CN107914407A - 模具与使用该模具的热压成形方法 - Google Patents
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Abstract
一种模具与使用该模具的热压成形方法，用于成形热固性材料；模具包含可热分解的阳模与阴模；阳模于温度低于阳模的热分解温度时呈硬化态；阳模于温度等于阳模的热分解温度时开始热分解；热固性材料的固化温度低于或等于阳模的起始热分解温度；阴模于温度低于阴模的软化温度时呈硬化态，阴模的软化温度高于阳模的热分解温度。本发明借助固化预浸料叠层以形成一工件以及热分解阳模，在进行脱模时，因热分解而脆化的阳模易于将工件移除，解决了目前具有特殊结构设计的工件于热压成型后无法脱模的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种模具与使用该模具的热压成形方法，特别是一种阳模模具与使用该阳模模具的热压成形方法。
背景技术
一般热压成型使用的模具通常由一个阴模与一个阳模组合而成。热压成型的步骤包含先将原材料置于阴模的模孔中；接着加热与加压组合后的阴模与阳模，使阳模的凸块挤压阴模的模孔中的原材料并使原材料固化形成工件；最后进行工件的脱模，亦即是分离阴模、工件与阳模。在工件脱模的过程中，由于工件与阳模间的热膨胀系数差异，经常会出现阳模受到往阳模方向收缩的工件的夹固，造成无法分离工件与阳模的状况。因此，在设计工件的边角角度或是中空工件时须考虑脱模的便利性。
然而，对于具有特殊结构设计的工件而言，例如中空区域截面积大于或等于开孔面积的中空工件，已无法通过调整工件设计的方式确保工件使用现有模具热压成型后可顺利脱模。因此，如何使具有特殊结构设计的工件于热压成型后可顺利脱模，成为了目前亟需解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足提供一种模具与使用该模具的热压成形方法，用来解决目前具有特殊结构设计的工件于热压成型后无法脱模的问题。
本发明所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：
本发明公开一种模具，用于成形热固性材料。模具包含可热分解的阳模与阴模。阳模于温度低于阳模的热分解温度时呈硬化态。阳模于温度等于阳模的热分解温度时开始热分解。热固性材料的固化温度低于或等于阳模的热分解温度。阴模于温度低于阴模的软化温度时呈硬化态，阴模的软化温度高于阳模的热分解温度。
本发明公开一种使用前述模具的热压成形方法，包含以多个预浸料包覆模具的可热分解的阳模以形成被预浸料叠层包覆的阳模。接着，组合被预浸料叠层包覆的阳模与模具的阴膜。接着，对组合后的阳模与阴模进行一热压加工以固化预浸料叠层以形成一工件与热分解阳模。接着，分离阴模以及相结合的工件与脆化的阳模。接着，将工件移除脆化的阳模。
换句话说，本发明提供一种模具，用于成形一热固性材料，所述模具包含：
一阳模，该阳模于温度低于该阳模的一起始热分解温度时呈硬化态，该阳模于温度等于该起始热分解温度时开始热分解，该热固性材料的一固化温度低于或等于该起始热分解温度；以及
一阴模，该阴模于温度低于该阴模的一软化温度时呈硬化态，该软化温度高于该阳模的该起始热分解温度。
该阳模由硅基聚合物所构成。
该起始热分解温度为316℃至325℃。
该阴模由金属或金属氧化物所构成。
本发明还提供一种使用如上所述的模具的热压成形方法，所述方法包含：
以多个预浸料包覆该模具的可热分解的该阳模以形成被一预浸料叠层包覆的该阳模；
组合被该预浸料叠层包覆的该阳模与该模具的该阴膜；
对组合后的该阳模与该阴模进行一热压加工以固化该预浸料叠层以形成一工件与热分解该阳模；
