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[创意思路] 利用CAD打造的工业级塑胶零件

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发表于 2016-8-31 23:06 | 显示全部楼层 |阅读模式

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几乎所有我们看的见的商业产品都会用到合成聚合物,遍布在我们生活每个角落。塑胶的用途十分广泛,功能特性也各有不同,有的伸缩性极强,有的质量十分坚固,有的可以抵抗恶劣的气候,也有能防弹的塑胶材料。

这么一想,热衷于3D打印的业余发烧友们至今仍将工业级塑胶视为禁忌,这点真是令人不可思议。

利用3D打印机配上PLA(聚乳酸)ABS树脂等材料,这在成本、强度以及种类上仍无法跟“射出成型”的零件相比。就算是利用CNC铣床作业的人也无法改变这个事实。说起来大家宁愿用压克力或HDPE(高密度聚乙烯)这种便宜但品质差的素材。

其实我们已经有了一个既便宜、安全又简单的方法,就是利用树脂灌模。

这种方法只要几小时就能在个人的工作坊制作出强度及品质都令人惊叹的零件。

制作单一零件用的原型模具

在复制原始零件时,一般会建议使用像藻胶或矽利康胶的柔软材料来填制原始零件的外模。然而这个方法必须等外模完全硬化后才能切开外模取出里头的原始零件,接着在原始零件形成的中空模穴中灌注别种热硬化性材料来成型。

而使用这个方法会有许多缺点,举例来说,这个制程必须要准备适合的翻模外盒并把原始零件置放其中,而如何在不伤到零件本身或外模的情况下取出零件就是一个难以解决的问题。

此外虽然有接合切成两半的外模的方法,但要正确地接合也并不容易。不过,现在这些问题都能够利用CAD来解决。

在事先利用CAD设计出自己所希望制作的模型,利用这个模型配合一个翻模外盒,就可直接制成一个原模,接下来只需要将成品切割出来即可。

我们需要考虑的问题就是如何将底部的形状设计得平整,以避免造成脱模死角(Undercut,即是从金属模具中取出成品时,出现无法去除的凸穴或凹穴)。

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制作一个简单的橡胶零件原模

制作零件模具时,要是选择使用3D打印机来制作将会十分地麻烦,但用CNC的话则非常轻松。

我们在材料的表面迅速切割出原模的形状,因此材料能保持原形体,且还能移作他用。如此不但能节省成本及时间,还不需费心固定细小零件以防被机器吹跑。

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利用CNC铣床直接切割齿轮是是一件非常困难且费工的事。

制作原模的材料只要方便使用,且可预测结果的话并没有特定限制。像是3D打印机会选择PLA,CNC铣床则是蜡或HDPE(高密度聚乙烯)。

不过这里我们所推荐的是更容易操作、价格也很实惠的材料——中密度聚乙烯雕刻板(medium-density prototyping boards)。

例如:RenShape 460,同等尺寸下,RenShape 460的价格比蜡还便宜,而且既轻便又坚固,对它进行切割不但非常轻松,并且加工出来的成品的精细程度也非常令人满意。

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利用CNC铣床在RenShape 460上加工出的原模

制作模具

原模制作完成后,接着是选择制作模具的柔软材料。如果是美术作业的话,多半是使用乳胶、藻胶、聚硫橡胶(polysulfide rubbers)或锡熟化矽利康(Tin-cure silicone),但这些材料有从强度到毒性等各方面的大缺点,同时它们也是让人们对制作模型就是会弄得很脏乱狼狈的刻板印象元凶。

在制作精密零件时,有效的选择除了双液型的白金熟化矽利康(platinum-cure silicone)外别无他物。它无害且无味。更重要的是,它的高聚合性能确保高度的精密性。如此制作出的模具拥有非常高的强度、复原性及耐药品性。同时它本来的性质就不易沾黏,因此可轻易脱模原型或零件。简单地说,白金熟化矽利康以在家玩翻模来说,是最棒又最酷的聚合物。

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将矽利康灌入原模

有很多种用于制作模具的橡胶,都是由瞄准业余爱好者的热门制造商制造的。但这些产品普遍都黏性过高、容易损坏,且制作小零件又太过柔软。

这里有一篇如何挑选适合材料的详细指南,如果大家没时间细读研究这份指南,这里直接介绍两款各方面都十分优秀的产品:

黏性低易灌注的Quantum Silicones QM 262,以及不易损坏、颜色透明的Silicones Inc XP-592

不管哪一款,每磅(约450公克)大约在15美元左右,通常会以每组10~12磅(约4.5~5.4公斤)的形式贩售。

只要决定了模具用的材料,接下来我们只需要搅拌树脂数分钟后将其灌注入原模,接着平铺上一张塑胶薄板并放置数小时。

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硬化的矽利康模具,即使是一毫米以下的细微模型细节也能完美地呈现

