摘要
本文詳細介紹了玻璃鋼模具的制作方法。包括制造模具的條件，如環(huán)境條件、潔凈車間、潔凈壓縮空氣、原輔材料選用及合理制模時間表；模具膠衣的噴涂，涉及設(shè)備、檢驗、脫模臘和脫模劑處理以及噴涂方法；模具鋪層，包括原料選擇和質(zhì)量檢驗、首層及增厚鋪層、巴氏硬度控制；模具外結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制作；脫模方法；模具處理等環(huán)節(jié)。高質(zhì)量的模具制作需要嚴格遵循各環(huán)節(jié)的要求和程序，綜合考慮多個因素，各步驟相互配合，才能制作出滿足需求的高質(zhì)量模具。
關(guān)鍵詞：玻璃鋼模具；制作方法；模具膠衣；模具鋪層
1.1 研究背景
復(fù)合材料模具在現(xiàn)代工業(yè)中占據(jù)著至關(guān)重要的地位。隨著科技的不斷進步，各行業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量和性能的要求越來越高，傳統(tǒng)的單一材料模具已難以滿足復(fù)雜的生產(chǎn)需求。復(fù)合材料因其獨特的性能優(yōu)勢，逐漸成為模具制造領(lǐng)域的新寵。
在航空航天領(lǐng)域，先進復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用。由于復(fù)合材料具有比強度和比模量高、熱膨脹系數(shù)低、設(shè)計靈活性強等優(yōu)點，其在制造高精度、復(fù)雜形狀的航空航天部件中具有不可替代的作用。而復(fù)合材料模具能夠更好地適應(yīng)航空航天部件的制造要求，確保部件的形狀、尺寸精度和表面質(zhì)量。例如，歐美航空航天領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用復(fù)合材料模具，國內(nèi)相關(guān)研究機構(gòu)和企業(yè)也在積極進行復(fù)合材料模具的研究和實驗。
在汽車制造領(lǐng)域，使用復(fù)合材料模具可以制造出更輕、更堅固、更美觀的汽車零部件。復(fù)合材料零部件具有更好的抗沖擊性和耐腐蝕性能，能有效提高汽車的性能和使用壽命。同時，隨著汽車行業(yè)對輕量化的追求，復(fù)合材料模具為實現(xiàn)汽車輕量化提供了有效途徑。
建筑領(lǐng)域同樣能看到復(fù)合材料模具的身影。利用復(fù)合材料模具可以制造出各種造型自由的建筑部件，如樓梯扶手、雕塑等。這些部件具有高強度和美觀性，同時具備防水、防火、抗震等特點，更適合現(xiàn)代建筑的需求。
體育器材領(lǐng)域，復(fù)合材料模具可以制造出更輕、更堅固、更剛性的器材，如高爾夫球桿、自行車框架等。復(fù)合材料器材具有更好的彈性和抗疲勞性能，更能滿足運動員的需求。
目前，復(fù)合材料模具的研究現(xiàn)狀主要集中在提高模具的性能、降低制造成本、拓展應(yīng)用領(lǐng)域等方面。研究人員不斷探索新的材料配方、制造工藝和設(shè)計方法，以提升復(fù)合材料模具的質(zhì)量和效率。同時，隨著智能制造技術(shù)的發(fā)展，智能復(fù)合材料模具的研發(fā)也成為了一個重要的研究方向。
1.2 研究目的
本文旨在對高性能復(fù)合材料模具制作工藝進行創(chuàng)新與優(yōu)化，以滿足現(xiàn)代工業(yè)對高質(zhì)量模具的需求。隨著各行業(yè)的快速發(fā)展，對模具的性能要求不斷提高，傳統(tǒng)模具制作工藝面臨諸多挑戰(zhàn)。