分离该阴模以及相结合的该工件与脆化的该阳模；以及
将该工件移除脆化的该阳模。
多个所述预浸料由一纤维布含浸一聚酰胺酸溶液所形成，于该热压加工过程中，该预浸料叠层中的多个聚酰胺酸进行一亚酰胺化反应形成多个聚酰亚胺，且多个所述聚酰亚胺彼此交联。
更包含形成一离型膜于预热后的该阴模的一模孔壁面。
当该固化温度等于该起始热分解温度时，该热压加工包含：
加热组合后的该阳模与该阴模至该起始热分解温度；以及
保持恒温并加压组合后的该阳模与该阴模以固化该预浸料叠层形成该工件与热分解该阳模。
当该固化温度低于该起始热分解温度时，该热压加工包含：
加热组合后的该阳模与该阴模至该固化温度；
保持恒温并加压组合后的该阳模与该阴模以固化该预浸料叠层形成该工件；以及
加热组合后的该阳模与该阴模由该固化温度至该起始热分解温度或该起始热分解温度以上以热分解该阳模。
以该预浸料叠层包覆该模具的可热分解的该阳模的步骤包含：
加热软化多个所述预浸料；以及
以软化后的多个所述预浸料包覆该模具的可热分解的该阳模以形成被该预浸料叠层包覆的该阳模。
根据上述本发明所公开的模具与使用该模具的热压成形方法，由于阳模于温度等于阳模的热分解温度时开始热分解，且热固性材料的固化温度低于或等于阳模的起始热分解温度。因此，对组合后的阳模与阴模进行一热压加工，借此固化预浸料叠层以形成一工件，以及热分解阳模。如此一来，在进行脱模时，因热分解而脆化的阳模易于将工件移除，解决了目前具有特殊结构设计的工件于热压成型后无法脱模的问题。
以上的关于本发明内容的说明及以下的实施方式的说明用来示范与解释本发明的精神与原理，并且为本发明的保护范围提供进一步的解释。
附图说明
图1为本发明一实施例模具的立体分解图；
图2为本发明一实施例使用该模具的热压成型方法的流程图；
图3为本发明部分实施例组合后的阳模与阴模以及脱模辅助板的剖视图。
【附图标记说明】
1 模具
10 阳模
110 底座
111 台面
112 底面
113 第一侧面
114 第二侧面
115 第三侧面
116 第四侧面
120 柱体
121 柱侧面
20 阴模
210 本体
211 顶面
212 模孔
213 缺口
30 脱模辅助板
31 开口
40 垫片
P 预浸料
具体实施方式
以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使本领域技术人员了解本发明的技术内容并加以实施，且根据本说明书所公开的内容、权利要求及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的保护范围。
首先介绍本发明一实施例的模具1，请参阅图1。图1为本发明一实施例模具的立体分解图。如图1所示，热固性材料具有一热固化温度，当温度上升至热固化温度时，热固性材料中的链状高分子开始进行交联反应而形成网状高分子使得热固性材料固化。如此一来，当固化后的热固性材料再次受热时不会发生软化。热固性材料例如为热固型树脂复合材料或一般热固型树脂。本发明一实施例的模具1适用于加热与加压热固性材料，借此成形热固性材料所构成的工件。
模具1包含一阳模10与一阴模20。阳模10包含一底座110与一柱体120。底座110具有一台面111、一底面112、一第一侧面113、一第二侧面114、一第三侧面115与一第四侧面116。台面111与底面112位于底座110的相对二侧。第一侧面113、第二侧面114、第三侧面115与第四侧面116位于台面111与底面112之间，且第一侧面113与第三侧面115彼此相对，第二侧面114与第四侧面116彼此相对。柱体120突出于底座110的台面111，且柱体120具有一柱侧面121。阴模20包含一本体210。本体210具有一顶面211以及一模孔212，且模孔212位于顶面211。当阳模10与阴模20呈组合状态时，阳模10的柱体120与部分的底座110位于阴模20的本体210的模孔212中。
