CN1171704C - 制造模具的方法 - Google Patents

Abstract

使用制造模具在涂覆磨具上制造设计表面，使之变成多用途产品，所述制造模具是根据快速原型制造技术使用凸形工具制造的。

Description

制造模具的方法

发明背景

本发明涉及用于制造操作的工具的制造方法。这种特定用途用的工具可用来在一表面上模制、压花或印刷出所需的图形。这种工具(下文称为“图形形成工具”)可以是滚筒的形式(其表面上具有所需的图形)或者是个简单平板或带子(在其表面上形成了图形)。

本发明的主要目的是创造出用来制造涂覆磨具的工具，所述磨具的表面上设计成能提供特别需要的效果。将以这个主题作为重点描述本发明，但是应该理解可以修改本发明来适应许多印刷、成形或压花用途的需要，这些用途与涂覆磨具没有直接的联系，但是它们都需要快速、多用途和经济的技术来制造表面具有复杂图形的工具。

具有设计表面的涂覆磨具可通过在表面上沉积包含分散在可固化粘合剂中的磨粒的层来形成。粘合剂经常(但不是必须)是辐射固化的粘合剂，磨粒可以是任何常用于涂覆磨具的磨粒，包括熔凝和烧结的氧化铝、碳化硅、氧化铝/氧化锆、超级磨粒(如正六面体氮化硼)、复合铝/镁硼化物和钻石以及用于研磨软材料(例如，包括二氧化硅的玻璃、α-氧化铝前体和二氧化铈)的软磨粒。可通过模制或者压花或者轮转凹板印刷沉积技术来形成表面，所述技术参见USPP5014468、5152917、5840088和5863306。

通常，有利的是提供包括许多重复形体的表面，这些形体是严格相等的且规则排列的，但是对于许多其他用途，却需要将许多形体以图形形式安排在表面上，所述图形体在整个表面成形工具中互相不同和/或以不规整的图形安排。这种对于规则性的偏差可以有效地避免在研磨基材表面上产生擦伤图形或划线。但是，对于这种非规整性的需要使制造表面形成工具(通常通过在工具表面压花出适当的图形来制造)变得更加困难，这在技术上是有挑战性的，因为在工具表面上连续直线形式的压花得不出所需的非规整图形。

另外，工具表面上经常要作一定的妥协，因为按照每个特定用途制造专门设计的工具的费用是相当大的。另一个复杂的因素是由于工具与磨料接触，使用没有多久它就其被磨蚀或另外变形了。

因此，需要一种用于制造多用途表面仿形或成形工具的快速而经济的方法。本发明正是提供这种方法以及使用这种方法制造的工具。所制造的工具可以适用于多种表面加工的方法，包括模制、压花、轮转凹板印刷沉积和/或印刷。但是如上述，本发明的描述的主要目的是制造适用于制造有图形的(或者“经设计的”)涂覆磨具产品的工具

发明描述

本发明提供了一种制造具有设计图形表面的涂覆磨具的方法，所述方法的特征是适用快速原型制造技术制造的工具，来产生表面上的图形。

具有设计图形表面的涂覆磨具，通常是具有基材和沉积在背衬上的磨粒层的涂覆磨具，该磨料层包含分散在固化粘合剂中的许多磨粒。磨粒层的表面设计成这样的图形，所述图形通常提供许多厚度大于层的平均厚度的部位。该图形包括许多规则重复的单元，但是在每个单元内部，图形是多少无规则的。具有设计图形表面的涂覆磨具的典型例子可参见USPP5152917、5454844、5489235、5658184、5672097、5681217、5833724、5840088和5863306。

用于制造具有图形表面的技术，包括轮转凹板印刷术、压花和模制。因此，可以使用的工具，例如有包括模具、压花辊或凹印辊。

其他技术包括，在工具上划出平行三角形凹槽，然后在与第一批平行三角形凹槽成直角的方向，再划出一些平行凹槽，在表面上留下许多方形基底的角锥体。这种表面可直接用作成形工具或者可用来模制出其反相的表面。这种技术可参见USP5300263。其他在辊上划刻或滚花出图形的方法包括USPP4478769、54358116、5489235和5946991。所有这些方法需要制造刀具，所述刀具必须连续而仔细的对准，能够被重复制造的这种类型的图形受到严格的限制，且在平行线之间互相排列在一起。

