GRP模具的制作方法

玻璃钢(FRP)模具是以树脂为基体材料，玻璃纤维为增强材料，并以原型为基准所制成的模具。FRP模具具有成型灵活、生产开发周期短、工艺性好、耐磨、使用寿命长等优点。制作玻璃钢模具首先是制作母模，即产品实样。目前制作玻璃钢模具的母模多以石膏、木材、水泥、石蜡等基材制作，这些材料制作的母模往往尺寸精度较低、表面质量粗糙、加工比较复杂，容易产生气孔和裂纹及平整度比较差等缺陷。比较适合那些精度要求较低、表面质量要求不高的FRP模具制作。因此，本文提出了基于快速原(RapidPrototyping，RP)的玻璃钢模具制作技术，以期待能更好地解决以往制作母模尺寸精度低、表面质量差、加工复杂等问题，提高玻璃钢模具的制造质量。

　　快速原型的制作
　　快速原型技术是将传统的“去除”加工方法(由毛坯切去多余材料形成产品)改变为“增加”加工方法(将材料逐层累积形成产品)，采用离散分层/堆积的原理，由CAD模型直接驱动，快速制作原型或三维实体零件的一种全新的制造技术。快速原型技术发展至今，以其技术的高集成性、高柔性、高速性而得到了迅速发展。目前，快速原型的工艺方法已有数十种之多，其中典型工艺有四种基本类型:光固化成型法　　 (StereoLithographyApparatus,SLA)、叠层实体制造法(LaminatedObjectManufacturing,LOM)、选择性激光烧结法(SelectiveLaserSintering,SLS)、熔融沉积制造法(FusedDepositionManufacturing,FDM)。
　　该方法基于SLA，以光敏树脂为原料,计算机控制紫外线束,按零件的各分层截面信息在光敏树脂表面进行连续扫描,使被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化,形成零件的一个薄层，之后工作台下移一个层厚的距离，已成型的层面上又布满一层新的液态树脂，然后再进行新一层的扫描加工，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型。该原型机制作的原型精度可±0.3mm(100mm以内)，分层厚度为0.2mm，生成的原型最大尺寸可达到350mm×350mm×500mm。
　　在原型制作过程中，首先要根据产品设计要求，通过Pro/E、UG、CATIA等三维CAD造型软件设计出产品的三维模型，以便进行观模、修改。然后经过STL文件转换、分层处理、支撑设计等操作，最终利用RP技术即可制作出一个三维实体原型来。?原型制作好后，需要进行清洗、去除支撑、后固化等处理。
　　基于RP原型的FRP模具手糊成型工艺
　　2.1 材料的选择
　　基体树脂采用蓝星化工新材料股份有限公司无锡树脂厂生产的WSP6101型环氧树脂，该环氧树脂固化收缩率低，电绝缘性能极好，对各种酸碱及有机溶剂都很稳定，抗拉强度可达450～700kg/cm2，抗弯曲强度可达900～1200kg/cm2。固化剂采用沈阳市振兴实用技术研究所生产的环氧树脂常温E-999固化剂。稀释剂采用丙酮(或环氧丙烷丁基醚)。模具胶衣采用耐高温、硬度高、韧性好的模具专用胶衣。制作FRP模具的纤维增强材料采用300g/m2无碱短切毡和0.2mm玻璃纤维方格布。
　　2.2 工艺规程
　　利用RP原型为母模手糊成型玻璃钢模具的工艺流程如图3所示。这种方法是以液态的环氧树脂与有机或无机材料混合作为基体材料,并以原型为基准手工逐层糊制模具的一种制模方法。手糊成型玻璃钢模具的具体工艺过程如下：
　　(1)RP原型的表面处理
　　紫外光固化制作的原型在其叠层方向上，由于每层切片截面都有一定的厚度，会在成型后的实体表面产生台阶现象，这将直接影响成型后实体的尺寸误差和表面粗糙度。因此，必须对原型表面进行打磨、抛光等处理，以提高原型表面的光滑程度，只有使原型表面足够光滑，才能保证制作的玻璃钢模具型腔的光洁度。
　　(2)选择和完善分型面
