TW202216408A

TW202216408A - 具有強化結構的快速模具的製造方法

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Publication number: TW202216408A
Application number: TW109135616A
Authority: TW
Inventors: 郭啟全
Original assignee: 明志科技大學
Priority date: 2020-10-15
Filing date: 2020-10-15
Publication date: 2022-05-01
Also published as: TWI761990B

Abstract

一種具有強化結構的快速模具及其製造方法。該快速模具適用於製作一原型工件的複製品。該原型工件具有一供翻印的原型表面。該快速模具包含一主模體及一強化結構。該主模體包括一主體成型面。該主體成型面適用於互補於該原型表面的形狀。該強化結構設置於該主模體內，且該強化結構的機械強度優於該主模體的機械強度。藉由該主模體包覆於該強化結構，製得可用於仿製該原型工件的快速模具，同時，該強化結構的機械強度優於該主模體的機械強度，如此，可使得該快速模具整體的機械強度提升，達到該快速模具用於射出成型的過程中耐壓且不易變形的目的。

Description

具有強化結構的快速模具及其製造方法

本發明是有關於一種模具及其製造方法，特別是指一種由可固性複合材料製作而成的快速模具及其製造方法。

隨著市場需求變化快速，使得新開發的產品的生命週期縮短，為了符合市場需求以及提升新產品在市場中的競爭優勢，在產品開發領域中必須縮短新產品的開發週期，因此，在新產品的開發過程中，通常會使用製造成本低廉且容易製造的快速模具來完成新產品的快速試製。現有的快速模具最常使用的是透過環氧樹脂與鋁粉所調配而成的金屬樹脂來製作，然而，利用金屬樹脂所製成的快速模具在試樣產品試製的過程中，容易因為射出成型的壓力過大而導致快速模具變形，使得試樣產品產生溢料的問題。

因此，本發明的目的，即在提供一種能耐壓且不易變形的具有強化結構的快速模具。

於是，本發明具有強化結構的快速模具適用於製作一原型工件的複製品。該原型工件具有一供翻印的原型表面。該快速模具包含一主模體及一強化結構。該主模體包括一主體成型面。該主體成型面適用於互補於該原型表面的形狀。該強化結構設置於該主模體內，且該強化結構的機械強度優於該主模體的機械強度。

在一些實施態樣中，該快速模具還包含一表層結構。該表層結構包覆於該主模體外圍，並包括兩相反的一表層貼合面及一表層成型面。該表層貼合面貼靠且結合於該主體成型面。該表層成型面適用於互補於該原型表面的形狀。

在一些實施態樣中，該表層結構的厚度為5公釐至10公釐。

在一些實施態樣中，該強化結構與該主模體為相似形態。

在一些實施態樣中，該強化結構包括數個彼此堆疊排列的基體單元。

在一些實施態樣中，每一基體單元的橫截面為六角形，使該強化結構呈現為蜂巢結構。

在一些實施態樣中，每一基體單元的橫截面為X字形，使該強化結構呈現為肋型結構。

在一些實施態樣中，每一基體單元的縱截面為三角形，使該強化結構呈現為桁架結構。

本發明之另一目的，即在提供一種前述的該快速模具的製造方法。

於是，本發明具有強化結構的快速模具的製造方法，藉由一原型工件及一模框進行。該原型工件具有一供翻印的原型表面。該製造方法包含以下步驟：

一步驟(A)，利用一翻製方法以該原型工件的該原型表面，製作一中介模具。該中介模具具有一對應於該原型表面的翻印表面。

一步驟(B)，將該中介模具設置於該模框內，並使該翻印表面朝外開放。

一步驟(C)，將一可固性的複合材料塗佈於該模框的內表面以及該中介模具的該翻印表面之後，加熱使該複合材料固化形成一表層結構。該表層結構包括兩相反的一表層貼合面及一表層成型面。該表層成型面互補於該翻印表面的形狀。

