專利名稱：一種采用熱噴涂工藝快速制作滾塑成型模具的方法
技術領域：
本發明涉及模具制造領域，具體指一種快速制作滾塑成型模具的方法。

背景技術：
模具工業是技術附加值最高的行業之一。傳統的模具制造方法具有高 投入、長工期、長壽命的特點，對于大、中批量生產，模具的這種高投入可由其長壽命加以補 償。近年來，隨著市場競爭的日趨加劇，要求企業必須能快速響應市場和用戶的需求，促使 工業產品的生產模式由傳統的大、中批量向具有靈活、易變性和快速反應能力的中、小批量 轉變。在這種條件下，傳統的模具制造方法由于其自身固有的生產周期長、投入風險高、產 品改進困難等缺點，在一定程度上成為企業在市場競爭中發揮活力的制約因素。在模具制 造領域，許多新技術正在模具制造領域中得到應用，例如基于快速原型技術與電鑄、電弧噴 涂、等離子熔射成形、電鑄、精密鑄造、電火花等特種加工等方法相結合，使模具加工更加靈 活、快捷、經濟，形成了 一個技術含量極高的高新技術領域。 快速原型制造技術(RP)綜合了機械工程、CAD、數控技術、激光技術及材料科學等 技術，自動、直接、快速地將設計思想轉變為具有一定功能的原型或直接制造零件。RP創立 了產品開發研究的新模式，使設計師以前所未有的直觀方式進行設計，感性而迅速地驗證、 檢查所生產的產品的結構、外形，從而使設計工作進入了一個全新的境界，改善了設計過程 中的人機交流，縮短了產品開發的周期，加快了產品更新換代的速度，降低了企業投資新產 品的風險。快速模具的基本技術特征是非機械加工型腔復制，其關鍵技術之一是母模原型 件的設計與制造。傳統的快速制模一般采用已有制件或機加工件作為母模，對于較復雜的 和精度要求較高的快速模具，傳統的母模設計制造模式顯得束手無策，這已成為制約快速 模具制造技術發展的瓶頸。基于快速原型制造的快速模具技術集成快速原型制造高新技術 和傳統的非機械加工型腔復制技術，發揮各自優勢，已成為產品快速更新換代和新產品開 發及中、小批量生產的有效手段之一 。 利用熱噴涂方法制造模具是一項與快速原形技術技術相適應的快速制模技術，這
種方法成本低，制造周期短。且模具是通過逐層噴涂堆積而成，容易達到對形狀和尺寸的控
制，符合"逐層制造"的現代加工理念。美國的TAFA公司在上世紀八十年代初就成功地使
用電弧噴涂鋅合金制作了大型的汽車塑料內飾件吸塑模具。1988年沈陽工業大學在國內首
先開發和應用了這項技術應用到吸塑和吹塑模具制造。其后國內陸續有人將這項技術應用
于塑料模具的快速制造。但目前這項技術還僅限于制造低熔點合金模具。由于熱噴涂涂層
形成的特點，涂層內部以機械方式結合，并且有大約2_7%的孔隙，所以噴涂的低熔點合金
模具的強度和表面硬度較低，其產品還僅能用作吹塑、吸塑等模具，使其應用受到很大的限
制。為了提高熱噴涂鋅基合金涂層的表面硬度，西安交通大學的盧秉恒等人在制得的熱噴
涂鋅基合金模具型腔表面化學鍍鎳磷合金鍍層，提高了模具的使用壽命。 滾塑成型工藝自上世紀30年代問世以來，經過60多年的發展，其設備與工藝日趨
完善。從小巧的兒童玩具到常見的汽車塑料件直至龐大的工程塑料制品，特別是超大型及
非標異型中空塑料制品，由于其它塑料加工工藝本身特性的限制，現在還只能依靠滾塑成
型工藝才能完成。目前，滾塑成型工藝已成為塑料成型加工工藝中的重要分支。滾塑成型
