CN113618978B - 一种可回收的简易模具及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于简易模具生成技术领域，具体涉及一种可回收的简易模具及其制备方法。其是以金属粉末和粘结剂为原料，混炼定型后经机械加工得到的，其中粘结剂为热塑性工程高分子材料，所述粘结剂的玻璃化转变温度在200℃以上。所述制备方法包括混炼、定型、机械加工和回收。本发明提供的技术方案与现有技术相比具有如下优势：通过金属粉末与热塑性粘结剂获得的简易模具，与现有技术中采用高密度金属相比，成本低，加工易，并且具有足够试模的强度，最重要的事，本发明提供的技术方案中没有进行烧结，并且粘结剂加热可还原，因此加工模具中产生的边角料或者报废模具可以通过混炼再次使用，回收利用率极高。

Description

一种可回收的简易模具及其制备方法
技术领域
本发明属于简易模具生成技术领域，具体涉及一种可回收的简易模具及其制备方法。
背景技术
模具成型是一种广泛使用的产品成型方法，特别是对于一部分塑料制品来说，注射模具成形更是因其使用性广、加工方便、效率高等优点被大量使用。当然依照不同的需求，注射模具除了加工纯的高分子材料，可以注射以高分子材料为主的各种产品，比如以金属或陶瓷粉末混合高分子形成的喂料，成为金属或陶瓷零件制造的制备作业来获得产品生坯，再进行脱脂与烧结得到最终的产品；亦可以发展到耐高温模具如压铸成形法，利用注射成形的原理而发展的高温熔体注射技术。
对于产品设计师来说，获得数个样品来进行下一阶段的产品改良和验证设计是非常重要的步骤，不同于快速手板和原型的制作，模具品是以真实的材料经过高压与高温的注射填充模穴，产品的品质较高没有孔隙，因此简易阶段性使用的模具的需求很大，但是往往使用完之后这些模具便成为废铁，甚为可惜。
另外对于一些需求量较少的产品，如果采用现有模具成型方法和材料则开模成本过高，因此限制了该类产品采用这种成型方法，如果可以大幅降低原料成本则这类产品就可以采用注塑成型来实现小批量高品质产品的生成。
发明内容
本发明提供了一种可回收的简易模具及其制备方法，用以解决目前模具原料成本高、无法回收的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：所述可回收的简易模具，是以金属粉末和粘结剂为原料，混炼定型后经机械加工得到的，其中粘结剂为热塑性工程高分子材料，所述粘结剂的玻璃化转变温度在200℃以上。
可选地，所述粘结剂选自PA(聚酰胺)、PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯)、PPS(聚苯硫醚)、PEEK(聚醚醚酮)、PEKK(聚醚酮酮)和LCP(液晶高分子中的一种以上。
可选地，所述金属粉末选自铁系低合金钢、不锈钢合金或硬质合金。
可选地，所述金属粉末为等轴状外形，所述等轴状外形是指物体的等轴度在0.8以上，所述金属粉末的粒径为5-50μm。
所述等轴度的定义为任意一条通过形心的线长与任取十条通过形心线长平均值的比值。
本发明还提供了上述可回收的简易模具的制备方法，其包括如下步骤：
S1混炼：将金属粉末与粘结剂放置于混料机中进行升温混炼，形成团块体；
S2定型：将团块体转移至模型中，控温抽真空并施压，待冷却后脱模得到材料块；
S3机械加工：随后根据产品模具设计要求对材料块进行数控加工，获得简易模具；
S4回收：从所述材料块上切除的余料或所述简易模具不使用时，重新投入混炼机可再次形成团块体、再经S2和S3可形成新的简易模具。
可选地，步骤S1中金属粉末和粘结剂的体积比为(50:50)～(70:30)。
金属粉末含量过高，则由于粉末间摩擦力太大，导致内部升温会使粘结剂蒸发，整体粘结性不够，如果金属粉末含量过低，则加工出的材料强度不足，无法作为模具使用。
可选地，S1中所述混炼温度为依据不同粘结计熔点而设定(220～350℃)，混炼后形成的团块体的流动指数为500-1000g/10min(以ISO1133,根据喂料熔点温度220～350℃，测定流动指数的参数为负荷21.6kg，毛细管口模直径2mm)。
所述流动指数是指在材料在某一温度下施加特定负荷，测定流体在10min内通过标准口模的质量。可选地，S2中控温温度为240-380℃，抽真空真空度在500torr以下，施压的压力在50MPa以上。
S2控制的温度一般需高出所选粘结剂材质熔点的20℃为宜。
可选地，S2中所述模型为正方体、长方体、锥体、锥台、圆柱体、圆锥体或圆台，优选正方体或长方体。
可选地，S2中采用压制机来实现，所述压制机包括固定所述模型的载台和与所述模型开口相配合的压模块，所述载台为模型加热，所述压模块压入模型中挤压内置的团块体使其填满模型内腔并定型，所述压模块上设有真空抽气孔。
本发明提供的技术方案与现有技术相比具有如下优势：通过金属粉末与热塑性粘结剂获得的简易模具，与现有技术中采用高密度金属相比，成本低，加工易，并且具有足够试模的强度，最重要的事，本发明提供的技术方案中没有进行烧结，并且粘结剂加热可还原，因此加工模具中产生的边角料或者报废模具可以通过混炼再次使用，回收利用率极高。
附图说明
图1是实施例1中所述注射模具的结构示意图；
图2是可回收的简易模具生成回收过程流程示意图；
图3是实施例1中所述S2定型步骤的示意图；
图4是强度测试时样品形状的示意图。
图中所示：
11-模具架、12-前模仁镶件、13-后模仁镶件、14-进胶孔位、15-顶针孔位、21-团块体、22-模型、23-载台、24-压模块、25-真空抽气孔，26-材料块。
具体实施方式