一方面，傳統(tǒng)金屬模具存在熱膨脹系數(shù)與復(fù)合材料不匹配、密度大、熱容大等問題，難以滿足高精度復(fù)合材料構(gòu)件的制造要求。而復(fù)合材料模具具有熱膨脹性能匹配、密度小、熱容小、可修復(fù)性好、制造成本相對較低等優(yōu)勢，能夠更好地適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展需求。
另一方面，現(xiàn)有的復(fù)合材料模具制作工藝在導(dǎo)熱性、工藝復(fù)雜性、過程控制等方面仍存在不足。例如，傳統(tǒng)的復(fù)合材料模具導(dǎo)熱性差，容易導(dǎo)致成型構(gòu)件出現(xiàn)缺陷和變形，影響產(chǎn)品質(zhì)量。此外，模具制作過程中的工藝復(fù)雜性和嚴格的過程控制要求也增加了制造成本和生產(chǎn)周期。
為了解決這些問題，本文將對復(fù)合材料模具制作工藝進行深入研究，探索新的材料配方、制造工藝和設(shè)計方法。通過優(yōu)化模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計、提高材料的性能、改進制造工藝等措施，提高復(fù)合材料模具的導(dǎo)熱性、強度、精度和使用壽命，降低制造成本，提高生產(chǎn)效率。同時，結(jié)合智能制造技術(shù)，研發(fā)智能復(fù)合材料模具，實現(xiàn)模具制作的自動化、智能化，為現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展提供更加優(yōu)質(zhì)的模具產(chǎn)品。
2.1 材料特性對模具性能的影響
2.1.1 樹脂材料的選擇與性能分析
間苯樹脂和乙烯基樹脂在模具制作中具有顯著優(yōu)勢。間苯樹脂具有較高的熱變形溫度和低收縮率，這使得模具在高溫環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定的尺寸精度。在模具制作過程中，低收縮率可以減少因樹脂固化收縮而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，從而降低模具變形的風(fēng)險，提高模具的精度。同時，較高的熱變形溫度使模具能夠承受較高的工作溫度，適用于一些需要高溫成型的復(fù)合材料構(gòu)件制造。
乙烯基樹脂同樣具備優(yōu)異的性能。它與纖維之間的結(jié)合力強，能夠在纖維之間傳遞更高的剪切載荷，使復(fù)合材料模具具有更高的強度。這意味著模具可以承受更大的外力而不發(fā)生破壞，提高了模具的使用壽命。此外，乙烯基樹脂還具有良好的耐化學(xué)性，能夠抵抗酸、堿等化學(xué)物質(zhì)的侵蝕。在一些特殊的工業(yè)應(yīng)用中，如化工領(lǐng)域，這種耐化學(xué)性尤為重要，可以確保模具在惡劣的化學(xué)環(huán)境下仍能保持良好的性能。
2.1.2 玻纖增強材料的作用
短切氈等玻纖增強材料在復(fù)合材料模具中起到了關(guān)鍵的增強效果。短切氈能夠最大程度地減少纖維紋路的印出，相比針織纖維氈和纖維編織類產(chǎn)品，其優(yōu)點更為突出。在模具制作過程中，短切氈可以增加模具的強度和剛度。由于玻纖增強材料的高強度特性，它能夠承受模具在使用過程中所受到的各種外力，防止模具發(fā)生變形或破裂。
同時，玻纖增強材料還可以改善模具的熱穩(wěn)定性。玻璃纖維具有較高的耐熱性，能夠在高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定的性能。在復(fù)合材料模具的使用過程中，可能會遇到高溫成型工藝或高溫工作環(huán)境，玻纖增強材料可以確保模具在這些條件下不會因溫度變化而發(fā)生性能下降或變形。