的基本加工過程很簡單，就是將粉末狀或液狀聚合物放在模具里，加熱同時圍繞兩個垂直軸旋轉(自轉和公轉)，然后冷卻。在加熱階段的最初，如果用的是粉末狀材料，則先在模具 表面形成多孔層，然后隨循環過程漸漸熔融，最后形成均勻厚度的均相層；如果用的是液體 材料，則先流動和涂覆在模具表面，當達到凝膠點時則完全停止流動。模具隨后轉入冷卻工 區，通過強制通風或噴水冷卻，然后被放置于工作區，在這里，模具被打開，完成的制件被取 走，接著再進行下一輪循環。 滾塑成型對模具材質強度要求不高，但必須具有良好的熱傳導性和耐熱性，并能 抵擋頻繁加熱(高于26(TC)與冷卻過程中的應力交替。目前常用的粉末狀或液狀聚合物 滾塑材料主要是聚乙烯樹脂，模具型腔表面要與聚乙烯樹脂緊密接觸，模具型腔表面的材 質和狀態直接影響滾塑制品的表面質量。例如，在模具型腔表面存在的孔隙會導致滾塑制 品表面出現氣孔；聚乙烯樹脂與鋅或銅合金接觸后會影響滾塑制品的表面色澤。由于采用 熱噴涂方法制作滾塑模具是要以RP或其它易加工的材料制得的原形作為母型，在其上面 逐層噴涂，所以使用的噴涂材料熔點要較低。目前用于此目的的可選噴涂材料只有錫基合 金和鋅基合金。由于錫基合金的熔點與滾塑加工時的加熱溫度接近，不宜采用，所以只有鋅 基合金可選擇。但是要避免聚乙烯材料與鋅合金接觸，影響滾塑制品表面質量，就必須在模 具的型腔內施加一層不與物料反應的金屬，當然鎳鍍層是首選。由于熱噴涂涂層表面存在 許多孔隙，在此基礎上無論電鍍或化學鍍鎳都不能有效地封閉這些孔隙，而且鍍層過厚還 會嚴重地影響鎳鍍層與鋅涂層的結合強度，所以必須開發新的工藝解決上述問題。

發明內容
發明目的本發明開發一種將快速原形技術與電弧噴涂和電鍍技術相結合的工 藝，以及在此工藝基礎上快速制作滾塑模具的方法，其目的是要提供一種滾塑模具的快速 制造方法，獲得質優價廉的滾塑制品。
技術方案本發明是通過幾下技術方案實施的 —種采用熱噴涂工藝快速制作滾塑成型模具的方法，其特征在于該方法通過以 下步驟實施 (1)三維快速原型制作首先利用計算機設計出滾塑產品的電子文檔，然后將設 計文檔傳送到快速原型成型機，使用光敏樹脂，激光掃描固化樹脂；掃描結束后，去除未固 化的樹脂，獲得殼型三維快速原型母模；母模殼體的壁厚取決于原型的體積，體積大取較大 的壁厚；體積小取薄的壁厚； (2)母模殼體內部填充加固內部填充物為石英砂與石蠟的混合物或加硫酸鎂的 水溶性石膏，其中石英砂與石蠟的相對質量比例為石英砂75-92%，石蠟25-8% ;如果使 用加硫酸鎂的水溶性石膏，需要在石膏干燥后在與外界開放的部位浸蠟封閉；在填充物中 預埋銅制螺栓的半部，銅制螺栓的另一半留在外面，用以在電鍍時的導電以及電鍍時母模 的懸掛用途； (3)電弧噴涂錫合金層采用電弧噴涂，在母模殼體外面均勻地噴涂一層純錫或 錫合金涂層，噴涂前母模表面應用80_100#砂紙打磨或用40-60目剛玉砂噴砂處理；噴涂時 應有規律地且快速地移動噴涂槍，獲得致密、厚度均勻的涂層，涂層厚度0. 1-0. 2mm，涂層應 與預埋銅制螺栓相連，保證導電性； (4)母模表面拋光修整采用柔性的電動磨光機或手工砂布磨光修整母模表面，
