TWI605931B - 模具與使用其之熱壓成形方法 - Google Patents

模具與使用其之熱壓成形方法 Download PDF

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Description

模具與使用其之熱壓成形方法
本發明是關於一種模具與使用其之熱壓成形方法，特別是一種陽模模具與使用其之熱壓成形方法。
一般熱壓成型使用之模具通常由一個陰模與一個陽模組合而成。熱壓成型的步驟包含先將原材料置於陰模的模孔中；接著加熱與加壓組合後的陰模與陽模，使陽模的凸塊擠壓陰模的模孔中的原材料並使原材料固化形成工件；最後進行工件的脫模，亦即是分離陰模、工件與陽模。在工件脫模的過程中，由於工件與陽模間的熱膨脹係數差異，經常會出現陽模受到往陽模方向收縮的工件的夾固，造成無法分離工件與陽模的狀況。因此，在設計工件的邊角角度或是中空工件時須考量脫模的便利性。
然而，對於具有特殊結構設計的工件而言，例如中空區域截面積大於或等於開孔面積的中空工件，已無法透過調整工件設計的方式確保工件使用習用模具熱壓成型後可順利脫模。因此，如何使具有特殊結構設計的工件於熱壓成型後可順利脫模，成為了目前亟需解決的問題。
本發明係提供一種模具與使用其之熱壓成形方法，用以解決目前具有特殊結構設計的工件於熱壓成型後無法脫模的問題。
本發明揭露一種模具，用於成形熱固性材料。模具包含可熱分解的陽模與陰模。陽模於溫度低於陽模的熱分解溫度時呈硬化態。 陽模於溫度等於陽模的熱分解溫度時開始熱分解。熱固性材料的固化溫度低於或等於陽模的熱分解溫度。陰模於溫度低於陰模的軟化溫度時呈硬化態，陰模的軟化溫度高於陽模的熱分解溫度。
本發明揭露一種使用前述模具的熱壓成形方法，包含以複數個預浸料包覆模具的可熱分解的陽模以形成被預浸料疊層包覆的陽模。接著，組合被預浸料疊層包覆的陽模與模具的陰膜。接著，對組合後的陽模與陰模進行一熱壓加工以固化預浸料疊層以形成一工件與熱分解陽模。接著，分離陰模以及相結合的工件與脆化的陽模。接著，自工件移除脆化的陽模。
根據上述本發明所揭露的模具與使用其之熱壓成形方法，由於陽模於溫度等於陽模的熱分解溫度時開始熱分解，且熱固性材料的固化溫度低於或等於陽模的起始熱分解溫度。因此，對組合後的陽模與陰模進行一熱壓加工，藉此固化預浸料疊層以形成一工件，以及熱分解陽模。如此一來，在進行脫模時，因熱分解而脆化的陽模易於自工件移除，解決了目前具有特殊結構設計的工件於熱壓成型後無法脫模的問題。
以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。
1‧‧‧模具
10‧‧‧陽模
110‧‧‧底座
111‧‧‧檯面
112‧‧‧底面
113‧‧‧第一側面
114‧‧‧第二側面
115‧‧‧第三側面
116‧‧‧第四側面
120‧‧‧柱體
121‧‧‧柱側面
20‧‧‧陰模
210‧‧‧本體
211‧‧‧頂面
212‧‧‧模孔
213‧‧‧缺口
30‧‧‧脫模輔助板
31‧‧‧開口
40‧‧‧墊片
P‧‧‧預浸料
圖1為本發明一實施例之模具的立體分解圖。
圖2為本發明一實施例之使用模具的熱壓成型方法的流程圖。
圖3為本發明部分實施例之組合後的陽模與陰模以及脫模輔助板的剖視圖。
以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。
首先介紹本發明一實施例之模具1，請參閱圖1。圖1為本發明一實施例之模具的立體分解圖。
熱固性材料具有一熱固化溫度，當溫度上升至熱固化溫度時，熱固性材料中的鏈狀高分子開始進行交聯反應而形成網狀高分子使得熱固性材料固化。如此一來，當固化後的熱固性材料再次受熱時不會發生軟化。熱固性材料例如為熱固型樹脂複合材料或一般熱固型樹脂。本發明一實施例之模具1適用於加熱與加壓熱固性材料，藉此成形熱固性材料所構成的工件。
