CN101787511B - 一种采用热喷涂工艺快速制作滚塑成型模具的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种采用热喷涂工艺快速制作滚塑成型模具的方法。该方法是在获得快速原型的基础上，通过在其表面实施锡合金涂层，电镀镍层，然后喷涂自结合涂层，喷涂足够厚度的锌铝合金层，最后去除型腔内填充物，获得要求的滚塑加工成型模具。该发明还可用于制作注塑成型、吹塑成型以及其它多种塑料成型加工模具。

Description

一种采用热喷涂工艺快速制作滚塑成型模具的方法

技术领域：本发明涉及模具制造领域，具体指一种快速制作滚塑成型模具的方法。

背景技术：模具工业是技术附加值最高的行业之一。传统的模具制造方法具有高投入、长工期、长寿命的特点，对于大、中批量生产，模具的这种高投入可由其长寿命加以补偿。近年来，随着市场竞争的日趋加剧，要求企业必须能快速响应市场和用户的需求，促使工业产品的生产模式由传统的大、中批量向具有灵活、易变性和快速反应能力的中、小批量转变。在这种条件下，传统的模具制造方法由于其自身固有的生产周期长、投入风险高、产品改进困难等缺点，在一定程度上成为企业在市场竞争中发挥活力的制约因素。在模具制造领域，许多新技术正在模具制造领域中得到应用，例如基于快速原型技术与电铸、电弧喷涂、等离子熔射成形、电铸、精密铸造、电火花等特种加工等方法相结合，使模具加工更加灵活、快捷、经济，形成了一个技术含量极高的高新技术领域。

快速原型制造技术(RP)综合了机械工程、CAD、数控技术、激光技术及材料科学等技术，自动、直接、快速地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件。RP创立了产品开发研究的新模式，使设计师以前所未有的直观方式进行设计，感性而迅速地验证、检查所生产的产品的结构、外形，从而使设计工作进入了一个全新的境界，改善了设计过程中的人机交流，缩短了产品开发的周期，加快 了产品更新换代的速度，降低了企业投资新产品的风险。快速模具的基本技术特征是非机械加工型腔复制，其关键技术之一是母模原型件的设计与制造。传统的快速制模一般采用已有制件或机加工件作为母模，对于较复杂的和精度要求较高的快速模具，传统的母模设计制造模式显得束手无策，这已成为制约快速模具制造技术发展的瓶颈。基于快速原型制造的快速模具技术集成快速原型制造高新技术和传统的非机械加工型腔复制技术，发挥各自优势，已成为产品快速更新换代和新产品开发及中、小批量生产的有效手段之一。

利用热喷涂方法制造模具是一项与快速原形技术技术相适应的快速制模技术，这种方法成本低，制造周期短。且模具是通过逐层喷涂堆积而成，容易达到对形状和尺寸的控制，符合“逐层制造”的现代加工理念。美国的TAFA公司在上世纪八十年代初就成功地使用电弧喷涂锌合金制作了大型的汽车塑料内饰件吸塑模具。1988年沈阳工业大学在国内首先开发和应用了这项技术应用到吸塑和吹塑模具制造。其后国内陆续有人将这项技术应用于塑料模具的快速制造。但目前这项技术还仅限于制造低熔点合金模具。由于热喷涂涂层形成的特点，涂层内部以机械方式结合，并且有大约2-7％的孔隙，所以喷涂的低熔点合金模具的强度和表面硬度较低，其产品还仅能用作吹塑、吸塑等模具，使其应用受到很大的限制。为了提高热喷涂锌基合金涂层的表面硬度，西安交通大学的卢秉恒等人在制得的热喷涂锌基合金模具型腔表面化学镀镍磷合金镀层，提高了模具的使用寿命。