本发明可以在选择图形上是没有限制的，限制受到的只是一个特定的RPM机所能加工表面的尺寸。无论用何种技术，本发明需要使用能够通过快速原型制造(“RP”)技术制造的工具，且其使用、报废或复制不需要太多的费用。

附图

图1是三种不同表面(1(a)、1(b)和1(c))的俯视图，所述表面能用RP技术，但不能通过常规划线技术制造。

图2是使用本发明的方法制造制造模具的流程图。

图3是制造涂覆磨具的三个阶段的俯视图。从左到右，这三个图分别是通过RP技术制造的“阳模板”；从阳模板制得的聚硅氧烷模制模板(凹形)；通过对一浆料层适用由聚硅氧烷模制制成的制造模具压花制得的具有设计表面的磨具，所述浆料包含分散有磨粒的可固化粘合剂。

较佳实施方式的描述

快速原型制造技术具有许多下文将讨论的实施方式，但是，可以理解，有许多技术超过了下文所描述的，它们也适用于本发明，并具有同样的基本特征，即：

1)使用计算机设计所需的表面图形；

2)将图形转变成计算机程序，该图形可归结为许多水平薄片，所述水平薄片互相叠置在一起时可以形成所需的图形；

3)将该图形实现成为原型成形工具；

4)使用该原型形成制造模具。

现在进一步详细讨论在这种制造方法范围内的各种技术。

快速原型制造方法

术语“原型制造技术”用来描述许多这样的技术，通过这种技术可以快速和完整生成氧模板形状表面的原型。所有这些技术都是将一计算机文件转变成一个实际物体的。计算机文件可由一个计算机辅助设计程序(通常所说的“CAD程序”)生成，该计算机辅助设计程序能够设计一种形体，然后在三维空间从不同角度描述这种形状。由于不同的原因，程序产生“STL”文件格式的图形。“STL”是“立体平版印刷术”的缩写，通过这种技术，文件可用来生成阳模板。但是，可通过许多其他技术(将在下文进一步描述)把这种STL文件转换成阳模板。

市场上有许多CAD设计软件包的供应商，包括购自Unigraphics的“Solidedge”；购自Solid Concepts的“SolidView”；Solidworks和Autocad2000。图形可以以不同于STL文件的格式保存，例如bkDWG/DXF、IDEAS、IGES和VRML文件。

快速原型制造机通常(但不总是)以相同的原理工作：通过CAD机产生文件(例如STL文件)，操作该文件产生穿过图形的一系列水平部分，从而整个形体就转变成多个水平薄片。接着使用程序通过常规技术(一些技术将在下文描述)依序制出每个薄片的物质形式，使得将一个薄片沉积在先已沉积的薄片的上面，依序进行就形成了三维的所需图形。

快速原型制造技术有许多具体实施方式，但这些所有实施方式都使用了一种公用的方法，即使用“计算机辅助设计”程序在计算机中创造所需的表面。这种程序产生可任意从所有角度可视的投影图形的计算机图象。接着使用这种图形产生制造模具，所述工具则用来在涂覆磨具上制造所设计的有图形的表面。

可以使用多种方法来形成制造模具，但是在大多数情况下，RP技术可制造较小表面区域的图形，通常不大于一平方英尺。因此，对形成大尺寸适合的商用工具来说，需要将该图形复制，然后把一个个图形连接起来。当然这也提供了一种机会，通过使用不同的各个图形，改变在涂覆磨具表面上形成的图形。因此，可以认为制造模具可以且经常能包括许多相似或不同的RP生成的单元。

RP技术可用来制造阳结构或阴结构的图形。按照图形，可能需要制造二级成形工具，它是通过RP技术制造的图形反相：即如果RP技术制造了一个阳图形，但需要使用它来制造一个阴图形，当然也可能是相反的情况。这种方法的好处，是不仅可以得到RP生成的图形和重复使用它们来生成许多反相的复制图形，而且也可以用来快速而经济地使用RP机再生成它来代替。

RP技术具有许多实施方式，可直接使用计算机控制的沉积程序制造模具。这种类型的典型方法为“激光操纵精密成形”(Laser Engineered Net Shaping)，由气流携带的熔融金属液滴流以三维图形的形式敷设，所述图形通过由程序产生的结构“薄片”的连续沉积所决定。

