1、金属树脂模具制造 一、制作原材料的分析与选择 金属树脂模具就是以环氧树脂与金属粉填料（如铝粉、铁粉、铜粉）为基体材料，以样件为基准浇铸而成的模具。以金属粉为填料所制的树脂模具有以下特点: （1）热传导率高。 （2）强度高：由于环氧树脂中的环氧基团与金属表面上的游离键起反应，形成化学键，基体之间形成很强的结合力，使浇铸体具有很高的强度。 （3）工艺简单，周期仅为同类钢模的10%50%。 （4）型面可不加工，故成本低，仅为同类钢模的20%50%。 金属树脂模具所用材料一般包括如下几种：环氧树脂、固化剂、金属粉填料、增韧、促进剂、胶衣树脂、脱模剂、制模过程中的过渡模材料、封闭剂等。 1、环氧树脂的选
2、择 环氧树脂是一种含有环氧基团的高分子聚合物，未固化前，它的结构是线型的热塑性树脂，具有一般热塑性塑料所特有的因温度变化而改变其流动性的通性。环氧树脂具有许多独特的优良性能，主要有： （1）良好的工艺性能：环氧树脂中，特别是低分子环氧树脂，由于分子量小，所以常温下流动性较好，易和固化剂及其他添加剂混合，这就给操作带来了很大的方便。同时也保证了加工工艺的顺利进行。 （2）高度的粘合力：在环氧树脂的结构中具有羟基（ ）、醚基（ ）和极活泼的环氧基（ ）存在，使环氧树脂具有很高的极性，使得环氧树脂分子与相邻界面产生了电磁吸力，而环基团则能与介质表面、特别是金属表面上的游离键起反应，而形成化学键，因而
3、环氧树脂的粘合力特别强。 （3）收缩性小：环氧树脂与固化剂反应时是通过直接加成反应来进行的，因此在固化过程中，没有副产物产生，也不会产生气泡，所以其收缩率一般都小于1%。 （4）稳定性好：分两方面。未加固化剂的环氧树脂，其成品一般不含碱盐，因此久放不宜变质，结构不受破坏。固化后环氧树脂具有优良的耐化学品稳定性。 （5）优异的电绝缘性能：环氧树脂和许多有机高分子材料一样，是一种良好的绝缘材料。 （6）机械性能高：环氧树脂结构中含有环氧基、醚基、羟基等，同时其结构又很紧密，所以它相对于酚基树脂、聚酯树脂及其他高分子材料来讲有更好的机械性能。 （7）耐热性较好：环氧树脂因含有稳定的苯环及醚键，所以其
4、耐热性也很好。 由于环氧树脂具有许多优良的性能，与固化剂、改性剂及各种添加剂等通过适当的配合能组成多种配方，具有广泛的用途。把它用于模具的制造上，不论在工艺上或是质量上都具有许多优点。 由于制作模具的环氧树脂要求其必须有足够的机械强度和硬度，良好的耐热性和导热性，同时还应有良好的工艺性能。国产环氧树脂品种很多，但广泛使用的有双酚A类环氧树脂和脂环族环氧树脂。 双酚A类环氧树脂的特点在于粘结力高，化学稳定性好，机械和电气性能良好。环氧树脂634#、6101#就属于这类树脂。 脂环族环氧树脂粘度低、工艺性能好，分子结构紧密，固化后硬度大，耐热性和耐紫外线老化等特性好，如环氧树脂6270#就属于这一
5、类。 2、固化剂的选择 环氧树脂固化前本身是热塑性、线性的高分子树脂。单独的环氧树脂是没有使用价值的，环氧树脂在使用时必须加入固化剂，使线性结构的环氧树脂分子交联成网状结构的大分子，成为不溶的环氧树脂，从而才能显示出其固有的优良性能，而且有实际使用价值。因此，固化剂是应用环氧树脂时必要的辅助材料。现有的环氧树脂固化剂种类十分繁多，目前已达到一百多种，而且还在不断地研制开发之中。采用不同的固化剂，固化后的环氧树脂性能也各不相同，因此，在使用环氧树脂时，对固化剂的选择的很重要的。 选择固化剂一般应考虑以下三点： （1）此种固化剂能与环氧树脂中的环氧基、羟基反应，使线性结构变成网状体型结构。 （2）