构成阳模10的材料具有一起始热分解温度。当加热温度达到起始热分解温度时，构成阳模10的材料开始进行热分解，其机械强度如体积模数(Bulk modulus)、抗压强度(Compressive strength)与破裂模数(modulus of rupture)逐渐开始下降。当构成阳模10的材料进行热分解一段时间后，阳模10开始龟裂或脆化。选择构成阳模10的材料时，须考虑的因素包含热压成形使用的热固性材料的热固化温度。构成阳模10的材料的起始热分解温度需大于或等于热固性材料的热固化温度，借此确保阳模10进行热分解时，热固性材料已开始固化。
于本发明部分实施例中，选择构成阳模的材料时可进一步考虑进行热压成形的温度以及时间长度。若热固性材料进行热压成形的时间内，受热膨胀后已开始热分解的阳模虽然无法维持完整形状，但阳模的机械强度仍可建立并传递热压成形时的压力给已开始固化的热固性材料，则使用的构成阳模的材料的热分解温度可等于热固性材料的热固化温度。借此，降低热压成形所需的最高加热温度，进而达到降低能源消耗的技术效果。于本发明部份实施例中，阳模由硅基聚合物所构成。硅基聚合物例如为硅橡胶，硅橡胶的起始热分解温度范围为316℃至325℃。
构成阴模20的材料具有一软化温度，当加热温度低于阴模20的软化温度时，阴模20呈硬化态。当加热温度高于阴模20的软化温度时，阴模20开始出现软化变形的状况。选择构成阴模20的材料时，须考虑的因素包含阴模20的软化温度需大于阳模10的起始热分解温度与热固性材料的热固化温度，借此确保阳模10进行热分解时，阴模20仍可维持承受热压成形的压力的机械强度。于本发明一实施例中，阴模20的材料为不锈钢，但不以此为限。于本发明其他实施例中，阴模的材料可为其他金属材料或金属氧化物。
本发明一实施例的模具1由于阳模10于温度等于阳模10的起始热分解温度时开始热分解，且热固性材料的固化温度低于或等于阳模10的起始热分解温度。因此，对组合后的阳模与阴模进行热压加工时，热固性材料固化形成工件而阳模受热分解。如此一来，在进行脱模时，因热分解而脆化的阳模易于被分裂成小块状而将工件移除，解决了目前具有特殊结构设计的工件于热压成型后无法脱模的问题。
接下来介绍本发明一实施例的使用模具的热压成型方法。本实施例使用的模具为前述的模具1。模具1的阳模10例如由47至50克的硅橡胶主剂与4.7克至5克的硬化剂混合形成的硅橡胶溶液以注模成型的方式形成。硅橡胶主剂的生产者为GE Silicones公司，型号为RTV630A，黏度为160,000cps。硬化剂的生产者为GE Silicones公司，型号为RTV 630B，黏度为6,000cps。注模成型的阳模10在使用前须先修整毛边与合模线。模具1的阴模20例如由中碳钢不锈钢以现有金属模具制造方法制成。
本实施例使用模具将复合材料的预浸料叠层热压成形为工件。制备预浸料时，首先将3,3’,4,4’-二苯酮四酸二酐(3,3',4,4'-benzophenone tetracarboxylicdianhydride，BTDA，CAS No.2421-28-5)溶于乙醇中并酯化以形成3,3',4,4'-benzophenone tetracarboxylic acid的二乙酯(diethyl ester of 3,3',4,4'-benzophenone tetracarboxylic acid，BTDE)溶液，3,3’,4,4’-二苯酮四酸二酐与乙醇的重量比为1：1.4，BTDE溶液中的固含量为41.6wt％。