但是，RP技术多的是用来制造中间物，中间物本身也可用来形成制造模具。

通过RP技术得到中间物的一个常规技术是，把带有一片基材的台板浸入辐射固化树脂的浴中，该台板恰好置于液面以下。接着RP机以它所产生的第一层所决定的图形式样将激光束照射到树脂浴的表面。激光引起照射到的树脂发生交联和固化，因此以树脂的形式复制了第一层薄片。接着降低台板，使之恰好在浴面以下，再次照射激光，制造对应于第二层薄片的固化树脂形体。重复这个流程，直到所有的薄片都已经被复制，就产生了一个固体树脂结构体它(包括依次沉积和相互熔凝的薄片)，该结构体严格对应于CAD机所设计的形状。接着用此提供阳模板。合适的装备得自3D Systems、Aaroflex、Fockele & Schwartze(在德国)和CMET/Mitsubishi、Mitsui、Teijin和Seiki Denken(在日本)。

另一种的技术是改性的喷墨沉积技术，是先把热塑性聚合物熔化，然后将其从喷墨头中沉积到用台板所支撑的基材上。液滴以由RP程序所决定的图形形式敷设，这就再一次将原来的CAD输出转换成一系列薄片。液滴接触在沉积表面时就固化，在第一薄片完成后，台板再下降一点，在第一薄片的上面形成第二薄片。后续的一薄片叠在前一薄片的上面，直到以热塑性聚合物为材料的CAD形体复制出来。合适的设备为3D Systems、Sanders Prototype和Optometric。

可以用相似的技术将金属粉末与聚合物熔体一起沉积。沉积的许多层形成所需的结构体，接着烧去用来粘合粉末颗粒的聚合物，这样颗粒就烧结形成最终的形状。合适的设备得自Z-Corp(使用不用烧去的淀粉-纤维素体系)、Soligen、Extrude Hone和Therics。如果需要的话，得到的形体可通过研磨进一步使形体精确。

如果需要悬垂的形体，可以先在台板上设置一个临时的支撑层，在所需的悬垂形体制成后将支撑层溶解掉。(这主要应用于聚合物喷墨沉积机。大多数其他机必须使用普通造型材料形成支撑层；这些支撑层在制好悬垂形体后必须用手除去。)

人们已经开发了一种类似技术，是使用悬浮在气流中的熔融金属液滴代替聚合物。但是，其操作原理相似，有时叫作“激光操纵精密成形”即“LENS”。

另外，RP机能够从合适的材料(例如塑料或金属薄板)上切下一系列薄片，这些薄片然后以指明的顺序一片片叠起来，直到制造出所需的形状。这种实施方式可以理解为上述连续制造方法的变体。适合使用这种技术用于本发明的设备制造商包括日本的Helisys Corp.、Schroff Development Corp.和Kira KK以及新加坡的Kinergy。

另外一种技术是使用激光引起选择性的熔化或烧结。如前所述，把粉末层置于基体上，激光束以由RP设备确定的图形投射在粉末层上。粉末(可以是塑料、金属、蜡或涂覆陶瓷)就在被激光照射的区域形成熔凝称为连续层。接着降低基材，再在第一层上面沉积新的一层粉末层，用激光熔凝之，重复进行直到完成所需的结构体(包括许多叠加的层)。在这种方法中使用的设备购自DTM Corporation和EOS GmbH(在德国)。

上述所有技术都可使用来制造阳模板或阴模板。

阴图形的形成

然后可使用阳模板制造阴图形，(反之亦然)，较好是使用一种简单的“吻合模制”(kiss-molding)方法，是将一种可模制材料与阳模板接触，使之与模板表面保持吻合，然后在那个位置固化，接着从阳模板中取出，得到对应于阳模板表面轮廓的精确阴图形复制品。用来制造阴图形的材料可以是任何合适的热塑性或热固性树脂，但是由于许多原因(如成本、成形性能、脱膜特性、惰性等)，优选使用加成固化的聚硅氧烷聚合物。可使用同样的阳模板复制大量的阴图形，因为在每次模制操作中对阳模板的损坏很小。因此，可使用同一阳模板制造基本上无限量的阴图形，制造具有种种阳模板的库存，就能使生产线具有最大的灵活性。另外，可使用RP机相当快而经济的制造与原来形状一样的阳模板。