此外，玻纖增強材料還可以提高模具的尺寸穩(wěn)定性。由于其與樹脂的良好結(jié)合性，可以有效地限制樹脂在固化過程中的收縮，從而減少模具的尺寸變化，提高模具的精度和穩(wěn)定性。在模具的長期使用過程中，玻纖增強材料能夠保持模具的尺寸精度，確保生產(chǎn)出的復(fù)合材料構(gòu)件具有一致的質(zhì)量。
2.2 制作工藝參數(shù)的控制
2.2.1 環(huán)境參數(shù)的合理范圍
制作模具的溫度、濕度等環(huán)境條件對模具質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。溫度應(yīng)始終保持在 21~28℃，在這個溫度范圍內(nèi)，樹脂和膠衣的固化效果最佳，能夠確保模具的性能穩(wěn)定。如果溫度過高或過低，都會影響固化過程，導(dǎo)致模具出現(xiàn)缺陷。例如，溫度過高可能會使樹脂過快固化，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從而降低模具的強度和精度；溫度過低則會延長固化時間，降低生產(chǎn)效率。
濕度對膠衣和樹脂的固化影響也很大，理想的濕度范圍為 40~60。當濕度超過 65 時，應(yīng)等待至合適的生產(chǎn)條件再施工。高濕度環(huán)境下，模具膠衣表面容易出現(xiàn)大量針孔和麻點，這不僅會影響模具的外觀質(zhì)量，還會降低模具的強度和耐用性。為了確保模具質(zhì)量，在制造模具時，應(yīng)保持制造區(qū)高度清潔，并采取有效的除塵與清潔措施。同時，要保證純凈、干燥的氣源供給，避免風(fēng)管中空氣帶有水或油，以免影響模具膠衣的質(zhì)量。
2.2.2 固化時間的精準控制
以巴氏硬度為指標，可以有效地說明固化時間對模具質(zhì)量的影響。當積層的巴氏硬度達到完全固化硬度的 80%~90%時，就可以進行下一鋪層。通過記錄多個讀數(shù)并算出平均值，以此作為硬度值，可以消除由于固化時間差異而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)誤差。這種方法比依據(jù)鋪層時間計劃表更加準確地判斷固化程度，從而確保模具的質(zhì)量。
固化時間的精準控制對于模具的性能至關(guān)重要。如果固化時間過短，樹脂無法完全固化，模具的強度和硬度不足，外觀無光澤，脫模時容易出現(xiàn)翹曲和變形等問題。相反，如果固化時間過長，不僅會降低生產(chǎn)效率，還可能導(dǎo)致過度交聯(lián)，使收縮率增加，在樹脂與填料間產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，使制品表面發(fā)暗起泡，嚴重時會出現(xiàn)制品破裂。因此，在模具制作過程中，需要根據(jù)具體的材料和工藝要求，精準控制固化時間，以確保模具的質(zhì)量和性能。
3.1 膠衣材料的選擇與檢驗
3.1.1 優(yōu)質(zhì)模具膠衣的特點
優(yōu)質(zhì)模具膠衣具有諸多性能特點。在耐熱方面，例如環(huán)氧膠衣（EP）、乙烯基膠衣（VE）、不飽和聚酯膠衣（UP）等不同類型的膠衣有著不同的耐溫性能。正常情況下，耐溫性能為環(huán)氧膠衣＞乙烯基膠衣＞不飽和聚酯膠衣。如果是常溫固化的生產(chǎn)工藝，選擇乙烯基或者不飽和聚酯膠衣均可滿足需求；而對于一些需要加溫固化的模具，如熱壓罐工藝，由于其長時間溫度超過 120℃，一般就要考慮用環(huán)氧模具膠衣。
