玻璃鋼（FRP）模具是以樹(shù)脂為基體材料，玻璃纖維為增強(qiáng)材料，并以原型為基準(zhǔn)所制成的模具。FRP模具具有成型靈活、生產(chǎn)開(kāi)發(fā)周期短、工藝性好、耐磨、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。制作玻璃鋼模具首先是制作母模，即產(chǎn)品實(shí)樣。目前制作玻璃鋼模具的母模多以石膏、木材、水泥、石蠟等基材制作，這些材料制作的母模往往尺寸精度較低、表面質(zhì)量粗糙、加工比較復(fù)雜，容易產(chǎn)生氣孔和裂紋及平整度比較差等缺陷。比較適合那些精度要求較低、表面質(zhì)量要求不高的FRP模具制作。因此，本文提出了基于快速原型(RapidPrototyping，RP)的玻璃鋼模具制作技術(shù)，以期待能更好地解決以往制作母模尺寸精度低、表面質(zhì)量差、加工復(fù)雜等問(wèn)題，提高玻璃鋼模具的制造質(zhì)量。
快速原型的制作
快速原型技術(shù)是將傳統(tǒng)的“去除”加工方法(由毛坯切去多余材料形成產(chǎn)品)改變?yōu)?ldquo;增加”加工方法(將材料逐層累積形成產(chǎn)品)，采用離散分層/堆積的原理，由CAD模型直接驅(qū)動(dòng)，快速制作原型或三維實(shí)體零件的一種全新的制造技術(shù)。快速原型技術(shù)發(fā)展至今，以其技術(shù)的高集成性、高柔性、高速性而得到了迅速發(fā)展。目前，快速原型的工藝方法已有數(shù)十種之多，其中典型工藝有四種基本類(lèi)型:光固化成型法(StereoLithographyApparatus,SLA)、疊層實(shí)體制造法(LaminatedObjectManufacturing,LOM)、選擇性激光燒結(jié)法(SelectiveLaserSintering,SLS)、熔融沉積制造法(FusedDepositionManufacturing,FDM)。
該方法基于SLA，以光敏樹(shù)脂為原料,計(jì)算機(jī)控制紫外線束,按零件的各分層截面信息在光敏樹(shù)脂表面進(jìn)行連續(xù)掃描,使被掃描區(qū)域的樹(shù)脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化,形成零件的一個(gè)薄層，之后工作臺(tái)下移一個(gè)層厚的距離，已成型的層面上又布滿一層新的液態(tài)樹(shù)脂，然后再進(jìn)行新一層的掃描加工，新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此重復(fù)直到整個(gè)零件制造完畢，得到一個(gè)三維實(shí)體模型。該原型機(jī)制作的原型精度可達(dá)±0.3mm（100mm以內(nèi)），分層厚度為0.2mm，生成的原型最大尺寸可達(dá)到350mm×350mm×500mm。
在原型制作過(guò)程中，首先要根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，通過(guò)Pro/E、UG、CATIA等三維CAD造型軟件設(shè)計(jì)出產(chǎn)品的三維模型，以便進(jìn)行觀模、修改。然后經(jīng)過(guò)STL文件轉(zhuǎn)換、分層處理、支撐設(shè)計(jì)等操作，最終利用RP技術(shù)即可制作出一個(gè)三維實(shí)體原型來(lái)。 原型制作好后，需要進(jìn)行清洗、去除支撐、后固化等處理。
基于RP原型的FRP模具手糊成型工藝
2.1材料的選擇
基體樹(shù)脂采用藍(lán)星化工新材料股份有限公司無(wú)錫樹(shù)脂廠生產(chǎn)的WSP6101型環(huán)氧樹(shù)脂，該環(huán)氧樹(shù)脂固化收縮率低，電絕緣性能極好，對(duì)各種酸堿及有機(jī)溶劑都很穩(wěn)定，抗拉強(qiáng)度可達(dá)450～700kg/cm2，抗彎曲強(qiáng)度可達(dá)900～1200kg/cm2。固化劑采用沈陽(yáng)市振興實(shí)用技術(shù)研究所生產(chǎn)的環(huán)氧樹(shù)脂常溫E-999固化劑。稀釋劑采用丙酮（或環(huán)氧丙烷丁基醚）。模具膠衣采用耐高溫、硬度高、韌性好的模具專(zhuān)用膠衣。制作FRP模具的纖維增強(qiáng)材料采用300g/m2無(wú)堿短切氈和0.2mm玻璃纖維方格布。