制造模具

若需要具有阳图形表面的制造模具，就使用阴图形来制造该工具，其过程是将该图形粘着到有适当尺寸和构造的基材表面上。例如，阴图形可粘着到一个压花辊的表面，从而当使用此辊时，阴图形表面就起着压花的作用。当然在制造过程的这个部分并不一定要使用辊，可以使用平板替代。

通常，制造模具的表面明显大于由阳模板制造的阴图形片。在这种情况下，可对模板进行复制，将许多复制的样品(可以是由相同或不同的模板复制的)组装起来，形成所需尺寸的大模板，再使用该大模板形成制造模具。可通过常规的吻合模制技术使用树脂材料方便地形成制造模具。或者，使用RP技术制造大量阳模板，并将它们组装起来形成大的阳模板，然后由这个大的阳模板制造阴模板，其表面积足够大，能覆盖整个制造模具的表面。

在有些条件下，需要大的具有阳图形表面的制造模具，这可根据本发明来完成，即把一些阴图形片粘着起来形成图形的面向内的圆筒。接着将支撑圆柱体套入由阴图形拼装的前述圆筒中，在支撑圆柱体与前述圆筒内表面之间的留有一定空间作为模具。接着将一模塑组合物(例如可固化聚硅氧烷树脂)倒入该模具，并在模具中固化形成有阳图形的圆柱面。选择由阴图形片形成的圆筒的尺寸，可制造无缝套筒，其刚好能覆盖一个辊，用作压花辊来形成制造模具。

可以调整制造模具，使其适合用于其他成形方法，例如在一设计的表面形成特殊的表面构造，是使包含辐射固化的粘合剂实际上在与制造模具接触的情况下固化。此时所用的制造模具用辐射透明的材料制造，使得当辐射通过制造模具材料时就发生固化反应。如果要形成设计表面的背衬材料是个透明薄膜，那么当辐射通过背衬时也会发生固化反应。同样地，它也可用来形成热塑性表面，是先加热热塑性材料，然后对软化的热塑性材料进行压花。

其次，可使用制造模具来制造涂覆磨具的设计表面。要在其上面制造设计表面的表面包含可固化树脂，树脂中分散有磨粒和可选择的其他添加剂，例如润滑剂、填料、研磨助剂、粘合控制添加剂、固化促进剂等，以及两种或更多种上述材料的混合物。该可固化树脂能够通过加热或水分或化学反应进行固化，但是优选的是使用辐射来固化树脂，即是将其接受UV、可见光或电子束的照射来引起硬化，此时也可选择地使用固化引发剂或促进剂(“助剂”)。

制造模具可以是个模具，在其中粘合剂在与工具接触的条件下进行至少部分的固化。它也可以是个压花辊或压花平板，它在粘合剂固化引发以前除去。所有这些工具都可使用RP方法制造，接着根据本发明的方法使用这些工具制造设计表面，该设计表面的形貌的复杂程度是现有技术所不能比拟的。

Claims (9)

1.一种制造具有设计表面的涂覆磨具的方法，它包括：

a)使用快速原型制造技术制造母模板；

b)使用所述母模板作为形成制造模具单元的模具；

c)将所述单元装配起来形成具有图形表面的制造模具；

d)将其中分散有磨粒的粘合剂树脂层沉积在基材上；

e)使用制造模具在该层上形成所需的图形；

f)使可固化的粘合剂树脂固化，制造具有设计表面的涂覆磨具。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述制造模具的形式选自压花的板、辊、带或网。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述粘合剂树脂在与制造模具接触时固化。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述快速原型制造技术使用立体平版印刷术。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述立体平版印刷术采用喷墨沉积技术。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述快速原型制造方法制造一种阳母模板。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述可固化树脂粘合剂为辐射固化的树脂。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于除了分散在可固化粘合剂中的磨粒，粘合剂还包含其他助剂，所述助剂选自研磨助剂、润滑剂、固化助剂、填充剂、粘合控制添加剂和它们的混合物。

9.一种制造涂覆模具的方法，它包括：

使用三维印刷技术制造母模板；

使用所述母模板形成制造模具；

提供基材，所述基材具有一层包含磨粒和树脂的层；

使用所述制造模具在所述表面层上形成图形；以及

固化所述形成图形的表面层，以制造具有设计表面的涂覆模具。

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