在耐磨方面，正常情況下乙烯基和聚酯類的巴氏硬度能達到 40HBa 左右，有些品牌的模具膠衣可高達 45 - 50HBa 之間。有足夠的硬度才能在產(chǎn)品脫模過程中起到更好的保護作用，但也不能一味地追求高硬度，因為還要考慮到其韌性強度，只有這兩者平衡才能達到最佳的性能。
此外，光亮度也是優(yōu)質(zhì)模具膠衣的重要特點之一。膠衣的巴氏硬度不能太低，若低于 30HBa，一般就難于磨出亮度來。而且針眼少的膠衣，光亮度也會更好。同時，光亮度的持久性也很關(guān)鍵，有些模具膠衣剛做出來的時候亮度非常好，但做幾件產(chǎn)品之后亮度就迅速下降了，又需要打磨、拋光等處理。
3.1.2 膠衣的質(zhì)量檢驗流程
膠衣的質(zhì)量檢驗需要嚴格按照流程進行。首先要檢查生產(chǎn)日期，依照膠衣供應(yīng)商的建議，生產(chǎn)者能夠保證膠衣從包裝到一特定時間的使用質(zhì)量。因此，生產(chǎn)者與檢查者應(yīng)經(jīng)常檢驗每桶膠衣的生產(chǎn)日期或日期編號，以便確認膠衣是否在有效的使用期內(nèi)。
其次是檢驗?zāi)z時間。每桶模具膠衣的凝膠時間、供應(yīng)商都有明確規(guī)定。檢驗時，樣品應(yīng)達到標準的測試溫度 25℃，加入指定數(shù)量的固化劑并混和均勻，記錄下從固化到加入到凝膠的時間。正常情況下，模具膠衣的最佳凝膠時間是在 40 - 60分鐘。時間太短，不利氣泡的排放，針眼會比較多；若時間太長，固化度又會上不來，直接影響其硬度。
最后是檢驗粘度。需要用 BROOKFIELD 粘度計測試膠衣粘度，膠衣樣品的溫度為 25℃。選擇合適的轉(zhuǎn)子置于樣品中，粘度計以低速和高速旋轉(zhuǎn)，記錄讀數(shù)并轉(zhuǎn)化為粘度指標。通過對生產(chǎn)日期、凝膠時間、粘度等指標的嚴格檢驗，可以確保使用的膠衣質(zhì)量符合模具制作的要求。
3.2 膠衣噴涂的注意事項與方法
3.2.1 噴涂設(shè)備的選擇與使用
在模具膠衣噴涂過程中，選擇合適的噴涂設(shè)備至關(guān)重要。目前常用的有手提式多用型噴槍和壓送式膠衣噴槍等。固化劑通過手動混合，保證了準確的比例，但噴槍噴出的扇形混合物的分布產(chǎn)生一非常細的霧化效果，噴涂的速度比泵送系統(tǒng)慢，其工作時間受到原料凝膠時間的限制。手提式多用型噴槍體型輕巧，操作容易，維護簡便，用途廣泛。它可用于噴涂產(chǎn)品膠衣、模具膠衣、外噴型膠衣，也可噴涂樹脂、油漆和內(nèi)外墻裝飾涂料，尤其能噴涂添加了聚酯顆粒的膠衣。該類噴槍結(jié)構(gòu)簡單，主要由槍體、槍頭和料杯三部分組成。使用時需準備一臺 8 公斤壓力排氣量 0.4 立方/分鐘以上的空氣壓縮機，由空壓機出口處連接氣管至槍體底部接頭處擰緊。操作時要根據(jù)原材料性能選擇合適噴嘴，檢查密封圈，在連接處涂上潤滑油，將預(yù)促進好的膠衣倒入杯內(nèi)，加入白水攪拌均勻，蓋好杯蓋，握住槍柄，扣住槍機，調(diào)節(jié)氣量控制閥使原料霧化達到最佳狀態(tài)進行噴射，停止噴射時將槍頭上揚并松開槍機，使用后用清洗液洗凈并涂上潤滑油以備下次使用。
壓送式膠衣噴槍適用于模具膠衣和產(chǎn)品膠衣，具體設(shè)備更多詳細信息可進一步查詢了解。
在使用這些噴槍時，要注意以下技巧：一是確保噴槍與模具的距離合適，避免過近導(dǎo)致膠衣流掛，過遠影響噴涂效果；二是要注意噴槍的移動速度，保持均勻穩(wěn)定，以確保膠衣厚度均勻；三是及時清洗噴槍，防止凝膠堵塞噴槍，尤其是噴嘴一定要清洗干凈，可使用丙酮作為清洗劑。
3.2.2 噴涂過程中的厚度控制