6、加入固化剂后，不生成其他副产物。 （3）固化剂加入后放热小、收缩率小。 3、填料的选择 根据产品性能要求，在环氧树脂复合物中添加相应的填料，可使固化物的一些性能得到改善。作为填料的材料很多，大致可分为有机物、无机物、金属与非金属。合理地选用填料能够使浇铸体获得以下效果。 （1）降低成本：大量地使用填料可以相应地减少树脂的用量，有利于成本的降低； （2）抑制反应热：如果使用的固化剂反应热较高，添加导热性较好的填料，有利于反应热的散发，能够起到抑制反应热的作用； （3）添加填料可以延长树脂混合物的适用期； （4）降低固化物的收缩率和热膨胀系数； （5）改善固化物的耐热性； （6）降低固化物的吸水性
7、，改善固化物的耐老化性和耐化学药品性； （7）提高树脂固化物的抗压强度和耐磨损性。 各种填料的特性各有不同，因此使用填料时必须根据使用的要求对填料加以适当选择。表1给出了常用填料的选择原则。 表1 常用填料的选择 在选择填料时，还应该注意以下几点： （1）填料应不含结晶水，必须是中性或弱碱性，而且与环氧树脂的固化剂及其他辅助试剂不发生化学反应。 （2）粉末填料要求颗粒细小，填料的比重和环氧树脂的比重不能相差太大，否则，在配制过程中，填料容易上浮或沉淀，而造成严重的分层现象。 （3）填料的用量不能太多，否则树脂粘度太大，操作不方便，同时不能保证填料都能湿润到树脂而影响固化体的强度。 4、增韧剂的
8、选择 单纯的环氧树脂固化后性能较脆， 耐冲击强度和耐热冲击性能较差。为了改善环氧树脂固化物的这一不足之处，在设计环氧树脂浇铸料配方时，往往加入一定数量的增韧剂。增韧剂分非活性增韧剂和活性增韧剂两种。 5、促进剂的选择 促进剂在环氧树脂浇铸料中的主要作用是加快固化反应，调节凝胶时间，使之适应浇铸工艺的要求。因为太长的凝固时间，由于重力的影响，在树脂还未凝固之前，填料已经发生下沉，固化体产生分层现象，造成浇铸件上下应力不均而产生开裂。因此，凝固时间是环氧树脂浇铸工艺至关重要的技术指标。促进剂的用量一般说在树脂模具浇铸配方中小于1%，适当使用促进剂，可增加环氧树脂浇铸件的某些性能，如导热性、冲击强度
9、等。 6、胶衣树脂的选择 金属环氧树脂模具的型面要经常受到摩擦、碰撞、大气老化和介质腐蚀，直接影响到模具型面的外观、质量、可靠性和使用寿命。为此，型面层一般采用胶衣树脂，也可采用已加入粉末填料的普通树脂代替。胶衣树脂层在制作金属环氧树脂模具时不仅可以使模具型面质量得以提高，而且能够保护模具型面免受上述各种破坏因素的侵蚀，使模具在实际使用中安全、可靠，并有令人满意的使用寿命。 7、脱模剂的选择 为防止金属树脂模具在制造过程中原型与金属树脂固化体粘结，便于脱取原型，在浇注树脂混合料前，在原型工作面上应敷一层脱模剂，凡是与环氧树脂粘结力小的非极性或极性微弱的一类物质，都可以作脱模剂用。但脱模剂还应具
