玻璃鋼模具的手糊制作技術
近年來，玻璃鋼（FRP）制品是由具有成型靈活、生產開發周期短、工藝性好、耐磨、使用壽命長等優點，在制造業得到了廣泛應用，尤其是基于手糊成型技術的玻璃鋼模具制作工作發展更為迅速。隨著市場的發展，對FRP產品需求量日益增加，同時也對其提出了更高的尺寸精度及質量要求。制作FRP模具先要制作母模，即產品實樣。在FRP模具翻制過程中，母模的制作精度將直接影響FRP模具的制作精度及質量。目前制作FRP模具的母模多以石膏、木材、水泥、石蠟等作為基材，用這些材料制作的母模往往尺寸精度較低、表面粗糙、加工比較復雜，容易產生氣孔、裂紋等缺陷，平整度較差，適合那些精度要求較低、表面質量要求不同的FRP模具制作。本文針對那些精度及質量要求較高、形狀較復雜、尺寸較小的FRP模具的制作，提出了基于快速原型(Rapid Prototyping,RP)的玻璃鋼模具手糊制作工藝。以期待更好地解決母模制作問題，提高FRP模具的制造質量。
1 FRP模具的制作
1.1 材料的選擇
基體樹脂采用藍星化工新材料股份有限公司無錫樹脂廠生產的WSP6101型環氧樹脂，該環氧樹脂固化收縮率低，電絕緣性能極好，對各種酸堿及有機溶劑都很穩定，拉伸強度可達45MPa~70MPa,彎曲強度可達90MPa~120MPa。固化劑采用沈陽市振興實用技術研究所生產的環氧樹脂常溫E-999固化劑。稀釋劑采用丙酮（或環氧丙烷丁基醚）。模具膠衣采用耐高溫、硬度高、韌性好的模具專用膠衣。制作FRP模具的纖維增強材料采用300g/m2無堿短切氈和0.2mm玻璃纖維方格布。
1.2 母模的制作
采用RP原型作為母模。在原型制作過程中，先要根據產品設計要求，通過Pro/E、UG、CATLA等三維CAD造型軟件設計出產品的三維模型，以便進行觀摩、修改。在產品三維建模設計時，為了保證尺寸精度，[-page-] 可以根據樹脂收縮率的大小留放一定的收綜余量。然后將產品的三維模型經過SIL文件轉換、分層處理、支撐設計等操作，生成加工文件(*.PMR)。后將加工文件(*.PMR)輸入到西安交通大學研發的CPS350A型快速原型機上制作出RP原型。
圖1為CPS350A型紫外光固化快速原型機的工作原理，以光敏樹脂為原料，計算機控制紫外線束，按零件的各分層截面信[-page-] 息在光敏樹脂表面進行連續掃描，使被掃描區域的樹脂薄層產生光聚合反應而固化，形成零件的一個薄層，之后工作臺下移一個層厚的距離，已成型的層面上又布滿了一層新的液態樹脂，然后再進行新一層的掃描加工，新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此重復直到整個零件制造完畢，得到一個三維實體模型。該原型機制作的原型精度可達±0.3mm(100mm以內)，分層厚度為0.2mm，生成的原型大尺寸可達到350mm×350mm×500mm。
原型制作好后，需要進行清洗、去除支撐、后固化等處理。由于紫外光固化制作的原型在其疊層方向上，每層切片截面都有一定的厚度，會在成型后的實體表面產生臺階，這將直接影響成型后實體的尺寸誤差和表面粗糙度。因此，必須對原型表面進行打磨、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FRP模具型腔的光潔度。
1.3 FRP模具的手糊制作過程
FRP模具制作工藝是以液態的環氧樹脂與有機或無機材料混合作為基體材料，并以原型為基準，手工逐層糊制模具的一種制模方法。手糊成型FRP模具的具體工藝過程如下：
(1)分型面的設計
分型面設計是否合理，對工藝操作難易程度、模具的糊制和制件質量都有很大的影響。一般情況下，根據原型牲，在確保原型能順利脫模及形狀應盡可能簡單。因此，要正確合理地選擇分型面和澆口的位置，嚴禁出現倒拔模斜度，以免無法脫模。沿分型面用光滑木板固定原型，以便進行上下模的分開糊制。在原型和分型面上涂刷脫模劑時，一定要涂刷的脫模劑干燥后，方可進行下一遍涂刷。[-page-]
(2)涂刷膠衣層
待脫模劑完全干燥后，將模具專用膠衣用毛刷分兩次涂刷，涂刷要均勻，待層初凝后再涂刷第二層。膠衣為黑色，膠衣層總厚度應控制在0.6mm左右。在這里要注意膠衣不能涂太厚，以防止表面裂紋和起皺。
(3)樹脂膠液配制