滚塑成型工艺自上世纪30年代问世以来，经过60多年的发展， 其设备与工艺日趋完善。从小巧的儿童玩具到常见的汽车塑料件直至庞大的工程塑料制品，特别是超大型及非标异型中空塑料制品，由于其它塑料加工工艺本身特性的限制，现在还只能依靠滚塑成型工艺才能完成。目前，滚塑成型工艺已成为塑料成型加工工艺中的重要分支。滚塑成型的基本加工过程很简单，就是将粉末状或液状聚合物放在模具里，加热同时围绕两个垂直轴旋转(自转和公转)，然后冷却。在加热阶段的最初，如果用的是粉末状材料，则先在模具表面形成多孔层，然后随循环过程渐渐熔融，最后形成均匀厚度的均相层；如果用的是液体材料，则先流动和涂覆在模具表面，当达到凝胶点时则完全停止流动。模具随后转入冷却工区，通过强制通风或喷水冷却，然后被放置于工作区，在这里，模具被打开，完成的制件被取走，接着再进行下一轮循环。

滚塑成型对模具材质强度要求不高，但必须具有良好的热传导性和耐热性，并能抵挡频繁加热(高于260℃)与冷却过程中的应力交替。目前常用的粉末状或液状聚合物滚塑材料主要是聚乙烯树脂，模具型腔表面要与聚乙烯树脂紧密接触，模具型腔表面的材质和状态直接影响滚塑制品的表面质量。例如，在模具型腔表面存在的孔隙会导致滚塑制品表面出现气孔；聚乙烯树脂与锌或铜合金接触后会影响滚塑制品的表面色泽。由于采用热喷涂方法制作滚塑模具是要以RP或其它易加工的材料制得的原形作为母型，在其上面逐层喷涂，所以使用的喷涂材料熔点要较低。目前用于此目的的可选喷涂材料只有锡基合金和锌基合金。由于锡基合金的熔点与滚塑加工时的加热温度接 近，不宜采用，所以只有锌基合金可选择。但是要避免聚乙烯材料与锌合金接触，影响滚塑制品表面质量，就必须在模具的型腔内施加一层不与物料反应的金属，当然镍镀层是首选。由于热喷涂涂层表面存在许多孔隙，在此基础上无论电镀或化学镀镍都不能有效地封闭这些孔隙，而且镀层过厚还会严重地影响镍镀层与锌涂层的结合强度，所以必须开发新的工艺解决上述问题。

发明内容：

发明目的：本发明开发一种将快速原形技术与电弧喷涂和电镀技术相结合的工艺，以及在此工艺基础上快速制作滚塑模具的方法，其目的是要提供一种滚塑模具的快速制造方法，获得质优价廉的滚塑制品。

技术方案：本发明是通过几下技术方案实施的：

一种采用热喷涂工艺快速制作滚塑成型模具的方法，其特征在于：该方法通过以下步骤实施：

(1)三维快速原型制作：首先利用计算机设计出滚塑产品的电子文档，然后将设计文档传送到快速原型成型机，使用光敏树脂，激光扫描固化树脂；扫描结束后，去除未固化的树脂，获得壳型三维快速原型母模；母模壳体的壁厚取决于原型的体积，体积大取较大的壁厚；体积小取薄的壁厚；

(2)母模壳体内部填充加固：内部填充物为石英砂与石蜡的混合物或加硫酸镁的水溶性石膏，其中石英砂与石蜡的相对质量比例为：石英砂75-92％，石蜡25-8％；如果使用加硫酸镁的水溶性石膏，需要在石膏干燥后在与外界开放的部位浸蜡封闭；在填充物中预埋铜制螺栓的半部，铜制螺栓的另一半留在外面，用以在电镀时的导电以及电镀时母模的悬挂用途；

(3)电弧喷涂锡合金层：采用电弧喷涂，在母模壳体外面均匀地喷涂一层锡合金涂层，喷涂前母模表面应用80-100#砂纸打磨或用40-60目刚玉砂喷砂处理；喷涂时应有规律地且快速地移动喷涂枪，获得致密、厚度均匀的涂层，涂层厚度0.1-0.2mm，涂层应与预埋铜制螺栓相连，保证导电性；