模具1包含一陽模10與一陰模20。陽模10包含一底座110與一柱體120。底座110具有一檯面111、一底面112、一第一側面113、一第二側面114、一第三側面115與一第四側面116。檯面111與底面112位於底座110的相對二側。第一側面113、第二側面114、第三側面115與第四側面116位於檯面111與底面112之間，且第一側面113與第三側面115彼此相對，第二側面114與第四側面116彼此相對。柱體120突出於底座110的檯面111，且柱體120具有一柱側面121。陰模20包含一本體210。本體210具有一頂面211以及一模孔212，且模孔212位於頂面211。當陽模10與陰模20呈組合狀態時，陽模10的柱體120與部分的底座110位於陰模20的本體210的模孔212中。
構成陽模10的材料具有一起始熱分解溫度。當加熱溫度達到起始熱分解溫度時，構成陽模10的材料開始進行熱分解，其機械 強度如體積模數(Bulk modulus)、抗壓強度(Compressive strength)與破裂模數(modulus of rupture)逐漸開始下降。當構成陽模10的材料進行熱分解一段時間後，陽模10開始龜裂或脆化。選擇構成陽模10的材料時，須考量的因素包含熱壓成形使用的熱固性材料的熱固化溫度。構成陽模10的材料之起始熱分解溫度需大於或等於熱固性材料的熱固化溫度，藉此確保陽模10進行熱分解時，熱固性材料已開始固化。
於本發明部分實施例中，選擇構成陽模的材料時可進一步考量進行熱壓成形的溫度以及時間長度。若熱固性材料進行熱壓成形的時間內，受熱膨脹後已開始熱分解的陽模雖然無法維持完整形狀，但陽模之機械強度仍可建立並傳遞熱壓成形時的壓力給已開始固化的熱固性材料，則使用的構成陽模的材料之熱分解溫度可等於熱固性材料的熱固化溫度。藉此，降低熱壓成形所需的最高加熱溫度，進而達成降低能源消耗的功效。於本發明部份實施例中，陽模由矽基聚合物所構成。矽基聚合物例如為矽橡膠，矽橡膠的起始熱分解溫度範圍為316℃至325℃。
構成陰模20的材料具有一軟化溫度，當加熱溫度低於陰模20的軟化溫度時，陰模20呈硬化態。當加熱溫度高於陰模20的軟化溫度時，陰模20開始出現軟化變形的狀況。選擇構成陰模20的材料時，須考量的因素包含陰模20的軟化溫度需大於陽模10的起始熱分解溫度與熱固性材料的熱固化溫度，藉此確保陽模10進行熱分解時，陰模20仍可維持承受熱壓成形之壓力的機械強度。於本發明一實施例中，陰模20的材料為不鏽鋼，但不以此為限。於本發明其他實施例中，陰模的材料可為其他金屬材料或金屬氧化物。
本發明一實施例之模具1由於陽模10於溫度等於陽模10的起始熱分解溫度時開始熱分解，且熱固性材料的固化溫度低於或等於陽模10的起始熱分解溫度。因此，對組合後的陽模與陰模進行熱壓加 工時，熱固性材料固化形成工件而陽模受熱分解。如此一來，在進行脫模時，因熱分解而脆化的陽模易於被分裂成小塊狀而自工件移除，解決了目前具有特殊結構設計的工件於熱壓成型後無法脫模的問題。
接下來介紹本發明一實施例之使用模具的熱壓成型方法。本實施例使用的模具為前述的模具1。模具1的陽模10例如係由47至50克的矽橡膠主劑與4.7至5克的硬化劑混合形成的矽橡膠溶液以注模成型的方式形成。矽橡膠主劑的生產者為GE Silicones公司，型號為RTV 630A，黏度為160,000cps。硬化劑的生產者為GE Silicones公司，型號為RTV 630B，黏度為6,000cps。注模成型的陽模10在使用前須先修整毛邊與合模線。模具1的陰模20例如由中碳鋼不鏽鋼以習用金屬模具製造方法製成。