5磨光時應循序漸進，對凸出部位應予以輕磨，如有偶爾磨露涂層的部位，應重新進行噴涂， 加以修補，磨光時使用砂布的粒度由粗到細，拋光到似鏡面的光潔度； (5)電鍍鎳層對拋光后的母模用丙酮除油、去離子水清洗，連接電源后，入槽電 鍍鎳層； (6)電弧噴涂自結合過渡層對鍍鎳后的母模需進行電弧噴涂自結合過渡層，自 結合過渡層的涂層材料選用鎳鋁合金、鉬、鋁青銅合金或者鐵鉻鋁合金中的一種；噴涂時應 該快速移動噴槍，均勻噴涂，涂層厚度50-100 ii m ; (7)電弧噴涂鋅鋁合金層選用含鋁15%，直徑3mm的鋅鋁合金絲，噴涂時應有規 律地且快速地移動噴涂槍，獲得致密、厚度均勻的涂層，應防止局部過熱，產生較大應力，視 模具的形狀、尺寸不同，選擇合適的厚度； (8)去除母模內填充物電弧噴涂鋅鋁合金層完畢后就可以去除母模內的填充 物，如果填充物是石英砂與石蠟的混合物，用烘箱加熱到9(TC溫度，使石蠟熔化后去除；如 果填充物是加硫酸鎂的水溶性石膏，需先破壞石膏表面的封閉蠟層，然后用水浸泡使石膏 溶解去除； (9)去除快速原型； (10)去除殘留的錫合金涂層； (ll)調試應用。 電弧噴涂錫合金層時的工藝參數為絲材直徑3mm，噴涂電壓24-26V，噴涂電流 50-80A，霧化空氣壓力0. 5-0. 6MPa，工件與噴槍距離150-200mm。 電鍍鎳層時，使用酸性鍍液，鍍液成分包括硫酸鎳、氯化鎳、硼酸以及添加劑，pH值 4. 5-5，溫度30-40°C，陰極電流密度2-4A/dm2，電鍍過程中空氣攪拌，電鍍時間6-8小時，鍍 層厚度120-200 iim。 電弧噴涂鋅鋁合金層時，電弧噴涂鋅鋁合金層絲材的噴涂工藝參數為噴涂電壓 28-30V，噴涂電流120-160A，霧化空氣壓力0. 5-0. 6MPa，工件與噴槍距離150-200mm。
優點及效果針對滾塑模具的特殊工藝技術要求，本發明采用電鍍鎳與電弧噴涂 技術結合的方法在由快速原型技術(RP)得到的三維實體模型上進行逐層噴涂，最終沉積 為具有預定內部型腔尺寸和外觀形狀的滾塑模具。該方法的工藝過程是首先計算機CAD 設計，并通過快速原型技術(RP)得到要求的三維實體模型，然后在該三維實體模型表面均 勻地電弧噴涂一層錫合金；經過拋光處理，在其表面電鍍一層鎳，接著噴涂一層自結合涂層 和足夠厚度的鋅鋁合金涂層；最后采用化學方法去除模具型腔內的RP原型和錫合金涂層， 得到最終的模具。由于噴涂的錫層與RP原型結合可靠，電鍍的鎳層也與錫層結合可靠，所 以在電鍍鎳層時工藝參數控制寬容，很少出現鍍層開裂現象。并且由于噴涂在RP原型表面 的錫合金容易拋光到很高的光潔度，所以可以獲得更高表面質量的滾塑模具。
本發明提供的將快速原型技術與電弧噴涂和電鍍技術相結合的工藝，以及在此工 藝基礎上快速制作滾塑模具的方法，除可制作模具外，還可用于注塑成型、吹塑成型以及其 它多種塑料成型工藝，在塑料加工成型領域具有廣闊的應用前景。


圖1為本發明的具體工藝實施流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明進行具體說明。
如圖1所示，本發明工藝流程如下 (1)三維快速原型制作首先利用計算機設計出滾塑產品的電子文檔。使用計算 機CAD設計軟件可以方便地進行產品的整體與細節設計。然后將設計文檔傳送到快速原型 成型機，使用光敏樹脂，激光掃描固化樹脂。掃描結束后，去除未固化的樹脂，獲得殼型三維 快速原型。此三維快速原型作為模具的母模，考慮到在后續模具制作過程中對母模殼體強 度的要求，殼的壁厚取決于原形的體積大小，體積大取較大的壁厚；體積小取薄的壁厚。