(4)母模表面抛光修整：采用柔性的电动磨光机或手工砂布磨光修整母模表面，磨光时应循序渐进，对凸出部位应予以轻磨，如有偶尔磨露涂层的部位，应重新进行喷涂，加以修补，磨光时使用砂布的粒度由粗到细，抛光到似镜面的光洁度；

(5)电镀镍层：对抛光后的母模用丙酮除油、去离子水清洗，连接电源后，入槽电镀镍层；

(6)电弧喷涂自结合过渡层：对镀镍后的母模需进行电弧喷涂自结合过渡层，自结合过渡层的涂层材料选用镍铝合金、钼、铝青铜合金或者铁铬铝合金中的一种；喷涂时应该快速移动喷枪，均匀喷涂，涂层厚度50-100μm；

(7)电弧喷涂锌铝合金层：选用含铝15％，直径3mm的锌铝合金丝，喷涂时应有规律地且快速地移动喷涂枪，获得致密、厚度均匀的涂层，应防止局部过热，产生较大应力，视模具的形状、尺寸不同，选择合适的厚度；

(8)去除母模内填充物：电弧喷涂锌铝合金层完毕后就可以去除母模内的填充物，如果填充物是石英砂与石蜡的混合物，用烘箱加热到90℃温度，使石蜡熔化后去除；如果填充物是加硫酸镁的水溶性石膏，需先破坏石膏表面的封闭蜡层，然后用水浸泡使石膏溶解去除；

(9)去除快速原型；

(10)去除残留的锡合金涂层；

(11)调试应用。

电弧喷涂锡合金层时的工艺参数为：丝材直径3mm，喷涂电压24-26V，喷涂电流50-80A，雾化空气压力0.5-0.6MPa，工件与喷枪距离150-200mm。

电镀镍层时，使用酸性镀液，镀液成分包括硫酸镍、氯化镍、硼酸以及添加剂，pH值4.5-5，温度30-40℃，阴极电流密度2-4A/dm²，电镀过程中空气搅拌，电镀时间6-8小时，镀层厚度120-200μm。

电弧喷涂锌铝合金层时，电弧喷涂锌铝合金层丝材的喷涂工艺参数为：喷涂电压28-30V，喷涂电流120-160A，雾化空气压力0.5-0.6MPa，工件与喷枪距离150-200mm。

优点及效果：针对滚塑模具的特殊工艺技术要求，本发明采用电镀镍与电弧喷涂技术结合的方法在由快速原型技术(RP)得到的三维实体模型上进行逐层喷涂，最终沉积为具有预定内部型腔尺寸和外观形状的滚塑模具。该方法的工艺过程是：首先计算机CAD设计，并通过快速原型技术(RP)得到要求的三维实体模型，然后在该三 维实体模型表面均匀地电弧喷涂一层锡合金；经过抛光处理，在其表面电镀一层镍，接着喷涂一层自结合涂层和足够厚度的锌铝合金涂层；最后采用化学方法去除模具型腔内的RP原型和锡合金涂层，得到最终的模具。由于喷涂的锡层与RP原型结合可靠，电镀的镍层也与锡层结合可靠，所以在电镀镍层时工艺参数控制宽容，很少出现镀层开裂现象。并且由于喷涂在RP原型表面的锡合金容易抛光到很高的光洁度，所以可以获得更高表面质量的滚塑模具。

本发明提供的将快速原型技术与电弧喷涂和电镀技术相结合的工艺，以及在此工艺基础上快速制作滚塑模具的方法，除可制作模具外，还可用于注塑成型、吹塑成型以及其它多种塑料成型工艺，在塑料加工成型领域具有广阔的应用前景。