接着，将降冰片烯二酸酐(Nadicanhydride，NA，CAS No.129-64-6)溶于乙醇中并酯化以形成Nadic acid的单乙酯(monoethyl ester of nadic acid，NE)溶液，降冰片烯二酸酐与乙醇的重量比为1：0.87，NE溶液中的固含量为53.5wt％。再来，依据制备平均分子量1100的聚酰亚胺所需的反应物量，将708克的4,4’-二胺基二苯甲烷(4,4’-Methylenedianiline，MDA，CAS No.101-77-9)，1542克的BTDE溶液以及969克的NE溶液混合并进行搅拌以得到聚酰胺酸溶液。聚酰胺酸溶液中的固含量为58.0wt％，于25℃时的黏度约为150cps至350cps。接着，将聚酰胺酸溶液涂布于玻璃纤维布，使得玻璃纤维布含浸聚酰胺酸溶液，并以适当的温度与时间加热含浸有聚酰胺酸的玻璃纤维布以移除多余的溶剂而得到贴覆形塑性(drapability)佳的预浸料。预浸料中，聚酰胺酸所占的重量百分比为42％。于本实施例中，纤维布为玻璃纤维布，但不以此为限。于本发明其他实施例中，纤维布可为碳纤维、高分子纤维、天然纤维等所构成的织品。
以下详细说明本发明一实施例使用该模具的热压成型方法，请参阅图2。图2为本发明一实施例使用该模具的热压成型方法的流程图。如图2所示，首先，以多个预浸料包覆模具的可热分解的阳模以形成被预浸料叠层包覆的阳模(S100)。
详细来说，以一预浸料紧密贴附于阳模10的底座110的第一侧面113、第二侧面114与第三侧面115。接着以一预浸料紧密贴附位于底座110的第二侧面114的预浸料、位于第三侧面115的预浸料与位于第四侧面116。接着以一预浸料紧密贴附位于第一侧面113的预浸料、底座110的台面111、柱体120的柱侧面121与位于第三侧面115的预浸料。接着以一预浸料紧密贴附位于第二侧面114的预浸料、位于底座110的台面111的预浸料、位于柱体120的柱侧面121的预浸料与位于第三侧面115的预浸料。于本发明部份实施例中，以预浸料包覆阳模时，作为预浸料包覆的起使面与终止面的阳模表面依序轮替，使得覆盖于阳模的各个表面的预浸料叠层数相近，借此避免形成的工件各区域的厚度不均匀。于本发明其他实施例中，预浸料包覆阳模的叠层数由工件的厚度需求所决定。
于本发明部份实施例中，制备完成的预浸料不经冷藏保存而直接用于包覆阳模。未经冷藏保存的预浸料具有较佳的贴覆形塑性(drapability)，使得预浸料可紧密贴合于阳模表面。如此一来，热压加工形成的工件质量得到提升。
于本发明部份实施例中，经冷藏储存的预浸料在使用前，需先加热预浸料使预浸料软化，再以软化的预浸料包覆阳模。借此，提升预浸料的贴覆形塑性(drapability)，使得预浸料可紧密贴合于阳模表面。如此一来，热压加工形成的工件质量得到提升。加热软化预浸料的温度需低于预浸料的固化温度，以免预浸料软化后再开始硬化，造成预浸料无法紧密贴合于阳模表面。加热软化预浸料的温度例如为55℃至80℃。加热软化预浸料的时间例如为10分钟至20分钟。加热软化预浸料的方式例如为以烘箱烘烤预浸料。
接着，组合被预浸料叠层包覆的阳模与模具的阴膜(S200)。
详细来说，先将离型剂倒入阴模20的模孔212中并预热阴模20。接着，移除多余的离型剂使得留下的离型剂于模孔212壁面形成一离型膜。接着，于阴模20的顶面211涂覆离型剂以形成一离型膜。离型剂例如为型号KF-965的耐高温级硅油(CAS.No.63148-62-9)。预热温度例如为70℃至100℃。接着，将被预浸料叠层包覆的阳模10部分置入阴模20的模孔212中，并且露出阳模10靠近底面112的区域于阴模20的模孔212外以得到组合后的阳模10与阴模20。预浸料叠层露出阴模20的模孔212的部份待热压加工硬化后，做为将阴模20分离预浸料叠层形成的工件以及工件中的阳模10的施力点。