一步驟(D)，將一強化結構設置於該模框內，且貼靠於該表層貼合面。該強化結構的機械強度優於該複合材料固化後的機械強度。

一步驟(E)，將該複合材料澆注於該模框內之後，加熱使該複合材料固化形成一包覆於該強化結構的主模體。且該主模體貼合該表層結構的該表層貼合面。

一步驟(F)，將該表層結構、該主模體與該中介模具移出該模框，並將該表層結構與該主模體的組合體與該中介模具分離，以完成該快速模具的製作。

在一些實施態樣中，該步驟(D)是將數個基體單元以堆疊方式排列，形成該強化結構。

在一些實施態樣中，該步驟(D)是將該等基體單元依據該主模體的相似形態彼此排列堆疊，使該強化結構呈現為該主模體的順型形態。

於是，本發明具有強化結構的快速模具的製造方法，藉由一模框及一原型工件，該原型工件具有一供翻印的原型表面，該製造方法包含以下步驟：

一步驟(D)，將一強化結構設置於該模框內，且貼靠於該翻印表面。

一步驟(E)，將一可固性的複合材料澆注於該模框內之後，加熱使該複合材料固化形成一包覆於該強化結構的主模體。該主模體具有一互補於該翻印表面的主體成型面。該主體成型面適用於互補於該原型表面的形狀。其中，該強化結構的機械強度優於該複合材料固化後的機械強度。

一步驟(F)，將該主模體與該中介模具移出該模框，並將該主模體與該中介模具分離，以完成該快速模具的製作。

本發明之功效在於：藉由該主模體包覆於該強化結構，製得可用於仿製該原型工件的快速模具，同時，該強化結構的機械強度優於該主模體的機械強度，如此，可使得該快速模具整體的機械強度提升，因此，能達到該快速模具用於射出成型的過程中耐壓且不易變形的目的。除此之外，藉由與該主模體相同材質的該表層結構包覆於該主模體外圍，可避免該快速模具的該強化結構顯露於模具的表面，使該快速模具的表面為一體成形的結構而無接縫。如此，在該快速模具用於射出成型的製程時，能避免射出成型的高壓塑料由接縫處溢入的情形，同樣也能達到該快速模具耐壓且不易變形的目的。

參閱圖1與圖8，為本發明具有強化結構2的快速模具100的一實施例。該快速模具100適用於製作一原型工件5的複製品。該原型工件5可以是任意的物體結構，且具有一供翻印的原型表面51。也就是說，利用該快速模具100，並搭配射出成型的製程，即可生產該原型工件5的複製品。

該快速模具100包含一主模體1、一強化結構2及一表層結構3。該主模體1包括一主體成型面11。該主體成型面11適用於互補於該原型表面51的形狀。在本實施例中，該主模體1的材質為一可固化的複合材料(圖未示)，例如：金屬樹脂。詳細的說，金屬樹脂的材料成分包含環氧樹脂與鋁。其中，環氧樹脂的成分比例佔金屬樹脂的20%~30%，鋁的成分比例佔金屬樹脂的70%~80%。在本實施例中，該主模體1是以成分比例為15%的環氧樹脂與成分比例為85%的粉末狀的鋁所構成的金屬樹脂為例說明。

該強化結構2設置於該主模體1內，並包括數個彼此堆疊排列的基體單元21。在本實施例中，該強化結構2的材質為麻時效鋼。然而，該強化結構2的材質也可以是不銹鋼、高溫合金鋼、鋁合金鋼、鎂鋁合金鋼或陶瓷材料等高硬度的材料，使該強化結構2的機械強度優於該主模體1的機械強度，不以特定材質為限。

在本實施例中，該等基體單元21是以3D列印的方式製作，使得該等基體單元21的精細度範圍為10微米至50微米之間，同時也使得該等基體單元21的最小結構尺寸為1立方公釐。此外，該強化結構2的結構類型共有三種。其中一種類型為蜂巢結構，是透過橫截面為六角形的該等基體單元21堆疊排列所構成。第二種類型為肋型結構，是透過橫截面為X字形的該等基體單元21堆疊排列所構成。最後一種類型為桁架結構，是透過縱截面為三角形的該等基體單元21堆疊排列所構成。在本實施例中，該強化結構2是以六角形的該等基體單元21堆疊排列所構成的蜂巢結構示例，透過此特殊設計的力學結構(例如：蜂巢結構)，能增加單位面積下所能承受的壓力，使得包覆於該強化結構2的該主模體1的機械強度優於未包覆該強化結構2的該主模體1的機械強度，而能達到該快速模具100耐壓且不易變形的目的。

同時，該強化結構2與該主模體1為相似形態。也就是說，該強化結構2可以是形狀近似該主模體1的等比例縮小的相似結構，或是形狀略有差異的縮小化結構。如此，使得該主模體1表面至該強化結構2的厚度均勻，而能將該主體模所承受的應力均勻分散至該強化結構2，進而增加本實施例的耐壓能力。更具體來說，該快速模具100可透過變更該等基體單元21的結構形狀或變更該等基體單元21的排列堆疊方式，調整該強化結構2的型態設計，使得該快速模具100的機械強度是可調控的。也可以透過調整該強化結構2的尺寸大小或是該強化結構2的材質，同樣可以達到調控該快速模具100的機械強度的目的。