附图说明：

图1为本发明的具体工艺实施流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行具体说明。

如图1所示，本发明工艺流程如下：

(1)三维快速原型制作：首先利用计算机设计出滚塑产品的电子文档。使用计算机CAD设计软件可以方便地进行产品的整体与细节设计。然后将设计文档传送到快速原型成型机，使用光敏树脂，激光扫描固化树脂。扫描结束后，去除未固化的树脂，获得壳型三维快速原型。此三维快速原型作为模具的母模，考虑到在后续模具制作过程中对母模壳体强度的要求，壳的壁厚取决于原形的体积大小，体积 大取较大的壁厚；体积小取薄的壁厚。

(2)母模壳体内部填充加固：由于母模壳体的壁厚越大，需要消耗的光敏树脂越多，并且后续的固化树脂化学去除时间越长，所以应尽量减少壳型的壁厚。为了使薄壳的母模在以后的加工工序中不被意外损坏，需要对其内部进行填充加固。内部填充物可使用内部填充物可使用石英砂与石蜡的混合物或加硫酸镁的水溶性石膏，其中石英砂与石蜡的相对质量比例为：石英砂75-92％，石蜡25-8％；如果使用加硫酸镁的水溶性石膏，需要在石膏干燥后在与外界开放的部位浸蜡封闭，防止其在电镀液中溶解失效。在填充石英砂与石蜡的混合物或加硫酸镁的水溶性石膏时，在填充物中应预埋铜制螺栓的半部，另一半留在外面用以在电镀时的导电以及电镀时母模的悬挂用途。

(3)电弧喷涂锡合金层：为了使母模具有良好的导电性且容易地被抛光修整，采用电弧喷涂在其外面均匀地喷涂一层纯锡或锡合金涂层。喷涂前母模表面应用80-100#砂纸打磨或用40-60目刚玉砂喷砂处理，以提高锡涂层的结合强度。电弧喷涂锡导电层的工艺参数为：丝材直径3mm，喷涂电压24-26V，喷涂电流50-80A，雾化空气压力0.5-0.6MPa，工件与喷枪距离150-200mm。喷涂时应有规律地且快速地移动喷涂枪，获得致密、厚度均匀的涂层。应防止局部过热，产生较大应力，而导致涂层开裂或与基体分离，涂层厚度0.1-0.2mm。喷涂层应与预埋铜螺栓相连，保证导电性。

(4)母模表面抛光修整：采用柔性的电动磨光机或手工砂布磨光修整母模表面。由于母模表面的锡涂层较薄，磨光时应循序渐进， 对凸出部位应予以轻磨。如有偶尔磨露涂层的部位，还可以重新进行喷涂，加以修补。磨光时使用砂布的粒度由粗到细，可以抛光到似镜面的光洁度。

(5)电镀镍层：对抛光后的母模用丙酮除油、去离子水清洗，连接电源后，可入槽电镀镍层。使用酸性镀液，镀液成分主要由硫酸镍、氯化镍、硼酸以及一些添加剂组成，pH值4.5-5，温度30-40℃。阴极电流密度2-4A/dm²，电镀过程中空气搅拌。电镀时间6-8小时，镀层厚度120-200μm。

(6)电弧喷涂自结合过渡层：由于镀镍层很薄，经不起喷涂前常规的喷砂粗化处理，对镀镍后的母模需进行电弧喷涂自结合过渡层代替喷砂粗化处理。一些金属或合金经电弧喷涂后可与铁或镍基体之间发生冶金结合作用，一些喷涂粒子“焊合”到基体金属表面，所以结合的非常牢固。这一层自结合过镀层的喷涂自由表面还具有很好的凸凹度，为后续的喷涂锌铝合金层的沉积提供了可靠的结合表面，保证了锌铝合金层与镀镍层的可靠结合。可以使用的自结合涂层材料有镍铝合金、钼、铝青铜合金以及铁铬铝合金。由于这些材料的喷涂会产生很大的热量释放，所以喷涂时应该快速移动喷枪，均匀喷涂。涂层厚度50-100μm。