图3为本发明部分实施例组合后的阳模与阴模以及脱模辅助板的剖视图。于本发明部分实施例中，如图3所示更设置一脱模辅助板30于阴模20的顶面211，并使脱模辅助板30的开口31对位于阴模20的模孔212。被预浸料叠层包覆的阳模10部分置入阴模20的模孔212与脱模辅助板30的开口31中，并使阳模10靠近底面112的区域露出于阴模20的模孔212外并穿过脱模辅助板30的开口31。预浸料叠层靠阳模10的底面112的边缘贴覆了数片预浸料，额外贴覆的预浸料同时接触包覆阳模10的预浸料叠层以及脱模辅助板30远离阴模20的表面，借此增强包覆阳模10的预浸料叠层与脱模辅助板30之间的固着力，以便于带动形成的工件以及工件中的阳模10与阴模20分离。于本发明部分实施例中，脱模辅助板30远离阴模20的表面放置有数片垫片40，借此控制脱模辅助板30与热压机的加压板之间的间距，避免后续热压加工时加压板带动阳模10过度压迫预浸料叠层而导致预浸料叠层扭曲变形。
接着，对组合后的阳模与阴模进行一热压加工以固化预浸料叠层以形成一工件与热分解阳模(S300)。
详细来说，以预热后的热压机接触阴模与阳模，此时热压机施加于阴模与阳模的压力为接触压。接着，通过热压机加热组合后的阳模与阴模至预浸料的固化温度后，保持恒温并开始对组合后的阳模与阴模加压。预浸料叠层于固化温度受压加工的过程中发生固化而形成工件。当使用的预浸料的固化温度等于阳模的起始热分解温度时，热压加工包含加热组合后的阳模与阴模至起始热分解温度后，开始保持恒温并加压组合后的阳模与阴模以固化预浸料叠层与热分解阳模。当使用的预浸料的固化温度低于阳模的起始热分解温度时，热压加工包含加热组合后的阳模与阴模至固化温度后，开始保持恒温并加压组合后的阳模与阴模以固化预浸料叠层。接下来，再加热组合后的阳模与阴模由固化温度至起始热分解温度以热分解阳模。
于本实施例中，热压加工包含先以预热后的热压机将组合后的阳模与阴模加热至200℃并保持恒温50分钟。接着，以每分钟3℃至5℃的升温速度将热压机升温至260℃并保持恒温20分钟。接着，再以每分钟3℃至5℃的升温速度将热压机升温至316℃后，以每平方公分19.0公斤重的压力对组合后的阳模与阴模加压并保持恒温120分钟。于热压加工过程中，预浸料叠层中的聚酰胺酸进行亚酰胺化反应形成聚酰亚胺，且聚酰亚胺彼此交联使得预浸料固化。
于本发明部分实施例中，热压加工包含先以预热后的热压机将组合后的阳模与阴模加热至200℃并保持恒温50分钟。接着，以每分钟3℃至5℃的升温速度将热压机升温至260℃后，以每平方公分8.0公斤重的压力对组合后的阳模与阴模加压并保持恒温45分钟。接着，再以每分钟3℃至5℃的升温速度将热压机升温至316℃后，以每平方公分15.0公斤重的压力对组合后的阳模与阴模加压并保持恒温120分钟。于热压加工过程中，预浸料叠层中的聚酰胺酸进行亚酰胺化反应形成聚酰亚胺，且聚酰亚胺彼此交联使得预浸料固化。
于本发明部分实施例中，热压机通过垫板接触阴模与脱模辅助板，借此避免热压机受到待加工物的污染。于本发明部分实施例中，热压机靠近模具的区域以及模具被保温材料围绕以达到保温的效果。
接着，分离阴模以及相结合的工件与脆化的阳模(S400)。
详细来说，将组合后的阳模与阴模将热压机取下后，分别施力于阴模与脱模辅助板以分离阴模以及固着于脱模辅助板上的工件与因热分解而脆化的阳模。于本发明部分实施例中，如图3所示，阴模20顶面211的边缘区域具有四个缺口213，进行脱模时可将一字型螺丝起子由缺口213伸入脱模辅助板30与阴模20之间的空隙，并利用杠杆原理推动脱模辅助板30，以便将阴模20的模孔212中将相结合的工件与脆化的阳模撬出。