10、有下列条件：不腐蚀原型，不影响树脂固化，成膜均匀、光滑，成膜时间短，使用方便，价格便宜。 脱模剂的种类很多，一般分为片状、溶液型、油蜡类三种。不同材料的原型、不同的固化温度应选用不同的脱模剂。 8、制模过程中的过渡模材料 对于耐热性、耐磨性、耐气候性较高的金属树脂模具，常温条件下固化的环氧树脂常常不能满足要求，必须选用高温条件固化的环氧树脂，如6207#环氧树脂。而如果用高温化的环氧树脂，就带来了一个新的问题，例如对于SLA制作的光敏树脂原型，6070时即开始变软，不能满足高温固化的环氧树脂所要求的固化度，因此必须制作一过渡模来代替光敏树脂原型。制作过渡模的材料用环氧树脂、石膏、硅橡胶等，实际
11、制作时，应根据制作模具的数量、几何形状、精度及光洁度的要求加以合理选择。 9、封闭剂的选择 石膏过渡模表面有许多微毛细孔，必须涂封闭剂，以免在浇铸过程中环氧树脂渗入石膏模的微孔内，固化后有微凸起，影响模具的表面质量。本实验选用聚乙烯醇作为涂在石膏模表面上的封闭剂。聚乙烯醇是白色无味的粉末，能溶解于水。 表2为常用的金属环氧树脂混合料配方。 配方01#、03#在固化前都有极好的流动性，这给浇注提供了成型的良好条件。02#配方在适宜的温度下也有一定的流动性，可以满足浇注时需要。 由配方01#和02#获得的固化体，有较好的机械性能，适中的强度和硬度，并且由软体硬质点的耐磨性。配方03#和01#、02
12、#相比具有高的耐热性、耐气候性和优良的电性能，但其固化物较脆，耐热冲击性能较差。三个配方固化物的物理机械性能如表3所示。 表2 常用的金属环氧树脂混合料配方 表3 01#、02#、03#配方固化物的物理机械性能 01#配方 02#配方 03#配方 外观 灰黑色 灰黑色 银灰色，有金属光泽 马丁耐热（OC） 150 120 240 布氏硬度（HB） 24.5 18.1 28.8 抗拉强度（MPa） 50 44 43.9 抗压强度（MPa） 120 82.3 217.8 冲击韧性（kg.m/mm2） 190 195 182 固化收缩率 0.1% 0.17% 0.14% 自由固化表面粗糙度 0.8m
13、 0.8m 0.8m 二、金属树脂模具浇注成型工艺 金属树脂模具浇注的工艺流程如图1所示。 图1 常温金属树脂模具的浇注工艺流程 1、设计制作原型 首先按照前述RP原型的设计制作原则，利用快速成型技术设计制作模具原型。 2、原型表面处理 原型表面必须进行光整处理，采用刮腻子、打磨等方法，使原型尽可能提高光洁度，然后涂刷聚氨酯漆23遍，使其达到一定的光洁度。 3、设计制作金属模框 根据原型的大小和模具结构，设计制作模框。模框的作用是是在浇注树脂混合料时防止混合料外溢，二是在树脂固化后模框与树脂粘结在一起形成模具，金属模框对树脂固化体起强化和支撑的作用。模框的长和宽应比原型尺寸方法一些，一般原型放
14、到模框内，模框内腔与原型的间隔应在40到60mm左右，如图2所示。高度亦应适当考虑。浇注时模框表面要用四氯化碳清洗，去除油污、铁锈、杂物，以使环氧树脂固化体能与模框结合牢固。 4、选择和完善分型面 无论是浇注金属环氧树脂模具还是考虑用模具来生产产品，都要合理选择模具的分型面。这不仅为脱模提供方便，而且是提高产品质量、尽可能减少重复修整工作等必须考虑的技术措施。另外，严禁出现倒拔模斜度，以免出现无法脱模等现象。 5、上脱模剂 选用适当的脱模剂，在原型的外表面（包括分型面）、平面上均要均匀、细致地喷涂上脱模剂。 6、涂刷模具胶衣树脂 把原型和模框放置在平板上（如图2），原型和模框制件的间隙要调整均