(7)电弧喷涂锌铝合金层：选用含铝15％，直径3mm的锌铝合金丝，丝材的喷涂工艺参数为：喷涂电压28-30V，喷涂电流120-160A，雾化空气压力0.5-0.6MPa，工件与喷枪距离150-200mm。喷涂时应有规律地且快速地移动喷涂枪，获得致密、厚度均匀的涂层。应防止局 部过热，产生较大应力。视模具的形状、尺寸不同，选择合适的厚度，通常为2-5mm。

(8)去除母模内填充物：电弧喷涂锌铝合金层工序完毕后就可以去除母模内的填充物。如果模内填充物是石英砂与石蜡的混合物，可以用烘箱加热到90℃温度，使石蜡熔化后去除；如果模内填充物是加硫酸镁的水溶性石膏，则需先破坏石膏表面的封闭蜡层，然后用水浸泡使石膏溶解去除。

(9)去除快速原型：去除母模内填充物后的快速原型可以使用专门的有机溶剂浸泡，溶解去除。

(10)去除残留的锡合金涂层：使用主要由氢氟酸、硝酸、硼酸组成的专用脱锡剂可以在短时间内有效地除去残留的锡合金涂层。

(11)调试应用：再经过对型腔简单的清洗和适当的加固，调试，便可用于滚塑制品生产。

以下通过具体实例对本发明做进一步描述。

实施例：

医疗教学婴儿头滚塑模具的制作：

首先利用计算机设计出的教学婴儿头的电子文档。然后将设计文档传送到快速原型成型机，使用光敏树脂，激光扫描固化树脂。扫描结束后，去除未固化的树脂，获得壳型三维婴儿头快速原型。下一步对该原型壳体内部填充内部填充物可使用内部填充物可使用石英砂2000克，石蜡200克，加热石蜡到80℃，加入石英砂，并混合均匀后填充到快速原形型腔中。在填充石英砂时，在填充物中应预埋铜制 螺栓的半部，另一半留在外面用以在电镀时的导电以及电镀时母模的悬挂用途。

然后用100#砂纸打磨母模，并采用电弧喷涂在其外面均匀地喷涂一层纯锡或锡合金涂层。电弧喷涂锡导电层的工艺参数为：丝材直径3mm，喷涂电压24V，喷涂电流60A，雾化空气压力0.5MPa，工件与喷枪距离160mm。喷涂时应有规律地且快速地移动喷涂枪，获得致密、厚度均匀的涂层。应防止局部过热，产生较大应力，而导致涂层开裂或与基体分离，涂层厚度100μm。喷涂层与预埋铜螺栓相连，保证导电性。喷涂后对该母模采用柔性的电动磨光机修整其表面，抛光到似镜面的光洁度。

接着对抛光后的母模用丙酮除油、去离子水清洗，连接电源后，入槽电镀镍层。使用酸性镀液，镀液成分主要由硫酸镍、氯化镍、硼酸以及一些添加剂组成，pH值5，温度35℃。阴极电流密度4A/dm²，电镀过程中空气搅拌。电镀时间6小时。然后，电弧喷涂镍铝合金自结合过渡层，涂层厚度60μm。喷涂自结合涂层后，电弧喷涂含铝15％，直径3mm的锌铝合金丝涂层。喷涂工艺参数为：喷涂电压28V，喷涂电流150A，雾化空气压力0.6MPa，工件与喷枪距离180mm，涂层厚度4mm。

然后将母模用烘箱加热到90℃温度，使石蜡熔化后去除；去除母模内填充物，然后将快速原型使用专门的有机溶剂浸泡，溶解去除。然后使用专用脱锡剂除去残留的锡合金涂层。再经过对型腔简单的清洗和适当的加固，用于滚塑制品的生产。

Claims (4)

