流道、分流道、浇口、冷料穴等完整的浇注系统，而采用模具表面直接到注塑件的简易浇口设计，浇口位置选取时主要考虑一般应在最低点或相对低点以利于聚氨酯材料充满型腔及自然排气，尽量设置在不影响注塑件外观的部位，尽量设置在残留冷料少以及便于取出的位置。排气口一般应设计在相对高点及排气死角位置以保证聚氨酯材料充满型腔。
6) 锁模、定位设计
锁模、定位设计主要是考虑反应式低压注塑过程是以手工操作为主，应在适当位置设计孔位，以便注塑时用螺栓紧固锁模并定位。
3．2纸基注塑模具制造
纸基模具的制造过程实际上就是纸基快速原型件的制作过程，即按照纸基快速原型件的制作方法来制造纸基注塑模具的动模、定模、抽芯、滑块、顶杆、嵌块等各个部件，分别处理、装配，制作出完整的纸基注塑模具。
首先将设计好的纸基模具各个部件的三维CAD模型按照有效用纸、强度优化、便于剥离等纸基件制作原则在三维设计软件中合理装配，一次或数次制作完成，将装配好的文件转换为快速成型机所能接受的STL文件并输入快速成型机进行纸基件的制作，然后将制作完成的纸基模具快速原型件进行废料剥离、零部件分离，反复多次涂漆、打磨，各部件修整、试装配，最终完成纸基模具各零部件快速原型件的制作。
3． 3反应式低压注塑
首先将各个零部件在适当的表面喷涂脱模剂，然后按照设计好的孔位进行定位、锁模，模具装配完成后将反应式树脂与固化剂在常温常压下用电动低压注塑机注入纸基模具中，完成注塑件的浇注过程。待完全固化后，拆开模具，取出注塑零件。按需要进行修整、打磨、喷漆等处理以满足工艺要求。
由于反应式注塑材料与纸基件表面强化漆同为聚氨酯类材料，为防止两者之间发生反应而影响脱模，应采取有效的隔离措施或喷涂具有隔离作用的脱模剂。
这一快速模具技术已在摩托车空滤盖及护板等塑料覆盖件的研制中得到应用，实践表明纸基注塑模具具有制作周期短、精度高、使用寿命较硅胶模长（可达数十件至数百件）的特点，注塑工艺简便、注塑件质量良好，完全满足新产品研制与开发中小批量生产的要求，图1、图2分别为摩托车空滤盖及护板的纸基注塑模具及注塑件。 （图片） （图片）
图1 摩托车空滤盖纸基注塑模具及注塑件 图2 摩托车护板纸基注塑模具及注塑件 4. 结束语
(1) 基于LOM技术的注塑模具无论是在新产品试制还是在中小批量生产方面都得到了广泛应用，其中直接制造反应式低压注塑模具的工艺方法具有模具制作速度快、成本低、工艺简便的特点，有着良好的应用前景。
(2) 纸基注塑模具在模具设计思路、考虑要素以及模具结构等方面与钢模设计类似，纸基注塑模具的设计实际上已经完成了钢模设计的前期准备工作，稍加改变并完善模框等外围辅助结构设计就可迅速投入模具生产，为并行工程的顺利实施提供了有力的保障。
参考文献：
[1] 王运赣.快速成形技术[M].华中理工大学出版社，1999.
[2] 陈万林.塑料模具设计与制作教程[M].北京希望电子出版社，2000.
[3] 胡晓冬，赵万华，李涤尘，卢秉恒.金属直接成型技术的发展与展望[J].工具技术，2001，（10）：3～6.
作者简介：于泓（1965～），男，江苏南京人，硕士，高级工程师，主要从事逆向工程、快速成型及快速模具等方面工作。
5/21/2005
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