根據常溫樹脂的粘度，可對其進行適當的預熱。然后以100份WSP6101型環氧樹脂和8~10份(質量比)丙酮(或環氧丙烷丁基醚)混合于干凈的容器中，攪拌均勻后，再加入20份~25份的固化劑(固化劑的加入量應根據現場溫度適當增減)，迅速攪拌，進行真空脫泡1min~3min，以除去樹脂膠液中的氣泡，即可使用。
(4)玻璃纖維逐層糊制
街膠衣初凝，手感軟而不粘時，將調配好的環氧樹脂膠液涂刷到膠凝的膠衣上，隨即鋪一層短切氈，用手刷將布層壓實，使含膠量均勻，排出氣泡。有些情況下，需要用尖狀物，將氣池挑開。第二層短切氈的鋪設必須在層樹脂膠液凝結后進行。其后可采用一布一氈的形式進行逐層糊制，每次糊制2~3層后，要待樹脂固化放熱高峰過了之后（即樹脂膠液較粘稠時，在20℃一般60min左右），方可進行下一層的糊制，直到所需厚度。糊制時玻璃纖維布必須鋪覆平整，玻璃布之間的接縫應互相錯開，盡量不要在棱角處搭接。要嚴格控制每層樹脂膠液的用量，要既能充分浸潤纖維，又不能過多。含膠量高，汽泡不易排除，而且固化放熱大，收縮率大。含膠量低，容易分層。
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，進行第二片模具的糊制。待第二模具固化后，切除多余的飛邊。為保證模具有足夠的強度，[-page-] 避免模具變形。可適當粘結一些支撐件、緊固件、定件銷等以完善模具結構。
(5)脫模修整
在常溫（20℃左右）下糊制好的模具，一般48h基體固化定型，即能脫模。在脫模時，嚴禁用硬物敲打模具，盡可能使用壓縮空氣斷續吹氣，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械加工，尤其是在澆注或注塑時材料不易充滿的死角處，在無預留氣孔的情況下，一定要鉆些氣孔。然后進行模具后處理，一般用400#~1200#水砂紙依次打磨模具表面，使用拋光機對模具進行表面拋光。所有的工序完成之后模具即可交付使用。
2 結論
從模具的整個制作過程中可以看出，母模的設計與制作對整個玻璃鋼模具的制作至關重要。基于快速原型的玻璃鋼模具手糊成型技術具有快速、高精度、工藝簡捷、操作簡便等優點，既縮短了工期，又實現了產品的大批量生產，滿足了現代企業快速響應市場需求的發展趨勢。但快速原型的加工范圍有限，這在很大程度上限定了母模的制作大小。因此，目前快速原型技術僅限于一定尺寸、精度較高、形狀較復雜的玻璃鋼模具制作。對于那些尺寸較大、精度較低、形狀較簡單的玻璃鋼模具制作，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，在制作玻璃鋼模具時，我們要根據實際的生產情況，正確選擇母模的設計與制造方法，正確生產、使用模具，不斷探索新工藝、新材料，只有這樣才能更好地發揮優勢，促進玻璃鋼產業的蓬勃發展。
1 FRP模具的制作
1.1 材料的選擇
基體樹脂采用藍星化工新材料股份有限公司無錫樹脂廠生產的WSP6101型環氧樹脂，該環氧樹脂固化收縮率低，電絕緣性能極好，對各種酸堿及有機溶劑都很穩定，拉伸強度可達45MPa~70MPa,彎曲強度可達90MPa~120MPa。固化劑采用沈陽市振興實用技術研究所生產的環氧樹脂常溫E-999固化劑。稀釋劑采用丙酮（或環氧丙烷丁基醚）。模具膠衣采用耐高溫、硬度高、韌性好的模具專用膠衣。制作FRP模具的纖維增強材料采用300g/m2無堿短切氈和0.2mm玻璃纖維方格布。
1.2 母模的制作
采用RP原型作為母模。在原型制作過程中，先要根據產品設計要求，通過Pro/E、UG、CATLA等三維CAD造型軟件設計出產品的三維模型，以便進行觀摩、修改。在產品三維建模設計時，為了保證尺寸精度，[-page-] 可以根據樹脂收縮率的大小留放一定的收綜余量。然后將產品的三維模型經過SIL文件轉換、分層處理、支撐設計等操作，生成加工文件(*.PMR)。后將加工文件(*.PMR)輸入到西安交通大學研發的CPS350A型快速原型機上制作出RP原型。
圖1為CPS350A型紫外光固化快速原型機的工作原理，以光敏樹脂為原料，計算機控制紫外線束，按零件的各分層截面信[-page-] 息在光敏樹脂表面進行連續掃描，使被掃描區域的樹脂薄層產生光聚合反應而固化，形成零件的一個薄層，之后工作臺下移一個層厚的距離，已成型的層面上又布滿了一層新的液態樹脂，然后再進行新一層的掃描加工，新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此重復直到整個零件制造完畢，得到一個三維實體模型。該原型機制作的原型精度可達±0.3mm(100mm以內)，分層厚度為0.2mm，生成的原型大尺寸可達到350mm×350mm×500mm。