1.一种采用热喷涂工艺快速制作滚塑成型模具的方法，其特征在于：该方法通过以下步骤实施：

(1)三维快速原型制作：首先利用计算机设计出滚塑产品的电子文档，然后将设计文档传送到快速原型成型机，使用光敏树脂，激光扫描固化树脂；扫描结束后，去除未固化的树脂，获得壳型三维快速原型母模；母模壳体的壁厚取决于原型的体积，体积大取较大的壁厚；体积小取薄的壁厚；

(2)母模壳体内部填充加固：内部填充物为石英砂与石蜡的混合物或加硫酸镁的水溶性石膏，其中石英砂与石蜡的相对质量比例为：石英砂75-92％，石蜡25-8％；如果使用加硫酸镁的水溶性石膏，需要在石膏干燥后在与外界开放的部位浸蜡封闭；在填充物中预埋铜制螺栓的半部，铜制螺栓的另一半留在外面，用以在电镀时的导电以及电镀时母模的悬挂用途；

(3)电弧喷涂锡合金层：采用电弧喷涂，在母模壳体外面均匀地喷涂一层锡合金涂层，喷涂前母模表面应用80-100#砂纸打磨或用40-60目刚玉砂喷砂处理；喷涂时应有规律地且快速地移动喷涂枪，获得致密、厚度均匀的涂层，涂层厚度0.1-0.2mm，涂层应与预埋铜制螺栓相连，保证导电性；

(4)母模表面抛光修整：采用柔性的电动磨光机或手工砂布磨光修整母模表面，磨光时应循序渐进，对凸出部位应予以轻磨，如有 偶尔磨露涂层的部位，应重新进行喷涂，加以修补，磨光时使用砂布的粒度由粗到细，抛光到似镜面的光洁度；

(5)电镀镍层：对抛光后的母模用丙酮除油、去离子水清洗，连接电源后，入槽电镀镍层；

(6)电弧喷涂自结合过渡层：对镀镍后的母模需进行电弧喷涂自结合过渡层，自结合过渡层的涂层材料选用镍铝合金、钼、铝青铜合金或者铁铬铝合金中的一种；喷涂时应该快速移动喷枪，均匀喷涂，涂层厚度50-100μm；

(7)电弧喷涂锌铝合金层：选用含铝15％，直径3mm的锌铝合金丝，喷涂时应有规律地且快速地移动喷涂枪，获得致密、厚度均匀的涂层，应防止局部过热，产生较大应力，视模具的形状、尺寸不同，选择合适的厚度；

(8)去除母模内填充物：电弧喷涂锌铝合金层完毕后就可以去除母模内的填充物，如果填充物是石英砂与石蜡的混合物，用烘箱加热到90℃温度，使石蜡熔化后去除；如果填充物是加硫酸镁的水溶性石膏，需先破坏石膏表面的封闭蜡层，然后用水浸泡使石膏溶解去除；

(9)去除快速原型；

(10)去除残留的锡合金涂层；

(11)调试应用。

2.根据权利要求1所述一种采用热喷涂工艺快速制作滚塑成型模具的方法，其特征在于：电弧喷涂锡合金层时的工艺参数为：丝材 直径3mm，喷涂电压24-26V，喷涂电流50-80A，雾化空气压力0.5-0.6MPa，工件与喷枪距离150-200mm。

3.根据权利要求1所述一种采用热喷涂工艺快速制作滚塑成型模具的方法，其特征在于：电镀镍层时，使用酸性镀液，镀液成分包括硫酸镍、氯化镍、硼酸以及添加剂，pH值4.5-5，温度30-40℃，阴极电流密度2-4A/dm²，电镀过程中空气搅拌，电镀时间6-8小时，镀层厚度120-200μm。

4.根据权利要求1所述一种采用热喷涂工艺快速制作滚塑成型模具的方法，其特征在于：电弧喷涂锌铝合金层时，电弧喷涂锌铝合金层丝材的喷涂工艺参数为：喷涂电压28-30V，喷涂电流120-160A，雾化空气压力0.5-0.6MPa，工件与喷枪距离150-200mm。 

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