本實施例使用模具將複合材料的預浸料疊層熱壓成形為工件。製備預浸料時，首先將3,3’,4,4’-二苯酮四酸二酐(3,3',4,4'-benzophenone tetracarboxylic dianhydride，BTDA，CAS No.2421-28-5)溶於乙醇中並酯化以形成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’-二苯酮四酸二酐與乙醇的重量比為1：1.4，BTDE溶液中的固含量為41.6wt%。接著，將降冰片烯二酸酐(Nadic anhydride，NA，CAS No.129-64-6)溶於乙醇中並酯化以形成Nadic acid的單乙酯(monoethyl ester of nadic acid，NE)溶液，降冰片烯二酸酐與乙醇的重量比為1：0.87，NE溶液中的固含量為53.5wt%。再來，依據製備平均分子量1100之聚醯亞胺所需的反應物量，將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溶液混合並進行攪拌以得到聚醯胺酸溶液。聚醯胺酸溶液中的固含量為58.0wt%，於25℃時的黏度約為150cps至350cps。接著，將聚醯胺酸溶液塗布於玻璃纖維布，使得玻璃纖維布含浸聚醯胺酸溶液，並以適當的溫度與時間加熱含浸有聚醯胺酸的玻 璃纖維布以移除多餘的溶劑而得到貼覆形塑性(drapability)佳的預浸料。預浸料中，聚醯胺酸所佔的重量百分比為42%。於本實施例中，纖維布為玻璃纖維布，但不以此為限。於本發明其他實施例中，纖維布可為碳纖維、高分子纖維、天然纖維等所構成的織品。
以下詳細說明本發明一實施例之使用模具的熱壓成型方法，請參閱圖2。圖2為本發明一實施例之使用模具的熱壓成型方法的流程圖。
首先，以複數個預浸料包覆模具的可熱分解的陽模以形成被預浸料疊層包覆的陽模(S100)。
詳細來說，以一預浸料緊密貼附於陽模10的底座110的第一側面113、第二側面114與第三側面115。接著以一預浸料緊密貼附位於底座110的第二側面114之預浸料、位於第三側面115之預浸料與位於第四側面116。接著以一預浸料緊密貼附位於第一側面113的預浸料、底座110的檯面111、柱體120的柱側面121與位於第三側面115之預浸料。接著以一預浸料緊密貼附位於第二側面114之預浸料、位於底座110的檯面111的預浸料、位於柱體120的柱側面121的預浸料與位於第三側面115之預浸料。於本發明部份實施例中，以預浸料包覆陽模時，作為預浸料包覆的起使面與終止面的陽模表面依序輪替，使得覆蓋於陽模的各個表面之預浸料疊層數相近，藉此避免形成之工件各區域的厚度不均勻。於本發明其他實施例中，預浸料包覆陽模的疊層數係由工件的厚度需求所決定。
於本發明部份實施例中，製備完成的預浸料不經冷藏保存而直接用於包覆陽模。未經冷藏保存的預浸料具有較佳的貼覆形塑性(drapability)，使得預浸料可緊密貼合於陽模表面。如此一來，熱壓加工形成之工件品質得到提升。
於本發明部份實施例中，經冷藏儲存的預浸料在使用前， 需先加熱預浸料使預浸料軟化，再以軟化的預浸料包覆陽模。藉此，提升預浸料的貼覆形塑性(drapability)，使得預浸料可緊密貼合於陽模表面。如此一來，熱壓加工形成之工件品質得到提升。加熱軟化預浸料的溫度需低於預浸料的固化溫度，以免預浸料軟化後再開始硬化，造成預浸料無法緊密貼合於陽模表面。加熱軟化預浸料的溫度例如為55℃至80℃。加熱軟化預浸料的時間例如為10分鐘至20分鐘。加熱軟化預浸料的方式例如為以烘箱烘烤預浸料。
接著，組合被預浸料疊層包覆的陽模與模具的陰膜(S200)。
詳細來說，先將離型劑倒入陰模20的模孔212中並預熱陰模20。接著，移除多餘的離型劑使得留下的離型劑於模孔212壁面形成一離型膜。接著，於陰模20的頂面211塗覆離型劑以形成一離型膜。離型劑例如為型號KF-965的耐高溫級矽油(CAS.No.63148-62-9)。預熱溫度例如為70℃至100℃。接著，將被預浸料疊層包覆的陽模10部分置入陰模20的模孔212中，並且露出陽模10靠近底面112的區域於陰模20的模孔212外以得到組合後的陽模10與陰模20。預浸料疊層露出陰模20的模孔212的部份待熱壓加工硬化後，做為自陰模20分離預浸料疊層形成的工件以及工件中的陽模10的施力點