該表層結構3包覆於該主模體1外圍，並包括兩相反的一表層貼合面31及一表層成型面32。該表層貼合面31貼靠且結合於該主體成型面11。該表層成型面32對應該主體成型面11的形狀，且適用於互補於該原型表面51的形狀，使該快速模具100用於射出成型製程時，能製造互補於該表層成型面32且對應該原型表面51的成品，以完成該原型工件5的複製品的製作。當該快速模具100的尺寸為50公釐至300公釐時，該表層結構3的厚度為5公釐至10公釐，在此厚度範圍內，該表層結構3可以是透過塗佈方式製作完成，並且該表層結構3的厚度相對於該強化結構2的長度、寬度與高度皆不大於12.5%，如此可在該表層結構3不易破損的前提下調控該快速模具100的機械強度。在本實施例中，該表層結構3的厚度以5公釐示例，而該強化結構2的長度、寬度與高度皆以該表層結構3的厚度的八倍示例，如此可使該快速模具100具有較佳的機械強度。然而，當該快速模具100的尺寸大於300公釐時，可使該強化結構2的長度、寬度與高度相對於該表層結構3的厚度皆小於八倍，同樣亦可調控該快速模具100的機械強度，使該快速模具100具有較佳的機械強度。

值得一提的是，在本實施例的另一實施態樣中，該表層結構3是可以省略的。在此實施態樣，該快速模具100包含該主模體1與該強化結構2。該主模體1的該主體成型面11適用於互補於該原型表面51的形狀，使該快速模具100用於射出成型製成時，同樣能製造互補於該表層成型面32且對應該原型表面51的成品，以完成該原型工件5的複製品的製作。

參閱圖2，為本實施例的製造流程。以下配合圖3至圖8詳細說明本實施例的製造方法。

配合參閱圖3，首先進行一步驟(A)：利用一翻製方法以該原型工件5的該原型表面51，製作一中介模具7。該翻製方法是先透過該原型工件5及一模框8翻印製成一簡易模具6，也可以是透過3D列印的方式直接製作輪廓形狀互補於該原型表面51的該簡易模具6。該簡易模具6的材質為硬度較低的塑化材料，例如：ABS樹脂(Acrylonitrile Butadiene Styrene)或聚乳酸(Polylactic Acid)。特別說明的是，該簡易模具6包含一上模具(圖未示)與一下模具(圖未示)，該上模具與該下模具互相搭配才能形成互補於該原型工件5的外表面的完整輪廓。因此，以下說明該快速模具100的製造方法僅以製作對應該簡易模具6的該上模具與該下模具的其中一者示例，製作對應另一者的該快速模具100的方式完全相同，因而不重複贅述。接著，將該簡易模具6設置於該模框8內，並澆注以矽膠與硬化劑之重量比為10:1所調配的可固化材料於該模框8內，加熱使可固化材料硬化後可製成如圖3所示的該中介模具7。該中介模具7具有一互補於該簡易模具6的表面輪廓，且對應於該原型表面51的翻印表面71。在本實施例中，該中介模具7的材質為矽膠，可使得後續該中介模具7在脫模過程中較容易分離。再來，將該中介模具7與該簡易模具6移出該模框8，並將該中介模具7與該簡易模具6分離，以完成該快速模具100的製作。

配合參閱圖4，接著進行一步驟(B)：將該中介模具7設置於該模框8內，並使該翻印表面71朝外開放。

配合參閱圖5，接著進行一步驟(C)：將該可固性的複合材料(前述的金屬樹脂)塗佈厚度為5公釐的塗層於該模框8的內表面以及該中介模具7的該翻印表面71，接著以攝氏60~80度加熱1小時使該複合材料固化形成該表層結構3。該表層結構3包括兩相反的該表層貼合面31及該表層成型面32。該表層成型面32互補於該翻印表面71的形狀。本步驟製作該表層結構3，是為了在下一步驟中限位該強化結構2。