(2)母模殼體內部填充加固由于母模殼體的壁厚越大，需要消耗的光敏樹脂越 多，并且后續的固化樹脂化學去除時間越長，所以應盡量減少殼型的壁厚。為了使薄殼的母 模在以后的加工工序中不被意外損壞，需要對其內部進行填充加固。內部填充物可使用內 部填充物可使用石英砂與石蠟的混合物或加硫酸鎂的水溶性石膏，其中石英砂與石蠟的相 對質量比例為石英砂75-92%，石蠟25-8% ;如果使用加硫酸鎂的水溶性石膏，需要在石 膏干燥后在與外界開放的部位浸蠟封閉，防止其在電鍍液中溶解失效。在填充石英砂與石 蠟的混合物或加硫酸鎂的水溶性石膏時，在填充物中應預埋銅制螺栓的半部，另一半留在 外面用以在電鍍時的導電以及電鍍時母模的懸掛用途。 (3)電弧噴涂錫合金層為了使母模具有良好的導電性且容易地被拋光修整，采 用電弧噴涂在其外面均勻地噴涂一層純錫或錫合金涂層。噴涂前母模表面應用80_100#砂 紙打磨或用40-60目剛玉砂噴砂處理，以提高錫涂層的結合強度。電弧噴涂錫導電層的工 藝參數為絲材直徑3mm，噴涂電壓24-26V，噴涂電流50-80A，霧化空氣壓力0. 5_0. 6MPa， 工件與噴槍距離150-200mm。噴涂時應有規律地且快速地移動噴涂槍，獲得致密、厚度 均勻的涂層。應防止局部過熱，產生較大應力，而導致涂層開裂或與基體分離，涂層厚度 0. l-0.2mm。噴涂層應與預埋銅螺栓相連，保證導電性。 (4)母模表面拋光修整采用柔性的電動磨光機或手工砂布磨光修整母模表面。 由于母模表面的錫涂層較薄，磨光時應循序漸進，對凸出部位應予以輕磨。如有偶爾磨露涂 層的部位，還可以重新進行噴涂，加以修補。磨光時使用砂布的粒度由粗到細，可以拋光到 似鏡面的光潔度。 (5)電鍍鎳層對拋光后的母模用丙酮除油、去離子水清洗，連接電源后，可入槽 電鍍鎳層。使用酸性鍍液，鍍液成分主要由硫酸鎳、氯化鎳、硼酸以及一些添加劑組成，pH值 4. 5-5，溫度30-40°C 。陰極電流密度2-4A/dm2，電鍍過程中空氣攪拌。電鍍時間6-8小時， 鍍層厚度120-200 iim。 (6)電弧噴涂自結合過渡層由于鍍鎳層很薄，經不起噴涂前常規的噴砂粗化處 理，對鍍鎳后的母模需進行電弧噴涂自結合過渡層代替噴砂粗化處理。 一些金屬或合金經 電弧噴涂后可與鐵或鎳基體之間發生冶金結合作用，一些噴涂粒子"焊合"到基體金屬表 面，所以結合的非常牢固。這一層自結合過鍍層的噴涂自由表面還具有很好的凸凹度，為 后續的噴涂鋅鋁合金層的沉積提供了可靠的結合表面，保證了鋅鋁合金層與鍍鎳層的可靠 結合。可以使用的自結合涂層材料有鎳鋁合金、鉬、鋁青銅合金以及鐵鉻鋁合金。由于這 些材料的噴涂會產生很大的熱量釋放，所以噴涂時應該快速移動噴槍，均勻噴涂。涂層厚度
750-100 iim。 (7)電弧噴涂鋅鋁合金層選用含鋁15%，直徑3mm的鋅鋁合金絲，絲材的噴涂工藝參數為噴涂電壓28-30V，噴涂電流120-160A，霧化空氣壓力0. 5_0. 6MPa，工件與噴槍距離150-200mm。噴涂時應有規律地且快速地移動噴涂槍，獲得致密、厚度均勻的涂層。應防止局部過熱，產生較大應力。視模具的形狀、尺寸不同，選擇合適的厚度，通常為2-5mm。
