塑料快速成形技术助力模具行业发展

     快速成形技术是近20年来制造技术的一项重大突破，但只有形成实用零件的快速制作能力，才能真正发挥其优势。因此，快速成形技术的研究重点已经由当初的工艺和设备的开发研究，逐渐转向金属模具的快速制销。

    与传统的模具制造技术相比，基于快速成形技术的快速模具制造的制作周期和制作成本都大大降低，尤其对于小批量和试制件的生产更具优势和生命力。本文利用快速成形技术中的LOM原型，结合硅橡胶转制和精密铸造技术，开发了锌基合金塑料模具的快速制造技术，并应用该技术制造了汽车灯罩模具。

    锌基合金塑料模具快速制造的工艺路线从塑料产品的计算机3D设计到锌基合金模具快速制造的工艺流程。

    产品原型和硅橡肢模的获得塑料产品的原型在华中科技大学研制的HRP-3型薄材叠层制造(LOM)快速成形机上制造。首先用Pro-E或UG软件对产品进行3D设计，然后沿高度方向分层离散生成层面切片信息，输入快速成形机中。LOM机根据零件的层面轮廓信息切割涂有热融胶的纸，并用加热辊逐层粘贴，最后去除废料并经处理后得到产品的纸质原型。与其他快速成形方法相比，LOM原型的成形速度快、材料成本低，处理后成形精度和表面质量较高。

    将经过表面处理的纸型作为硅橡胶模的母模，置入模框。采用进口的无收缩硅橡胶与硬化剂均混合后浇入模框，放入真空注型机中进行脱泡处理。

    取出后室温下放置24h，待硅橡胶完全硬化，按照预先设定的分模面剖开硅橡胶，得到产品的硅橡胶模具硅橡胶模与最终需要获得的金属模具具有同样的形状。由于其良好的弹性，作为制作金属模具的中间过渡模非常合适。硅橡胶模的复映性很好，能够复制原型上非常细微的部分，减少了中间转制过程对形状和尺寸精度的损失，对塑料产品的模具制作更加有利。硅橡胶具有的强度完全可以经受后期铸造工艺的造型操作，而且脱模非常容易，能够作为母模制造多副模具，是铸造用中间模的理想材料。

    模具的快速铸造铸型的制作是模具快速制作工艺中最关键的环节，一方面铸型要最大限度地保持原型的形状、精度和表面质量;另一方面又要满足后续铸造工艺的要求，减少铸造缺陷发生的几率，从而提高铸件的质量。与硅橡胶模配合进行快速铸造的工艺有石膏型、陶瓷型、转移涂料法等。陶瓷型铸造成本高，工艺复杂，较难掌握。石膏型制作方便，但铸型强度低，金属液凝固速度慢，容易出现缩孔等铸造缺陷。

    因此我们采用转移涂料法进行快速铸型转制，其工艺原理。

    转移涂料法造型的工艺原理在硅橡胶模的表面喷涂一层自硬转移涂料，在涂层硬化之前迅速在涂层背面填水玻璃砂并紧实，吹CO2硬化。经过一定时间，待涂层硬化后，取出硅橡胶模，获得复制了硅橡胶模表面特征的转移涂料铸型，铸型烘干后即可用来浇注金属液。由于起模后涂料由硅橡胶模表面转移到砂型表面，涂层不占据型腔的有效空间，所以模具的尺寸精度大大提高，而且由细粉料配制的涂料硬化后可以精确复制原型的表面形状，精度和表面粗糙度都较好。涂层只是在与模具接触的表面涂覆薄薄的一层，因此铸型的制作成本降低，生产率提高，而且同石膏型和陶瓷型相比，铸型的强度高，工艺大大简化。

    转移涂料由耐火粉料、粘结剂、硬化剂组成。涂料的骨料是由几种不同粒度、不同成分的耐火粉料混合而成，以达到最佳的涂料密度以及铸型的表面粗糙度和透气性，同时加入适量的石墨粉改善起模性能、减少铸型表面裂纹。粘结剂用自硬型水玻璃，加入适量的水使涂料的涂挂性能和刷涂性能更好。

    将硅橡胶模的表面喷一层薄薄的脱模剂。计算需要的涂料量，用喷枪将涂料均匀喷涂在硅橡胶模的表面，然后在涂层上迅速填充水玻璃砂，紧实后吹CO2硬化。经半个小时到一个小时，涂层硬化达到足够的强度后即可起模，这时涂层就能顺利地由硅橡胶模表面转移到砂型的表面，起模容易，表面光滑。再在烘箱中经80~120c烘烤数小时即可合型浇注。