15、匀。将模具胶衣树脂按一定的比例配方，先后与促进剂、催化剂、固化剂混合搅拌均匀，即可用硬细毛刷等工具将胶衣树脂刷于原型表面，一般刷0.50.2mm厚即可。 图2 涂刷胶衣树脂 1-硬细毛刷 2-胶衣树脂 3-原型 4-金属模框图 5-平板 6-基座 7、浇注凹模 如图3所示，当表面胶衣树脂开始固化但还有粘性时（一般30分钟），将配制好的金属环氧树脂混合料沿模框内壁（不可直接浇到型面上）缓慢浇入其中的空间。浇注时可将平板支起一角，然后从最低处浇入，这样有利于模框内气泡逸出。 图3 浇铸凹模 1胶衣树脂 2项模杆 3漏斗 4金属树脂混合料 8、浇注凸模 待凹模制成后，去掉平板，如图4所示放置，在分型
16、面及原型内表面均匀涂上脱模剂，然后在原型内表面及分型面涂刷胶衣树脂。待胶衣树脂开始固化时，将配制好的混合料沿模框内壁缓慢浇入。 图4 浇铸凸模 1凹模 2胶衣树脂层 3漏斗 4金属树脂混合料 9、分模 在常温下浇注的模具，一般12天就可基本固化定型，即能分模。 10、取出原型 修模。由于金属树脂混合料固化时具有一定的收缩量，分模后，原型一般留下凹模内。脱取原型时，可用简单的起模工具，如硬木、铜或高密度塑料制成的楔形件，轻轻地楔入凹模与原型制件，也可同时吹入高压气流或注射高压水，使原型与凹模逐步分离，脱取原型时，应尽量避免用力过猛、重力敲击，以防止损伤原型和凹模。 正常情况下，如操作得当，脱模十
17、分容易，完全可以避免型面修补工作。取出原型后，将模具切除毛边，修整，人工对型面稍加抛光，有的还要做些钻孔等机械加工，以满足组装需要。 在浇注过程中，应力较高的区域应嵌入金属条加以增强，若需螺纹连接，还要配入带螺纹的金属嵌件，同时还应增设冷却管道（一般为钢管）及定位销。 对于固化温度要求较高的模具材料配方，其浇注工艺与前述基本相同，只是另外再做一个工作模来代替RP原型零件，以承受其高温作用。 三、常见问题及解决办法 对于金属环氧树脂制模方法，常用的质量问题有：脱模困难，表面粗糙度差，表面胶衣层与金属树脂混合料的固化体产生分离现象，表面裂纹，模具表面有微凸起，填料沉淀，分层，模具尺寸精度较差等等。
18、下面具体分析出现这些问题的原因及这些问题的处理办法。 1、脱模困难 脱模困难产生的原因常有两种情况： （1）因为原型有倒梢或凹凸不平，造成原型与树脂固化体相互镶嵌。遇此情况，要慢慢地取出原型。在其镶嵌不大时，一般都能取出，取出原型后要及时修整原型及模具。产生镶嵌的原因主要有三种：a.由于原型本身带有倒梢或凹凸不平；b.由于原型强度及耐热性不够，树脂混合体在固化过程中发生发热反应，使原型发生变形；c.原型使用不当，如摆放倾斜等，也会造成镶嵌。 （2）脱模剂使用不当有两种情况，一是脱模剂选用不当；二是脱模剂没有涂布均匀。脱模剂的选用很关键，要根据环氧树脂及其烘干条件来选用，一般油剂状的脱模剂（脱模
19、灵）使用比较方便，但其只能在常温固化条件下使用，对于高温固化的树脂，必须选用耐高温的油脂状的脱模剂（如高真空绝缘硅脂）较为合适。 脱模剂在使用时要涂布均匀，这有两方面的含义，一是在涂布脱模剂时不要有遗漏，二是涂布脱模剂时不要留下痕迹，以免影响模具表面质量。 2、表面粗糙度差 影响模具表面粗糙度的因素有：a.原型表面粗糙度；b.表面胶衣树脂质量及其涂布工艺；c.脱模剂的涂布；d.原型表面的微气泡。 具体解决的方法是尽可能提高原型表面的光洁度；选用较好的胶衣树脂，涂刷时要细致；脱模剂的涂布要均匀，既不要有遗漏，又不要留痕迹；浇注树脂混合体时最好在负压下进行。 3、表面胶衣层与基体产生分离现象 产生