(8)去除母模內填充物電弧噴涂鋅鋁合金層工序完畢后就可以去除母模內的填充物。如果模內填充物是石英砂與石蠟的混合物，可以用烘箱加熱到9(TC溫度，使石蠟熔化后去除；如果模內填充物是加硫酸鎂的水溶性石膏，則需先破壞石膏表面的封閉蠟層，然后用水浸泡使石膏溶解去除。 (9)去除快速原型去除母模內填充物后的快速原型可以使用專門的有機溶劑浸泡，溶解去除。 (10)去除殘留的錫合金涂層使用主要由氫氟酸、硝酸、硼酸組成的專用脫錫劑可以在短時間內有效地除去殘留的錫合金涂層。
(11)調試應用再經過對型腔簡單的清洗和適當的加固，調試，便可用于滾塑制
品生產。 以下通過具體實例對本發明做進一步描述。
實施例 醫療教學嬰兒頭滾塑模具的制作 首先利用計算機設計出的教學嬰兒頭的電子文檔。然后將設計文檔傳送到快速原型成型機，使用光敏樹脂，激光掃描固化樹脂。掃描結束后，去除未固化的樹脂，獲得殼型三維嬰兒頭快速原型。下一步對該原型殼體內部填充內部填充物可使用內部填充物可使用石英砂2000克，石蠟200克，加熱石蠟到80°C ，加入石英砂，并混合均勻后填充到快速原形型腔中。在填充石英砂時，在填充物中應預埋銅制螺栓的半部，另一半留在外面用以在電鍍時的導電以及電鍍時母模的懸掛用途。 然后用100#砂紙打磨母模，并采用電弧噴涂在其外面均勻地噴涂一層純錫或錫合金涂層。電弧噴涂錫導電層的工藝參數為絲材直徑3mm，噴涂電壓24V，噴涂電流60A，霧化空氣壓力0. 5MPa，工件與噴槍距離160mm。噴涂時應有規律地且快速地移動噴涂槍，獲得致密、厚度均勻的涂層。應防止局部過熱，產生較大應力，而導致涂層開裂或與基體分離，涂層厚度100iim。噴涂層與預埋銅螺栓相連，保證導電性。噴涂后對該母模采用柔性的電動磨光機修整其表面，拋光到似鏡面的光潔度。 接著對拋光后的母模用丙酮除油、去離子水清洗，連接電源后，入槽電鍍鎳層。使用酸性鍍液，鍍液成分主要由硫酸鎳、氯化鎳、硼酸以及一些添加劑組成，pH值5，溫度35°C。陰極電流密度4A/dm2，電鍍過程中空氣攪拌。電鍍時間6小時。然后，電弧噴涂鎳鋁合金自結合過渡層，涂層厚度60 ii m。噴涂自結合涂層后，電弧噴涂含鋁15 % ，直徑3mm的鋅鋁合金絲涂層。噴涂工藝參數為噴涂電壓28V，噴涂電流150A，霧化空氣壓力0. 6MPa，工件與噴槍距離180mm，涂層厚度4mm。 然后將母模用烘箱加熱到9(TC溫度，使石蠟熔化后去除；去除母模內填充物，然后將快速原型使用專門的有機溶劑浸泡，溶解去除。然后使用專用脫錫劑除去殘留的錫合金涂層。再經過對型腔簡單的清洗和適當的加固，用于滾塑制品的生產。
權利要求
一種采用熱噴涂工藝快速制作滾塑成型模具的方法，其特征在于該方法通過以下步驟實施(1)三維快速原型制作首先利用計算機設計出滾塑產品的電子文檔，然后將設計文檔傳送到快速原型成型機，使用光敏樹脂，激光掃描固化樹脂；掃描結束后，去除未固化的樹脂，獲得殼型三維快速原型母模；母模殼體的壁厚取決于原型的體積，體積大取較大的壁厚；體積小取薄的壁厚；(2)母模殼體內部填充加固內部填充物為石英砂與石蠟的混合物或加硫酸鎂的水溶性石膏，其中石英砂與石蠟的相對質量比例為石英砂75-92％，石蠟25-8％