配合參閱圖6，接著進行一步驟(D)：首先以3D列印方式製作該等基體單元21，並可依據該快速模具100的設計，調整該等基體單元21的結構形狀、堆疊方式與數量。然後，將該等基體單元21以堆疊方式排列，形成該強化結構2。如圖6所示，該等基體單元21在圖6中是以數層間隔交錯排列堆疊且具有剖面線的方格示意，而該強化結構2由六角形的該等基體單元21所構成的結構中的空隙在圖6中是以空白方格示意。在本實施例的製造方法中，該等基體單元21是以形狀近似於該主模體1的相似結構排列，使該強化結構2呈現為該主模體1的順型(conformal)形態。也就是說，該順型形態是以該表層結構3與該模框8之外型輪廓內縮約70%~80%的外形。再來，將該強化結構2設置於該模框8內，且貼靠於該表層貼合面31，使該強化結構2受到該表層結構3限位，而置於該模框8的中間，可避免該強化結構2顯露於該表層結構3外面。

配合參閱圖7，接著進行一步驟(E)：將以於真空環境(壓力50Pa)中脫泡15~30分鐘且與該主模體1為相同材質的該複合材料澆注於該模框8內，使該複合材料填滿該等基體單元21彼此之間的空隙，以加強該快速模具100的機械強度。如圖7所示，該強化結構2由六角形的該等基體單元21所構成的結構中的空隙在圖7中是利用剖面線填滿空白方格示意該複合材料澆注滿該模框8，並形成該主模體1。之後，將盛裝該複合材料的該模框8置於真空環境中約5~10分鐘，使該複合材料內的氣泡脫離至真空環境，重複此真空脫泡的過程直到氣泡不再冒出，確保後續固化後該快速模具100不會因為氣泡而造成結構強度不足的問題。然後，加熱使該複合材料固化形成一包覆於該強化結構2的主模體1。且該主模體1貼合該表層結構3的該表層貼合面31。在本實施例的製造方法中，該複合材料加熱固化條件是先以攝氏25度加熱24小時至48小時進行初步固化。接著，再以攝氏100度加熱1小時進行第二次固化，然後再以攝氏150度加熱1小時至2小時進行後硬化處理，使該快速模具100更進一步地提升機械強度。

配合參閱圖1與圖8，最後進行一步驟(F)：將該表層結構3、該主模體1與該中介模具7移出該模框8，並將該表層結構3與該主模體1的組合體與該中介模具7分離，以完成該快速模具100的製作。重複該步驟(A)至該步驟(F)可分別製成對應該上模具與該下模具的兩個快速模具100，透過該等快速模具100的組合搭配即可藉由射出成型製程製造如圖1所示的該原型工件5的複製品。

參閱圖1與圖9，為本實施例的另一實施態樣中的製造流程。此實施態樣的製造流程與前述的圖2之實施態樣的製造流程相近，主要不同的地方在於，在此實施態樣的製造流程中，該步驟(C)是省略的，也就是省略該表層結構3的製作。因此，在此實施態樣中，該步驟(D)在將該強化結構2設置於該模框8內時，是將該強化結構2貼靠於該翻印表面71。而在該步驟(E)，該主模體1具有互補於該翻印表面71的該主體成型面11，且該主體成型面11適用於互補於該原型表面51的形狀。最後，在該步驟(F)，僅將該主模體1與該中介模具7移出該模框8，並將該主模體1與該中介模具7分離，以完成該快速模具100的製作。如此，使得該快速模具100僅包含該主模體1與該強化結構2，同樣也能達到該快速模具100耐壓且不易變形的目的。

綜上所述，藉由該主模體1包覆於該強化結構2，製得可用於仿製該原型工件5的快速模具100，同時，該強化結構2的機械強度優於該主模體1的機械強度，如此，可使得該快速模具100整體的機械強度提升，因此，能達到該快速模具100用於射出成型的過程中耐壓且不易變形的目的。除此之外，藉由與該主模體1相同材質的該表層結構3包覆於該主模體1外圍，可避免該快速模具100的該強化結構2顯露於模具的表面，使該快速模具100的表面為一體成形的結構而無接縫。如此，在該快速模具100用於射出成型的製程時，能避免射出成型的高壓塑料由接縫處溢入的情形，同樣也能達到該快速模具100耐壓且不易變形的目的，故確實能達成本發明的目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

100:快速模具 1:主模體 11:主體成型面 2:強化結構 21:基體單元 3:表層結構 31:表層貼合面 32:表層成型面 5:原型工件 51:原型表面 6:簡易模具 7:中介模具 71:翻印表面 8:模框 (A)至(F):步驟