原型制作好后，需要進行清洗、去除支撐、后固化等處理。由于紫外光固化制作的原型在其疊層方向上，每層切片截面都有一定的厚度，會在成型后的實體表面產生臺階，這將直接影響成型后實體的尺寸誤差和表面粗糙度。因此，必須對原型表面進行打磨、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FRP模具型腔的光潔度。
1.3 FRP模具的手糊制作過程
FRP模具制作工藝是以液態的環氧樹脂與有機或無機材料混合作為基體材料，并以原型為基準，手工逐層糊制模具的一種制模方法。手糊成型FRP模具的具體工藝過程如下：
(1)分型面的設計
分型面設計是否合理，對工藝操作難易程度、模具的糊制和制件質量都有很大的影響。一般情況下，根據原型牲，在確保原型能順利脫模及形狀應盡可能簡單。因此，要正確合理地選擇分型面和澆口的位置，嚴禁出現倒拔模斜度，以免無法脫模。沿分型面用光滑木板固定原型，以便進行上下模的分開糊制。在原型和分型面上涂刷脫模劑時，一定要涂刷的脫模劑干燥后，方可進行下一遍涂刷。[-page-]
(2)涂刷膠衣層
待脫模劑完全干燥后，將模具專用膠衣用毛刷分兩次涂刷，涂刷要均勻，待層初凝后再涂刷第二層。膠衣為黑色，膠衣層總厚度應控制在0.6mm左右。在這里要注意膠衣不能涂太厚，以防止表面裂紋和起皺。
(3)樹脂膠液配制
根據常溫樹脂的粘度，可對其進行適當的預熱。然后以100份WSP6101型環氧樹脂和8~10份(質量比)丙酮(或環氧丙烷丁基醚)混合于干凈的容器中，攪拌均勻后，再加入20份~25份的固化劑(固化劑的加入量應根據現場溫度適當增減)，迅速攪拌，進行真空脫泡1min~3min，以除去樹脂膠液中的氣泡，即可使用。
(4)玻璃纖維逐層糊制
街膠衣初凝，手感軟而不粘時，將調配好的環氧樹脂膠液涂刷到膠凝的膠衣上，隨即鋪一層短切氈，用手刷將布層壓實，使含膠量均勻，排出氣泡。有些情況下，需要用尖狀物，將氣池挑開。第二層短切氈的鋪設必須在層樹脂膠液凝結后進行。其后可采用一布一氈的形式進行逐層糊制，每次糊制2~3層后，要待樹脂固化放熱高峰過了之后（即樹脂膠液較粘稠時，在20℃一般60min左右），方可進行下一層的糊制，直到所需厚度。糊制時玻璃纖維布必須鋪覆平整，玻璃布之間的接縫應互相錯開，盡量不要在棱角處搭接。要嚴格控制每層樹脂膠液的用量，要既能充分浸潤纖維，又不能過多。含膠量高，汽泡不易排除，而且固化放熱大，收縮率大。含膠量低，容易分層。
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，進行第二片模具的糊制。待第二模具固化后，切除多余的飛邊。為保證模具有足夠的強度，[-page-] 避免模具變形。可適當粘結一些支撐件、緊固件、定件銷等以完善模具結構。
(5)脫模修整
在常溫（20℃左右）下糊制好的模具，一般48h基體固化定型，即能脫模。在脫模時，嚴禁用硬物敲打模具，盡可能使用壓縮空氣斷續吹氣，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械加工，尤其是在澆注或注塑時材料不易充滿的死角處，在無預留氣孔的情況下，一定要鉆些氣孔。然后進行模具后處理，一般用400#~1200#水砂紙依次打磨模具表面，使用拋光機對模具進行表面拋光。所有的工序完成之后模具即可交付使用。
2 結論
從模具的整個制作過程中可以看出，母模的設計與制作對整個玻璃鋼模具的制作至關重要。基于快速原型的玻璃鋼模具手糊成型技術具有快速、高精度、工藝簡捷、操作簡便等優點，既縮短了工期，又實現了產品的大批量生產，滿足了現代企業快速響應市場需求的發展趨勢。但快速原型的加工范圍有限，這在很大程度上限定了母模的制作大小。因此，目前快速原型技術僅限于一定尺寸、精度較高、形狀較復雜的玻璃鋼模具制作。對于那些尺寸較大、精度較低、形狀較簡單的玻璃鋼模具制作，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，在制作玻璃鋼模具時，我們要根據實際的生產情況，正確選擇母模的設計與制造方法，正確生產、使用模具，不斷探索新工藝、新材料，只有這樣才能更好地發揮優勢，促進玻璃鋼產業的蓬勃發展。