膠衣厚度對模具質(zhì)量有著重要影響。正確控制膠衣厚度能夠提高模具的強度、耐久性和外觀質(zhì)量。一般建議模具膠衣厚度為 1mm，分兩層噴涂，每層 0.5mm 厚，且每層噴三遍，一遍 0.15mm - 0.17mm。
為了準確控制膠衣厚度，可以使用膠衣濕膜卡尺。在膠衣噴涂后，在濕膜狀態(tài)下，用卡尺垂直放置膠衣面，相對最大一個粘到膠衣的尺輪就是膠衣的濕膜厚度。通常產(chǎn)品涂層厚度為 400u - 500u，建議分兩次噴涂，每層需等待幾分鐘（或完全固化后）再進行下層膠衣的操作。
在噴涂過程中，要嚴格按照正確的噴涂方法進行操作。先噴第一遍厚度為 0.15mm - 0.17mm 的模具膠衣，與第一遍成垂直方向噴第二遍膠衣，厚度為 0.15mm - 0.17mm，再按第一遍的方向噴最后一遍膠衣，這樣第一層的膠衣厚度就是 0.5mm。為避免龜裂或起皺，應(yīng)在第一層膠衣固化后，才能噴另一層膠衣。在正常溫度下，固化時間為 90 分鐘。
此外，在噴涂時還應(yīng)注意參考噴涂面積對膠衣稱重，以計算精確的固化劑添加量。考慮到最佳固化效果，推薦使用固化劑 M50，用量為 1 - 2%（膠衣重量），具體添加量參考溫度、模具面積等而定。同時，可加入 2 - 5%苯乙烯以調(diào)節(jié)樹脂膠衣的粘度和補充噴涂過程中發(fā)揮損失的苯乙烯。膠衣層的厚度應(yīng)該精確的控制在 0.3mm - 0.5mm 之間，通常以單位面積所用的膠衣質(zhì)量來控制，即膠衣的附著在模具上的用量 350 - 550g/㎡，實際用量可能達到 800g/㎡，這樣便能達到上述厚度的要求。如果室內(nèi)溫度低于 15℃或濕度超過 80%，將不能進行膠衣噴涂作業(yè)。噴涂完畢，膠衣可常溫固化（大約需要 1.5 小時），也可放置于加溫間（60 攝氏度 45 分鐘即可）加快固化。使用膠衣卡尺，檢查濕膜厚度是否滿足預(yù)期的要求。
4.1 鋪層材料的選用與質(zhì)量控制
4.1.1 模具樹脂的要求與檢驗
模具樹脂在復(fù)合材料模具鋪層中起著關(guān)鍵作用。要求具有較高的熱變形溫度和低收縮率。熱變形溫度高，能確保模具在高溫環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定的尺寸精度，避免因溫度變化而產(chǎn)生變形，影響模具的質(zhì)量和使用壽命。例如，在一些高溫成型工藝中，熱變形溫度高的模具樹脂能夠承受較高的溫度而不發(fā)生軟化或變形，保證模具的形狀和尺寸精度。
低收縮率特性可以減少因樹脂固化收縮而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。在模具制作過程中，樹脂固化收縮是不可避免的，但如果收縮率過大，會導(dǎo)致模具內(nèi)部產(chǎn)生較大的應(yīng)力，從而引起模具變形、開裂等問題。通過選用低收縮率的模具樹脂，可以有效降低這種風(fēng)險，提高模具的質(zhì)量和穩(wěn)定性。
在質(zhì)檢方面，要像對模具膠衣那樣進行嚴格的質(zhì)量檢驗。首先是材料貯存期的檢查，確保模具樹脂在有效使用期內(nèi)。根據(jù)不同的樹脂類型和生產(chǎn)廠家，模具樹脂的貯存期會有所不同，但一般來說，生產(chǎn)者應(yīng)按照樹脂供應(yīng)商的建議，對每一批模具樹脂進行檢查，確認其生產(chǎn)日期或日期編號，以保證在使用時樹脂的性能穩(wěn)定。
其次是對每一批進行混合測試。混合測試可以檢驗?zāi)＞邩渲c其他鋪層材料的相容性和混合效果。例如，在與玻纖增強材料混合時，要確保樹脂能夠充分浸潤玻纖，形成良好的結(jié)合，以提高鋪層的強度和剛度?；旌蠝y試可以通過實際的鋪層操作來進行，觀察樹脂與玻纖的混合情況，是否存在分層、氣泡等問題。