圖3為本發明部分實施例之組合後的陽模與陰模以及脫模輔助板的剖視圖。於本發明部分實施例中，如圖3所示更設置一脫模輔助板30於陰模20的頂面211，並使脫模輔助板30的開口31對位於陰模20的模孔212。被預浸料疊層包覆的陽模10部分置入陰模20的模孔212與脫模輔助板30的開口31中，並使陽模10靠近底面112的區域露出於陰模20的模孔212外並穿過脫模輔助板30的開口31。預浸料疊層靠陽模10的底面112的邊緣貼覆了數片預浸料，額外貼覆的預浸料同時接觸包覆陽模10的預浸料疊層以及脫模輔助板30遠離陰模 20的表面，藉此增強包覆陽模10的預浸料疊層與脫模輔助板30之間的固著力，以便於帶動形成的工件以及工件中的陽模10與陰模20分離。於本發明部分實施例中，脫模輔助板30遠離陰模20的表面放置有數片墊片40，藉此控制脫模輔助板30與熱壓機的加壓板之間的間距，避免後續熱壓加工時加壓板帶動陽模10過度壓迫預浸料疊層而導致預浸料疊層扭曲變形。
接著，對組合後的陽模與陰模進行一熱壓加工以固化預浸料疊層以形成一工件與熱分解陽模(S300)。
詳細來說，以預熱後的熱壓機接觸陰模與陽模，此時熱壓機施加於陰模與陽模的壓力為接觸壓。接著，透過熱壓機加熱組合後的陽模與陰模至預浸料的固化溫度後，進行持溫並開始對組合後的陽模與陰模加壓。預浸料疊層於固化溫度受壓加工的過程中發生固化而形成工件。當使用之預浸料的固化溫度等於陽模的起始熱分解溫度時，熱壓加工包含加熱組合後的陽模與陰模至起始熱分解溫度後，開始進行持溫並加壓組合後的陽模與陰模以固化預浸料疊層與熱分解陽模。當使用之預浸料的固化溫度低於陽模的起始熱分解溫度時，熱壓加工包含加熱組合後的陽模與陰模至固化溫度後，開始進行持溫並加壓組合後的陽模與陰模以固化預浸料疊層。接下來，再加熱組合後的陽模與陰模由固化溫度至起始熱分解溫度以熱分解陽模。
於本實施例中，熱壓加工包含先以預熱後的熱壓機將組合後的陽模與陰模加熱至200℃並持溫50分鐘。接著，以每分鐘3℃至5℃的升溫速度將熱壓機升溫至260℃並持溫20分鐘。接著，再以每分鐘3℃至5℃的升溫速度將熱壓機升溫至316℃後，以每平方公分19.0公斤重的壓力對組合後的陽模與陰模加壓並持溫120分鐘。於熱壓加工過程中，預浸料疊層中的聚醯胺酸進行亞醯胺化反應形成聚醯亞胺，且聚醯亞胺彼此交聯使得預浸料固化。
於本發明部分實施例中，熱壓加工包含先以預熱後的熱壓機將組合後的陽模與陰模加熱至200℃並持溫50分鐘。接著，以每分鐘3℃至5℃的升溫速度將熱壓機升溫至260℃後，以每平方公分8.0公斤重的壓力對組合後的陽模與陰模加壓並持溫45分鐘。接著，再以每分鐘3℃至5℃的升溫速度將熱壓機升溫至316℃後，以每平方公分15.0公斤重的壓力對組合後的陽模與陰模加壓並持溫120分鐘。於熱壓加工過程中，預浸料疊層中的聚醯胺酸進行亞醯胺化反應形成聚醯亞胺，且聚醯亞胺彼此交聯使得預浸料固化。
於本發明部分實施例中，熱壓機透過墊板接觸陰模與脫模輔助板，藉此避免熱壓機受到待加工物的汙染。於本發明部分實施例中，熱壓機靠近模具的區域以及模具被保溫材料圍繞以達到保溫的效果。
接著，分離陰模以及相結合的工件與脆化的陽模(S400)。
詳細來說，將組合後的陽模與陰模自熱壓機取下後，分別施力於陰模與脫模輔助板以分離陰模以及固著於脫模輔助板上的工件與因熱分解而脆化的陽模。於本發明部分實施例中，如圖3所示，陰模20頂面211的邊緣區域具有四個缺口213，進行脫模時可將一字型螺絲起子由缺口213伸入脫模輔助板30與陰模20之間的空隙，並利用槓桿原理推動脫模輔助板30，以便自陰模20的模孔212中將相結合的工件與脆化的陽模撬出。
接著，自工件移除脆化的陽模(S500)。