　　分型面设计是否合理，对工艺操作难易程度、模具的糊制和制件质量都有很大的影响。一般情况下，根据原型实体型体特征，在确保原型能顺利脱模及模具上、下两部分安装精度的前提下，分型面的位置及形状应尽可能简单。因此，要正确合理的选择分型面和浇口的位置，严禁出现倒拔模斜度，以免出现无法脱模。沿分型面用光滑木板固定原型，以便进行上下模的分开糊制。在原型和分型面上涂刷脱模剂时，一定要涂均匀、周到，并反复涂刷2～3遍，待前一遍涂刷的脱模剂干燥后，方可进行下一遍涂刷。
　　(3)涂刷胶衣层
　　待脱模剂完全干燥后，将模具专用胶衣用毛刷分两次涂刷，涂刷要均匀，待第一层初凝后再涂刷第二层。胶衣颜色为黑色，胶衣层总厚度应控制在0.6mm左右。在这里要注意胶衣不能涂太厚，以防止产生表面裂纹和起皱。
　　(4)树脂胶液配制
　　由于常温树脂粘度很大，可先将环氧树脂在60℃恒温箱中加热30min，以降低其粘度，然后以100份的WSP6101型环氧树脂和8～10份(重量比)的丙酮(或环氧丙烷丁基醚)混合于干净的容器中，以电搅拌器或手工搅拌均匀后，再加入20～25份的固化剂(固化剂的加入量应根据当时的气温、现场温度适当增减)，迅速搅拌，进行真空脱泡1～3分钟，以除去树脂胶液中的气泡，即可使用。
　　(5)玻璃纤维逐层糊制
　　待胶衣初凝，手感软而不粘时，将调配好的环氧树脂胶液涂刷到经胶凝的模具胶衣上，随即铺一层短切毡，压实，排出气泡。玻璃纤维以GC—M—M—R—M—R—M…(GC表示胶衣，M表示300g/m2无碱短切毡，R表示0.2mm玻璃纤维方格布)的积累方法进行逐层糊制，直到所需厚度。在糊制过程中，要严格控制每层树脂胶液的用量，既要能充分浸润纤维,又不能过多。含胶量高,气泡不易排除,而且造成固化放热大,收缩率大。整个糊制过程实行多次成型，每次糊制2～3层后，要待固化放热高峰过了之后(即树脂胶液较粘稠时，在20℃一般60min左右)，方可进行下一层的糊制。糊制时玻璃纤维布必须铺覆平整,玻璃布之间的接缝应互相错开，尽量不要在棱角处搭接。要注意用毛刷将布层压紧，使含胶量均匀，赶出气泡，有些情况下，需要用尖状物，将气泡挑开。
　　第一片模具固化后,切除多余飞边,清理模具及另一半原型表面上的杂物，即可打脱模剂，制作胶衣层，放置注射孔与排气孔，进行第二片模具的糊制。待第二片模具固化后，切除多余的飞边。为保证模具有足够的强度，避免模具变形。可适当的粘结一些支撑件、紧固件、定位销等以完善模具结构。
　　(6)脱模修整
　　在常温(20℃左右)下糊制好的模具，一般48小时基本固化定型，即能脱模。脱模时尽可能使用压缩空气断续吹气，以使模具和母模逐渐分离。脱模后视模具的使用要求，可在模具上做些钻孔等机械加工，尤其是在一些树脂不易流满的死角处，在无预留气孔的情况下，一定要钻些气孔。然后进行模具后处理，一般用400#～1000#水砂纸依次打磨模具表面，使用抛光机对模具进行表面抛光。所有的工序完成之后模具即可交付使用。
　　手糊成型工艺中常见的缺陷分析
　　气泡：在糊制模具时，常由于树脂用量过多，胶液中气泡含量多，树脂胶液粘度太大，增强材料选择不当，玻璃丝布铺层未压紧密等原因造成模具及型腔表面有大量气泡产生，这严重影响了模具的质量和表面粗糙度。目前常采用控制含胶量，树脂胶液真空脱泡，添加适量的稀释剂(如丙酮)，选用容易浸透树脂的玻璃丝布等措施减少气泡的产生。
　　流胶：手工糊制模具时，常出现胶液流淌的现象。造成流胶的原因主要表现为：①树脂粘度太低;②配料不均匀;③固化剂用量较少。常采用加入填充剂提高树脂的粘度(如二氧化硅)，适当调整固化剂的用量等措施，以避免流胶现象的出现。
　　分层：由于树脂用量不足及玻璃丝布铺层未压紧密，过早加热或加热温度过高等，都会引起模具分层。因此，在糊制时，要控制足够的胶液，尽量使铺层压实。树脂在凝胶前尽量不要加热，适当控制加热温度。
　　裂纹：在制作和使用模具时，我们常能看到在模具表面有裂纹现象出现，导致这一现象的主要原因是由于胶衣层太厚以及受不均匀脱模力的影响。因此，模具胶衣的厚度应严格控制。在脱模时，严禁用硬物敲打模具，最好用压缩空气脱模。