而这里还有一个十分重要的步骤,为了正确制出细微的部份,我们需要一个真空消泡装置。

真空消泡装置

虽然这个名字听上去很高端的样子,但其实我们只需要一个小型静音型真空泵,以及防碎聚碳酸酯(polycarbonate,简称PC)制的真空容器就能组装一个。将原模放入这个装置后,只需2到3分钟,原模与液状树脂间的气泡就会被排出来。

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真空消泡能迅速简单又确实地消去内部的气泡

除此之外,还有一些小技巧,像是也有利用刷子或注射器来灌注橡胶的方法。不过这个方法除了简单的形状以外没有多大意义。

灌注成型零件

完成模具后,就进入制作零件的阶段,做法大致上跟制作模具相同。

只是在这个步骤中我们可以根据自己的需要利用不同的染色方式加入染色剂,然后灌入模具。

用真空消泡装置除去气泡后,再盖上一张易剥离的塑胶薄板(PP塑胶或是HDPE),就这么简单。

接下来会开始聚合反应,数小时后就能从模具中取出零件。

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模具是非常坚固的橡胶,因此乘载重物也不会变形

灌注作业本身并不难,难的是选择塑胶的材料。

业余爱好者取向的品牌销售的树脂大多异味明显、易损坏、膨胀率大、太早或太晚硬化,且只能制作薄的物品。当作装饰用还可以,但作为机械的零件就有问题了。

要尽量避免使用环氧树脂(epoxies)或聚酯(polyesters),有需要的话可以选择聚氨酯(polyurethanes,简称PU),其用途极广,性质几乎跟所有塑胶和橡胶都十分相近,同时非常耐用。

令人遗憾的是,大部份用作艺术品制作或DIY用途的聚氨酯在许多方面都让人失望。

这里推荐一间Maker商店─ Innovative Polymers。这里能够供应的产品范围十分全面、在自家的工作坊也能安全地使用,可提供满足各式各样需求的一流塑胶。

其中特别推荐的是IE-3075树脂,既牢固又坚硬,甚至连压制成型的尼龙或ABS树脂也不是其对手。此外,它本身非常好操作,价格也极便宜,每磅的价格为八美元。

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实际尺寸与CAD上的原版设计相差不到5微米

用Innovative Polymers的IE-3075(染成橘色)及OC-7086(透明)制作的微尺寸零件。

采用Innovative Polymers较坚固且耐紫外线的一款透明树脂(TD283-18),或是难以损坏且延展性佳、耐磨性高,不易切割的橡胶(HP-21xx系列)等等,就能制作出各种产品。

注意事项:这篇文章介绍的树脂虽然比作为美术用途贩卖的产品安全,但其本身仍是会产生激烈反应的化学药品,如果有兴趣制作还请谨慎地操作。在操作灌模之前,请一定要阅读随产品附上的说明书,并完全了解关于该产品的安全方面事项。

要怎么制作更复杂的零件?

的确有无法轻易地制成模具的形状。

举例来说,像是底部并非平坦的形状,或是很明显会有模型凹穴的形状。在这种情况下只能将模具分成好几部分后再组合。

虽然这个问题得通过立体模型的方式来想办法解决,感觉好像很困难,但其实我们还是有解决的方案:

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制作将零件分成两部份的原模。先在靠近分模线的地方开个小注料口,从该处利用注射器灌入树脂。

有时在作业上采用分离式模具会比较轻松。上图所示的零件并非那么容易直接制作,若用3D打印机很难制出边缘处的突出状,而如果用CNC铣床则无法切削出模型凹穴。

所以最终选择的是分离式的模具,这样问题就一口气解决了。每个模具虽然都是简单的形状,但通过组合就能灌注出复杂的元件。

结论

树脂灌模没有捷径,即使制作再简单的零件也需要各种相关的技术辅助。因此在喜欢3D打印的DIYer群体中,对它的评价并不高。但是一旦习惯了这些作业,成本就能大幅降低。而且在许多情况下,使用这个方法就能回避必须拥有3D打印机或CNC铣床的潜在制约,让专题单纯化。

虽然步骤有些长,但树脂灌模能制作出大部份的机械零件。材料则从橡胶制品到特殊制品都能使用。即使只使用一条PP树脂,混入粉末状的玻璃纤维或玻璃微粒球(glass microspheres)就能制作出如同石头坚硬的成品;混入一匙发泡剂的话,就会变得像复合泡沫塑料(syntactic foams )一样非常轻柔。

更重要的是,只要完成模具,不需花费可观成本也能制作出大量零件,也比利用3D打印机或CNC加工还快。想改变外观的话只需滴入一滴着色剂再妥善搅拌即可,没有比这个上色方式更简便的。



原帖:http://lcamtuf.coredump.cx/gcnc/full/
编译:郭晓龙

发表于 2017-1-21 16:09 | 显示全部楼层
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