为了便于理解，下面结合实施例阐述所述一种可回收的简易模具及其制备方法，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位和位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
目标是成型如图1所示的一种临时性金属模具，具体是指位于模具架11中的前模仁镶件12和后模仁镶件13，在前模仁镶件12上除了产品型腔外还存在进胶孔位14，在后模仁镶件13上除了产品型腔外还存在若干顶针孔位15，产品的原料为HDPE(高密度聚乙烯)，熔点约为135℃。
前模仁镶件12和后模仁镶件13的成型方法类似，以其中之一的产品型腔成型过程为例，阐述可回收的简易模具的成型方法。
如图2所示，可回收的简易模具的生成回收过程大致如下：
S1混炼：将金属粉末与粘结剂放置于混料机中进行升温混炼，形成团块体；
其中所述金属粉末为不锈钢316L，其外形为等轴体，等轴度为0.8以上，粒径为d50＝10μm，所述等轴度及粒径是采用粒径分布仪测试获得；需要选择较小的粒径，否则无法混炼成团；
其中粘结剂为热塑性高分子材料可以是PA(220℃)、PBT(220℃)、PPS(270℃)、PEEK(340℃)、PEKK(340℃)或LCP(350℃)，，括号内其对应的玻璃化转变温度，本实施例中采用的是PPS(270℃)。
步骤S1中金属粉末和粘结剂的体积比为60:40；
混炼成的团块体流动指数约为850g/10min(以ISO1133,根据喂料熔点温度250～300℃，测定流动指数的参数为负荷21.6kg，毛细管口模直径2mm)流动指数过小无法保证后面一步压制过程可以填充充分均匀和致密，如果流动指数过大，则后续冷却时长就需要大大延长。
S2定型：如图3所示，将团块体21转移至模型22中，所述模型22为长×宽×高＝250×250×120mm的长方体，采用压制机实现，所述压制机包括固定所述模型22的载台23和与所述模型22开口相配合的压模块24，所述载台23为模型22加热，所述压模块24压入模型22中挤压内置的团块体21使其填满模型22内腔并定型，所述压模块24上设有真空抽气孔25，保持模型22的温度在290℃，也就是保证团块体21的流动性的基础上，通过真空抽气孔25抽真空并通过压模块24施加压力，使团块体21充满模型22并分散均匀，压制紧实，然后降温冷却后脱模得到材料块26；
S3机械加工：随后根据产品模具设计要求对材料块26进行数控加工，获得简易模具一；
S4回收：数控加工过程中从所述材料块26上切除的余料或所述简易模具不使用时，重新投入混炼机可再次形成团块体、再经S2和S3形成新的简易模具二。
实施例2性能测试
将实施例1制备的简易模具一和回收料加工的简易模具二，进行强度和加工模次进行测试，实验数据如表1所示。
其中强度测试过程及条件为使用车削的拉伸长圆棒，如图4所示，(直径10mm，中间长度为50mm；两侧直径长度为15mm,两侧长度为30mm)
模次测试为加工的模仁镶件用于注射成型中，检验产品质量，具体为每件注射坯的单重、毛边观察和尺寸观察，模次数为能保持产品质量的次数。
表1
注射机注射压力60MPa 强度测试 模次测试
简易模具一(首次料) 120MPa 385次
简易模具二(回收料) 118MPa 350次
根据表1可以发现，回收后再次成型的模具，强度及模次基本没有变化，完全可以重复利用。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种可回收的简易模具，其特征在于，是以金属粉末和粘结剂为原料，混炼定型后经机械加工得到的注塑模具，其中粘结剂为热塑性工程高分子材料，所述粘结剂的玻璃化转变温度在200℃以上，所述金属粉末为等轴状外形，所述等轴状外形是指物体的等轴度在0.8以上，所述金属粉末的粒径为5-50μm，所述混炼定型方法为将金属粉末与粘结剂放置于混料机中进行升温混炼，形成团块体，将团块体转移至模型中，控温抽真空并施压，待冷却后脱模得到材料块；所述金属粉末选自铁系低合金钢、不锈钢合金或硬质合金。
2.根据权利要求1所述可回收的简易模具，其特征在于，所述粘结剂选自PA、PBT、PPS、PEEK、PEKK和LCP中的一种以上。
3.权利要求1-2任一所述可回收的简易模具的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1混炼：将金属粉末与粘结剂放置于混料机中进行升温混炼，形成团块体；
S2定型：将团块体转移至模型中，控温抽真空并施压，待冷却后脱模得到材料块；
S3机械加工：随后根据产品模具设计要求对材料块进行数控加工，获得简易模具；
S4回收：从所述材料块上切除的余料或所述简易模具不使用时，重新投入混炼机可再次形成团块体、再经S2和S3可形成新的简易模具。
4.根据权要求3所述制备方法，其特征在于，步骤S1中金属粉末和粘结剂的体积比为（50:50）~（70:30）。
5.根据权要求3所述制备方法，其特征在于，S2中控温温度为240-380℃，抽真空真空度在500torr以下，施压的压力在50MPa以上。
6.根据权要求3所述制备方法，其特征在于，S2中所述模型为正方体、长方体、锥体、锥台、圆柱体、圆锥体或圆台。
7.根据权要求3所述制备方法，其特征在于，S2中采用压制机来实现，所述压制机包括固定所述模型的载台和与所述模型开口相配合的压模块，所述载台为模型加热，所述压模块压入模型中挤压内置的团块体使其填满模型内腔并定型，所述压模块上设有真空抽气孔。
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