；如果使用加硫酸鎂的水溶性石膏，需要在石膏干燥后在與外界開放的部位浸蠟封閉；在填充物中預埋銅制螺栓的半部，銅制螺栓的另一半留在外面，用以在電鍍時的導電以及電鍍時母模的懸掛用途；(3)電弧噴涂錫合金層采用電弧噴涂，在母模殼體外面均勻地噴涂一層純錫或錫合金涂層，噴涂前母模表面應用80-100#砂紙打磨或用40-60目剛玉砂噴砂處理；噴涂時應有規律地且快速地移動噴涂槍，獲得致密、厚度均勻的涂層，涂層厚度0.1-0.2mm，涂層應與預埋銅制螺栓相連，保證導電性；(4)母模表面拋光修整采用柔性的電動磨光機或手工砂布磨光修整母模表面，磨光時應循序漸進，對凸出部位應予以輕磨，如有偶爾磨露涂層的部位，應重新進行噴涂，加以修補，磨光時使用砂布的粒度由粗到細，拋光到似鏡面的光潔度；(5)電鍍鎳層對拋光后的母模用丙酮除油、去離子水清洗，連接電源后，入槽電鍍鎳層；(6)電弧噴涂自結合過渡層對鍍鎳后的母模需進行電弧噴涂自結合過渡層，自結合過渡層的涂層材料選用鎳鋁合金、鉬、鋁青銅合金或者鐵鉻鋁合金中的一種；噴涂時應該快速移動噴槍，均勻噴涂，涂層厚度50-100μm；(7)電弧噴涂鋅鋁合金層選用含鋁15％，直徑3mm的鋅鋁合金絲，噴涂時應有規律地且快速地移動噴涂槍，獲得致密、厚度均勻的涂層，應防止局部過熱，產生較大應力，視模具的形狀、尺寸不同，選擇合適的厚度；(8)去除母模內填充物電弧噴涂鋅鋁合金層完畢后就可以去除母模內的填充物，如果填充物是石英砂與石蠟的混合物，用烘箱加熱到90℃溫度，使石蠟熔化后去除；如果填充物是加硫酸鎂的水溶性石膏，需先破壞石膏表面的封閉蠟層，然后用水浸泡使石膏溶解去除；(9)去除快速原型；(10)去除殘留的錫合金涂層；(11)調試應用。
2. 根據權利要求1所述一種采用熱噴涂工藝快速制作滾塑成型模具的方法，其特征在 于電弧噴涂錫合金層時的工藝參數為絲材直徑3mm，噴涂電壓24-26V，噴涂電流50-80A， 霧化空氣壓力0. 5-0. 6MPa，工件與噴槍距離150-200mm。
3. 根據權利要求1所述一種采用熱噴涂工藝快速制作滾塑成型模具的方法，其特征 在于電鍍鎳層時，使用酸性鍍液，鍍液成分包括硫酸鎳、氯化鎳、硼酸以及添加劑，PH值 4. 5-5，溫度30-40°C，陰極電流密度2-4A/dm2，電鍍過程中空氣攪拌，電鍍時間6-8小時，鍍層厚度120-200 iim。
4.根據權利要求l所述一種采用熱噴涂工藝快速制作滾塑成型模具的方法，其特征在于電弧噴涂鋅鋁合金層時，電弧噴涂鋅鋁合金層絲材的噴涂工藝參數為噴涂電壓28-30V，噴涂電流120-160A，霧化空氣壓力0. 5-0. 6MPa，工件與噴槍距離150-200mm。
全文摘要
本發明公開一種采用熱噴涂工藝快速制作滾塑成型模具的方法。該方法是在獲得快速原型的基礎上，通過在其表面實施錫合金涂層，電鍍鎳層，然后噴涂自結合涂層，噴涂足夠厚度的鋅鋁合金層，最后去除型腔內填充物，獲得要求的滾塑加工成型模具。該發明還可用于制作注塑成型、吹塑成型以及其它多種塑料成型加工模具。
文檔編號C23C4/02GK101787511SQ20101013820
公開日2010年7月28日 申請日期2010年4月2日 優先權日2010年4月2日
發明者張義順, 張忠禮, 李德元, 董曉強 申請人:沈陽工業大學