2.2工藝規(guī)程
利用RP原型為母模手糊成型玻璃鋼模具的工藝流程如圖3所示。這種方法是以液態(tài)的環(huán)氧樹(shù)脂與有機(jī)或無(wú)機(jī)材料混合作為基體材料,并以原型為基準(zhǔn)手工逐層糊制模具的一種制模方法。手糊成型玻璃鋼模具的具體工藝過(guò)程如下：
（1）RP原型的表面處理
紫外光固化制作的原型在其疊層方向上，由于每層切片截面都有一定的厚度，會(huì)在成型后的實(shí)體表面產(chǎn)生臺(tái)階現(xiàn)象，這將直接影響成型后實(shí)體的尺寸誤差和表面粗糙度。因此，必須對(duì)原型表面進(jìn)行打磨、拋光等處理，以提高原型表面的光滑程度，只有使原型表面足夠光滑，才能保證制作的玻璃鋼模具型腔的光潔度。
（2）選擇和完善分型面
分型面設(shè)計(jì)是否合理，對(duì)工藝操作難易程度、模具的糊制和制件質(zhì)量都有很大的影響。一般情況下，根據(jù)原型實(shí)體型體特征，在確保原型能順利脫模及模具上、下兩部分安裝精度的前提下，分型面的位置及形狀應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單。因此，要正確合理的選擇分型面和澆口的位置，嚴(yán)禁出現(xiàn)倒拔模斜度，以免出現(xiàn)無(wú)法脫模。沿分型面用光滑木板固定原型，以便進(jìn)行上下模的分開(kāi)糊制。在原型和分型面上涂刷脫模劑時(shí)，一定要涂均勻、周到，并反復(fù)涂刷2～3遍，待前一遍涂刷的脫模劑干燥后，方可進(jìn)行下一遍涂刷。
（3）涂刷膠衣層
待脫模劑完全干燥后，將模具專(zhuān)用膠衣用毛刷分兩次涂刷，涂刷要均勻，待第一層初凝后再涂刷第二層。膠衣顏色為黑色，膠衣層總厚度應(yīng)控制在0.6mm左右。在這里要注意膠衣不能涂太厚，以防止產(chǎn)生表面裂紋和起皺。
（4）樹(shù)脂膠液配制
由于常溫樹(shù)脂粘度很大，可先將環(huán)氧樹(shù)脂在60℃恒溫箱中加熱30min，以降低其粘度，然后以100份的WSP6101型環(huán)氧樹(shù)脂和8～10份（重量比）的丙酮（或環(huán)氧丙烷丁基醚）混合于干凈的容器中，以電攪拌器或手工攪拌均勻后，再加入20～25份的固化劑（固化劑的加入量應(yīng)根據(jù)當(dāng)時(shí)的氣溫、現(xiàn)場(chǎng)溫度適當(dāng)增減），迅速攪拌，進(jìn)行真空脫泡1～3分鐘，以除去樹(shù)脂膠液中的氣泡，即可使用。
（5）玻璃纖維逐層糊制
待膠衣初凝，手感軟而不粘時(shí)，將調(diào)配好的環(huán)氧樹(shù)脂膠液涂刷到經(jīng)膠凝的模具膠衣上，隨即鋪一層短切氈，壓實(shí)，排出氣泡。玻璃纖維以GC—M—M—R—M—R—M…（GC表示膠衣，M表示300g/m2無(wú)堿短切氈，R表示0.2mm玻璃纖維方格布）的積累方法進(jìn)行逐層糊制，直到所需厚度。在糊制過(guò)程中，要嚴(yán)格控制每層樹(shù)脂膠液的用量，既要能充分浸潤(rùn)纖維,又不能過(guò)多。含膠量高,氣泡不易排除,而且造成固化放熱大,收縮率大。整個(gè)糊制過(guò)程實(shí)行多次成型，每次糊制2～3層后，要待固化放熱高峰過(guò)了之后（即樹(shù)脂膠液較粘稠時(shí)，在20℃一般60min左右），方可進(jìn)行下一層的糊制。糊制時(shí)玻璃纖維布必須鋪覆平整,玻璃布之間的接縫應(yīng)互相錯(cuò)開(kāi)，盡量不要在棱角處搭接。要注意用毛刷將布層壓緊，使含膠量均勻，趕出氣泡，有些情況下，需要用尖狀物，將氣泡挑開(kāi)。
第一片模具固化后,切除多余飛邊,清理模具及另一半原型表面上的雜物，即可打脫模劑，制作膠衣層，放置注射孔與排氣孔，進(jìn)行第二片模具的糊制。待第二片模具固化后，切除多余的飛邊。為保證模具有足夠的強(qiáng)度，避免模具變形?？蛇m當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)一些支撐件、緊固件、定位銷(xiāo)等以完善模具結(jié)構(gòu)。