詳細來說，首先將相結合的工件與脆化的陽模與脫模輔助板分離。接著，將脆化的陽模分裂成體積較小的碎塊並自工件中移除。接著，按工件之設計圖對工件進行整形與邊緣修飾即可得到具有特殊結構設計的工件。於本實施例中，係使用錐子將脆化的陽模分裂為體積較小的碎塊，以便由工件的開孔移除分裂後的陽模。
本發明一實施例之使用模具的熱壓成型方法中，由於使用模具進行熱壓加工。因此，預浸料疊層在熱壓加工過程中固化形成工件，而可熱分解的陽模受熱分解而脆化。如此一來，因熱分解而脆化的陽模易於被分裂成小塊狀而自工件移除，解決了目前具有特殊結構設計的工件於熱壓成型後無法脫模的問題。
綜上所述，本發明所揭露的模具與使用其之熱壓成形方法，由於陽模於溫度等於陽模的起始熱分解溫度時開始熱分解，且熱固性材料的固化溫度低於或等於陽模的起始熱分解溫度。因此，對組合後的陽模與陰模進行一熱壓加工以固化預浸料疊層以形成一工件與熱分解陽模。如此一來，在進行脫模時，因熱分解而脆化的陽模易於自工件移除，解決了目前具有特殊結構設計的工件於熱壓成型後無法脫模的問題。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
1‧‧‧模具
10‧‧‧陽模
110‧‧‧底座
111‧‧‧檯面
112‧‧‧底面
113‧‧‧第一側面
114‧‧‧第二側面
115‧‧‧第三側面
116‧‧‧第四側面
120‧‧‧柱體
121‧‧‧柱側面
20‧‧‧陰模
210‧‧‧本體
211‧‧‧頂面
212‧‧‧模孔

Claims (10)

  1. 一種模具，用於成形一熱固性材料，包含：一陽模，該陽模於溫度低於該陽模的一起始熱分解溫度時呈硬化態，該陽模於溫度等於該起始熱分解溫度時開始熱分解，該熱固性材料的一固化溫度低於或等於該起始熱分解溫度；以及一陰模，該陰模於溫度低於該陰模的一軟化溫度時呈硬化態，該軟化溫度高於該陽模的該起始熱分解溫度。
  2. 如請求項1所述之模具，其中該陽模由矽基聚合物所構成。
  3. 如請求項2所述之模具，其中該起始熱分解溫度為316℃至325℃。
  4. 如請求項1所述之模具，其中該陰模由金屬或金屬氧化物所構成。
  5. 一種使用請求項1所述之模具的熱壓成形方法，包含：以複數個預浸料包覆該模具的可熱分解的該陽模以形成被一預浸料疊層包覆的該陽模；組合被該預浸料疊層包覆的該陽模與該模具的該陰膜；對組合後的該陽模與該陰模進行一熱壓加工以固化該預浸料疊層以形成一工件與熱分解該陽模；分離該陰模以及相結合的該工件與脆化的該陽模；以及自該工件移除脆化的該陽模。
  6. 如請求項5所述之熱壓成形方法，其中各該些預浸料係由一纖維布含浸一聚醯胺酸溶液所形成，於該熱壓加工過程中，該預浸料疊層中的複數 個聚醯胺酸進行一亞醯胺化反應形成複數個聚醯亞胺，且該些聚醯亞胺彼此交聯。
  7. 如請求項5所述之熱壓成形方法，更包含形成一離型膜於預熱後的該陰模的一模孔壁面。
  8. 如請求項5所述之熱壓成形方法，其中當該固化溫度等於該起始熱分解溫度時，該熱壓加工包含：加熱組合後的該陽模與該陰模至該起始熱分解溫度；以及進行持溫並加壓組合後的該陽模與該陰模以固化該預浸料疊層形成該工件與熱分解該陽模。
  9. 如請求項5所述之熱壓成形方法，其中當該固化溫度低於該起始熱分解溫度時，該熱壓加工包含：加熱組合後的該陽模與該陰模至該固化溫度；進行持溫並加壓組合後的該陽模與該陰模以固化該預浸料疊層形成該工件；以及加熱組合後的該陽模與該陰模由該固化溫度至該起始熱分解溫度或該起始熱分解溫度以上以熱分解該陽模。
  10. 如請求項5所述之熱壓成形方法，其中以該預浸料疊層包覆該模具的可熱分解的該陽模之步驟包含：加熱軟化該些預浸料；以及以軟化後的該些預浸料包覆該模具的可熱分解的該陽模以形成被該預浸料疊層包覆的該陽模。
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