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一分解示意圖，說明本發明具有強化結構的快速模具之一實施例與一原型工件的對應關係；圖2是一流程示意圖，說明該實施例的製造流程；圖3是一示意圖，說明該實施例的製造流程的一步驟(A)；圖4是一示意圖，說明該實施例的製造流程的一步驟(B)；圖5是一示意圖，說明該實施例的製造流程的一步驟(C)；圖6是一示意圖，說明該實施例的製造流程的一步驟(D)；圖7是一示意圖，說明該實施例的製造流程的一步驟(E)；圖8是一示意圖，說明該實施例的製造流程的一步驟(F)；及圖9是一流程示意圖，說明該實施例的另一實施態樣的製造流程。

100:快速模具

1:主模體

11:主體成型面

2:強化結構

21:基體單元

3:表層結構

31:表層貼合面

32:表層成型面

5:原型工件

51:原型表面

Claims

一種具有強化結構的快速模具，適用於製作一原型工件的複製品，該原型工件具有一供翻印的原型表面，該快速模具包含：一主模體，包括一主體成型面，該主體成型面適用於互補於該原型表面的形狀；及一強化結構，設置於該主模體內，且該強化結構的機械強度優於該主模體的機械強度。
如請求項1所述的具有強化結構的快速模具，還包含一表層結構，該表層結構包覆於該主模體外圍，並包括兩相反的一表層貼合面及一表層成型面，該表層貼合面貼靠且結合於該主體成型面，該表層成型面適用於互補於該原型表面的形狀。
如請求項2所述的具有強化結構的快速模具，其中，該表層結構的厚度為5公釐至10公釐。
如請求項1所述的具有強化結構的快速模具，其中，該強化結構與該主模體為相似形態。
如請求項1所述的具有強化結構的快速模具，其中，該強化結構包括數個彼此堆疊排列的基體單元。
如請求項5所述的具有強化結構的快速模具，其中，每一基體單元的橫截面為六角形，使該強化結構呈現為蜂巢結構。
如請求項5所述的具有強化結構的快速模具，其中，每一基體單元的橫截面為X字形，使該強化結構呈現為肋型結構。
如請求項5所述的具有強化結構的快速模具，其中，每一基體單元的縱截面為三角形，使該強化結構呈現為桁架結構。
一種具有強化結構的快速模具的製造方法，藉由一原型工件及一模框進行，該原型工件具有一供翻印的原型表面，該製造方法包含以下步驟：一步驟(A)，利用一翻製方法以該原型工件的該原型表面，製作一中介模具，該中介模具具有一對應於該原型表面的翻印表面；一步驟(B)，將該中介模具設置於該模框內，並使該翻印表面朝外開放；一步驟(C)，將一可固性的複合材料塗佈於該模框的內表面以及該中介模具的該翻印表面之後，加熱使該複合材料固化形成一表層結構，該表層結構包括兩相反的一表層貼合面及一表層成型面，該表層成型面互補於該翻印表面的形狀；一步驟(D)，將一強化結構設置於該模框內，且貼靠於該表層貼合面，該強化結構的機械強度優於該複合材料固化後的機械強度；一步驟(E)，將該複合材料澆注於該模框內之後，加熱使該複合材料固化形成一包覆於該強化結構的主模體，且該主模體貼合該表層結構的該表層貼合面；及一步驟(F)，將該表層結構、該主模體與該中介模具移出該模框，並將該表層結構與該主模體的組合體與該中介模具分離，以完成該快速模具的製作。
如請求項9所述的具有強化結構的快速模具的製造方法，其中，該步驟(D)是將數個基體單元以堆疊方式排列，形成該強化結構。
如請求項9所述的具有強化結構的快速模具的製造方法，其中，該步驟(D)是將該等基體單元依據該主模體的相似形態彼此排列堆疊，使該強化結構呈現為該主模體的順型形態。
一種具有強化結構的快速模具的製造方法，藉由一模框及一原型工件，該原型工件具有一供翻印的原型表面，該製造方法包含以下步驟：一步驟(A)，利用一翻製方法以該原型工件的該原型表面，製作一中介模具，該中介模具具有一對應於該原型表面的翻印表面；一步驟(B)，將該中介模具設置於該模框內，並使該翻印表面朝外開放；一步驟(D)，將一強化結構設置於該模框內，且貼靠於該翻印表面；一步驟(E)，將一可固性的複合材料澆注於該模框內之後，加熱使該複合材料固化形成一包覆於該強化結構的主模體，該主模體具有一互補於該翻印表面的主體成型面，該主體成型面適用於互補於該原型表面的形狀，其中，該強化結構的機械強度優於該複合材料固化後的機械強度；及一步驟(F)，將該主模體與該中介模具移出該模框，並將該主模體與該中介模具分離，以完成該快速模具的製作。