（6）脫模修整
在常溫（20℃左右）下糊制好的模具，一般48小時(shí)基本固化定型，即能脫模。脫模時(shí)盡可能使用壓縮空氣斷續(xù)吹氣，以使模具和母模逐漸分離。脫模后視模具的使用要求，可在模具上做些鉆孔等機(jī)械加工，尤其是在一些樹(shù)脂不易流滿的死角處，在無(wú)預(yù)留氣孔的情況下，一定要鉆些氣孔。然后進(jìn)行模具后處理，一般用400#～1000#水砂紙依次打磨模具表面，使用拋光機(jī)對(duì)模具進(jìn)行表面拋光。所有的工序完成之后模具即可交付使用。
手糊成型工藝中常見(jiàn)的缺陷分析
氣泡：在糊制模具時(shí)，常由于樹(shù)脂用量過(guò)多，膠液中氣泡含量多，樹(shù)脂膠液粘度太大，增強(qiáng)材料選擇不當(dāng)，玻璃絲布鋪層未壓緊密等原因造成模具及型腔表面有大量氣泡產(chǎn)生，這嚴(yán)重影響了模具的質(zhì)量和表面粗糙度。目前常采用控制含膠量，樹(shù)脂膠液真空脫泡，添加適量的稀釋劑（如丙酮），選用容易浸透樹(shù)脂的玻璃絲布等措施減少氣泡的產(chǎn)生。
流膠：手工糊制模具時(shí)，常出現(xiàn)膠液流淌的現(xiàn)象。造成流膠的原因主要表現(xiàn)為：①樹(shù)脂粘度太低；②配料不均勻；③固化劑用量較少。常采用加入填充劑提高樹(shù)脂的粘度（如二氧化硅），適當(dāng)調(diào)整固化劑的用量等措施，以避免流膠現(xiàn)象的出現(xiàn)。
分層：由于樹(shù)脂用量不足及玻璃絲布鋪層未壓緊密，過(guò)早加熱或加熱溫度過(guò)高等，都會(huì)引起模具分層。因此，在糊制時(shí)，要控制足夠的膠液，盡量使鋪層壓實(shí)。樹(shù)脂在凝膠前盡量不要加熱，適當(dāng)控制加熱溫度。
裂紋：在制作和使用模具時(shí)，我們常能看到在模具表面有裂紋現(xiàn)象出現(xiàn)，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因是由于膠衣層太厚以及受不均勻脫模力的影響。因此，模具膠衣的厚度應(yīng)嚴(yán)格控制。在脫模時(shí)，嚴(yán)禁用硬物敲打模具，最好用壓縮空氣脫模。
結(jié)束語(yǔ)
從上面的論述中可以看出，基于快速原型的玻璃鋼模具手糊成型技術(shù)具有快速性、高精度、工藝簡(jiǎn)捷、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，能夠在很短的時(shí)間內(nèi)將設(shè)計(jì)思想迅速轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)產(chǎn)品，極大地縮短了新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，既降低了生產(chǎn)成本，又實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)，滿足了企業(yè)快速響應(yīng)市場(chǎng)需求的發(fā)展趨勢(shì)。但其也存在著一定的局限性，如快速原型的加工范圍有限，這在很大程度上限定了快速原型技術(shù)在玻璃鋼模具制作領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，目前快速原型技術(shù)僅限于一定尺寸、精度較高、形狀較復(fù)雜的玻璃鋼模具制作。對(duì)于那些尺寸較大、精度較低、形狀較簡(jiǎn)單的玻璃鋼模具，可采用水泥、石膏、木材等材料制作母模，這樣可有效地降低成本，縮短工期。因此，在成型玻璃鋼模具時(shí)，我們要根據(jù)具體的產(chǎn)品要求和生產(chǎn)條件，采用具體的工藝，不斷探索新工藝、新材料，才能達(dá)到更為理想的實(shí)踐與生產(chǎn)效果。
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