接着，将工件移除脆化的阳模(S500)。
详细来说，首先将相结合的工件与脆化的阳模与脱模辅助板分离。接着，将脆化的阳模分裂成体积较小的碎块并将工件中移除。接着，按工件的设计图对工件进行整形与边缘修饰即可得到具有特殊结构设计的工件。于本实施例中，使用锥子将脆化的阳模分裂为体积较小的碎块，以便由工件的开孔移除分裂后的阳模。
本发明一实施例的使用模具的热压成型方法中，由于使用模具进行热压加工。因此，预浸料叠层在热压加工过程中固化形成工件，而可热分解的阳模受热分解而脆化。如此一来，因热分解而脆化的阳模易于被分裂成小块状而将工件移除，解决了目前具有特殊结构设计的工件于热压成型后无法脱模的问题。
综上所述，本发明所公开的模具与使用该模具的热压成形方法，由于阳模于温度等于阳模的起始热分解温度时开始热分解，且热固性材料的固化温度低于或等于阳模的起始热分解温度。因此，对组合后的阳模与阴模进行一热压加工以固化预浸料叠层以形成一工件与热分解阳模。如此一来，在进行脱模时，因热分解而脆化的阳模易于将工件移除，解决了目前具有特殊结构设计的工件于热压成型后无法脱模的问题。
Claims (10)
1.一种模具，用于成形一热固性材料，其特征在于，所述模具包含：
一阳模，该阳模于温度低于该阳模的一起始热分解温度时呈硬化态，该阳模于温度等于该起始热分解温度时开始热分解，该热固性材料的一固化温度低于或等于该起始热分解温度；以及
一阴模，该阴模于温度低于该阴模的一软化温度时呈硬化态，该软化温度高于该阳模的该起始热分解温度。
2.如权利要求1所述的模具，其特征在于，该阳模由硅基聚合物所构成。
3.如权利要求2所述的模具，其特征在于，该起始热分解温度为316℃至325℃。
4.如权利要求1所述的模具，其特征在于，该阴模由金属或金属氧化物所构成。
5.一种使用如权利要求1所述的模具的热压成形方法，其特征在于，所述方法包含：
以多个预浸料包覆该模具的可热分解的该阳模以形成被一预浸料叠层包覆的该阳模；
组合被该预浸料叠层包覆的该阳模与该模具的该阴膜；
对组合后的该阳模与该阴模进行一热压加工以固化该预浸料叠层以形成一工件与热分解该阳模；
分离该阴模以及相结合的该工件与脆化的该阳模；以及
将该工件移除脆化的该阳模。
6.如权利要求5所述的热压成形方法，其特征在于，多个所述预浸料由一纤维布含浸一聚酰胺酸溶液所形成，于该热压加工过程中，该预浸料叠层中的多个聚酰胺酸进行一亚酰胺化反应形成多个聚酰亚胺，且多个所述聚酰亚胺彼此交联。
7.如权利要求5所述的热压成形方法，其特征在于，更包含形成一离型膜于预热后的该阴模的一模孔壁面。
8.如权利要求5所述的热压成形方法，其特征在于，当该固化温度等于该起始热分解温度时，该热压加工包含：
加热组合后的该阳模与该阴模至该起始热分解温度；以及
保持恒温并加压组合后的该阳模与该阴模以固化该预浸料叠层形成该工件与热分解该阳模。
9.如权利要求5所述的热压成形方法，其特征在于，当该固化温度低于该起始热分解温度时，该热压加工包含：
加热组合后的该阳模与该阴模至该固化温度；
保持恒温并加压组合后的该阳模与该阴模以固化该预浸料叠层形成该工件；以及
加热组合后的该阳模与该阴模由该固化温度至该起始热分解温度或该起始热分解温度以上以热分解该阳模。
10.如权利要求5所述的热压成形方法，其特征在于，以该预浸料叠层包覆该模具的可热分解的该阳模的步骤包含：
加热软化多个所述预浸料；以及
以软化后的多个所述预浸料包覆该模具的可热分解的该阳模以形成被该预浸料叠层包覆的该阳模。
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