    用来铸造金属模具的锌基合金的主要成分为：Al8.20%铝、51%的A-Cu中间合金和纯镁配制。在电阻炉中熔化配制锌基合金，铸型的预热温度是120C，锌基合金的浇注温度是495~505C.铸件凝固后，清理去除浇冒口，打磨抛光后即可获得需要的锌基合金塑料模具。利用本工艺制作了汽车塑料灯罩锌基合金模具。

    讨论锌基合金塑料模具的制作过程包括4个工艺环节：①模具的计算机三维模型LOM原型;②LOM原型※硅橡胶模;③硅橡胶模※转移涂料铸型;④转移涂料铸型※锌基合金模具。

    各个转制环节都会对模具的尺寸精度造成损失，从三维模型到模具之间的尺寸误差是整个工艺过程中各个环节所产生误差的综合结果。

    LOM纸型的制作涉及CAD实体造型的数据处理、LOM机制作原型工艺、原型的后处理等环节。

    3D模型的切片和计算机数据处理，以及纸型制作过程中激光头的运动和激光光斑直径对尺寸精度的影响，可以通过软件的补偿加以解决，但是叠层纸形成的台阶状粗糙表面需要进行表面打磨和处理以获得表面光洁的原型。因此，三维模型到纸型的误差主要是在纸型的后期精整和表面处理过程中产生的。

    LOM原型转制硅橡胶模过程尺寸的变化非常小，由于弹性的作用，呈略微膨胀的趋势。转移涂料铸型由于是在硅橡胶模表面硬化后取模，精确度较高，而且涂料所用耐火粉料在合适的粒度分布下热物理性能稳定，但烘烤过程中逐渐失水会导致整体尺寸的少量收缩。

    锌基合金铸造成形对模具精度的影响主要是收缩造成的尺寸变校试验中采用的锌基合金的自由线收缩率为1.1%左右，但是铸件的实际尺寸收缩率在铸型中受到凝固收缩受阻的影响，其变化还与铸件的形状、壁厚和浇注温度等铸造条件有关。通过对工艺过程中尺寸精度的测量，发现合金铸造过程的尺寸变化率远大于其他环节，对模具的精度影响最显着。模具制作过程中尺寸变化绝大部分是锌基合金的凝固收缩造成的。

    根据试验结果和分析，了解锌基合金模具的快速制作过程中各环节的尺寸精度变化规律，进行归纳和预测，将尺寸修正量反馈到计算机3D模型的设计中，就能控制模具的尺寸精度，获得高精度的锌基合金模具。

    用锌基合金制作的模具具有良好的综合性能，在制模周期、成本价格、模具性能、制作工艺和环境保护等方面都具有一定的优势，与同类钢模相比，制模周期和成本价格都要减少30%~40%，是一种快速经济的制模材料。另外，锌基合金模具还具有下列优点：①熔化温度低，铸造简单，短时间内就能得到高精度的铸件;②合金流动性好，复映性能佳，易于获得光洁型腔和复杂型腔;③加工性能好，优于铝合金，工时少于钢模;④材料可重熔回用，模具材料费低，符合可持续发展的需要。传统的ZAS锌基合金模具合金成分为4%Al、3%Cu为亚共晶组织。由富锌n相、二元和三元共晶组成。n相溶铝量小，固溶强化效果差，合金难以获得高的机械性能。针对ZAS锌基合金模具合金的机械强度不高、耐热耐磨性差的缺陷，开发了新型锌基合金模具合金，成分为：。5%~9.5%Al、6.8%~7.5%Cu.从相图可知，当铝含量大于5%(Zn-Al共晶点)时，锌铝合金的组织由富铝a相和共晶组织组成，a相溶铝量高，固溶强化效果好，合金的机械性能也得到提高。因此，这种新的合金既有较高的强度和较好的耐热性，又有较好的铸造工艺性能，合金的机械性能为：抗拉强度330~410MPa，硬度135快速成形技术的特点是“快”相应于锌基合金制模时间短的特点，二者结合可以使塑料模的制作时间大大缩短，使塑料新产品推向市场的时间大大加快。在模具种类和工作条件选择合适的情况下，锌基合金模具材料可以实现快速原型到快速模具的迅速转换，大大提高企业对市场的快速反应能力。

    结束语：用LOM原型结合精密铸造技术开发的这种塑料模具快速制作技术，非常适合于小批量试制件和样品零件的快速制作，还可以用来对产品个别损坏零件的替换，例如本文制作的汽车前灯罩就是满足汽车修配部门的急需，节省时间和物力财力。但是这种工艺不太适合于要求精确成形的模具，对具有精细部分的塑料模，需要结合机械加工等其他工艺方法制造。

    未来市场对产品制造的需求将呈现快速、多样、小批量的发展趋势，以快速成形技术结合锌基合金快速制作塑料模具的技术将具有极大的发展潜力，其市场前景十分广阔。