20、这种现象的原因，主要是在浇注金属树脂混合料时，要在胶衣树脂刚刚开始固化但还有粘性时进行，不能得到胶衣树脂完全固化再浇注基体混合料，否则就会产生表面胶衣层树脂与基体树脂粘结不牢，产生分离。胶衣层的凝胶程度一定要掌握到恰到好处，以确保胶衣层与树脂基体粘结的完整性。 4、表面裂纹 对于以金属粉为填料的树脂混合体，一般不容易产生裂纹，但若固化工艺不当，尤其是对于高温固化的金属树脂混合体，如果固化工艺选择不当，就会使固化体内产生应力，冷却后在应力集中的地方就会产生裂纹。避免产生裂纹的措施是合理选择固化工艺，在混合体完全固化后随炉温冷却。 5、模具表面有微凸起 对于高温配方，使用了石膏型作为制作金属树脂模
21、具的过渡模，由于石膏型表面有微毛细孔，如果封闭剂涂布不当，产生遗漏，在浇注树脂混合料时，液态树脂就会渗入石膏型表面的微毛细孔，固化后就在模具表面形成了微凸起，这不仅影响树脂模具的表面质量，也会使石膏型与树脂模具产生微镶嵌，使脱模困难。解决的措施就是在对石膏型表面涂布封闭剂时要均匀细致，不要有遗漏，一般涂刷23遍即可消除此缺陷。但也要注意封闭剂的涂布不可太厚，否则会影响模具的表面质量及尺寸精度。 6、填料沉淀、混合体分层 由于金属粉（特别是铜粉、铁粉）的比重与液态环氧树脂的比重相差比较大，固化过程中在树脂还没有凝固前，就会产生填料沉降的现象，从而引起混合体分层，使固化后的浇铸体内的结构和性能不均
22、匀。常温固化的01#、02#配方，由于常温时环氧树脂体系粘度大，填料沉降的现象不大明显，材料基本上是各向同性的，沉降现象对固化体影响比较小。对于03#配方，由于是高温固化，温度升高，环氧树脂的粘度降低，使得填料的沉降现象就变得比较严重。 解决的办法一是在混合体中加入适当的促进剂，以缩短浇注料的凝固时间，二是加入ASA防沉降剂。ASA具有铝酸酯的结构，它含有可与活泼氢发生发生的基团，因而可与含羟基、羧基或表面吸附水的无机填料发生化学键合作用。例如：当在含有重质铁粉填料的环氧浇注体中加入ASA后，ASA的反应性基团可取代铁粉体系表面的羟基或吸附水，这就改善了铁粉和树脂之间的相容性和结合力，从而产生
23、防沉降的作用。ASA的一些理化指标见表4。 表4 ASA的理化指标 7、模具尺寸精度较差 影响金属树脂模具尺寸精度的因素主要有两个方面：一是原型尺寸的影响，二是金属树脂混合体的影响。 由于对成型材料变形规律掌握不够，因此在RP原型设计制作过程中，对各种补偿因子就不能准确地设定。外界环境条件的变化，也会使RP原型的制件尺寸产生误差。RP原型在后处理过程中（包括打磨、刷腻子、刷漆等），也会使原型尺寸产生变化，引起误差。对于03#配方，由于使用了石膏型作为过渡模，在由RP原型翻制石膏过渡模时，由于石膏浆体固化及烘烤过程中产生变形，因而对模具精度有些影响。现阶段对石膏的变形规律还掌握不够等等。 金属树脂混合体在固化过程中，受设备条件的限制，浇注工艺、固化工艺的影响其收缩变形也不稳定，也会产生误差。 解决的措施是通过实验充分掌握成型材料、金属环氧树脂混合体、过渡模材料的固化变形规律，同时也应选定较佳的金属树脂混合体的固化工艺，以期具有稳定的变形规律，从而在RP原型设计制作时给予补偿，从而最大可能地消除尺寸误差，以确保模具型腔的最终尺寸与制件尺寸相吻合。
