專利名稱：快速原型注模制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及注模物體的原型制造方法，更加具體地說(shuō)，涉及用于快速制造塑料注模的原型部件的適于辦公室的方法。
背景技術(shù)：
在典型的注模過(guò)程中，將塑料在高壓下以極快的速度注入到傳熱的金屬模中。模制的部件迅速冷卻到可以從模具中拆下來(lái)的溫度。然后，使這個(gè)部件迅速地從模具中彈出，以便可以制造另一個(gè)部件，并且使這個(gè)部件不會(huì)粘在模具上(由于它們的收縮不同)。大的部件的冷卻在固定裝置上繼續(xù)進(jìn)行。注模的生產(chǎn)目的是在短的周轉(zhuǎn)時(shí)間內(nèi)制造大量的高質(zhì)量的部件。典型的情況是，生產(chǎn)每個(gè)模制部件需要30秒的循環(huán)時(shí)間，或者不到30秒。
為了在一個(gè)典型的注模過(guò)程中制造3維物體，必須制備一個(gè)模具，該模具有一個(gè)腔體，所說(shuō)的腔體與所說(shuō)的3維物體的期望形狀是互補(bǔ)的。模具通常包括兩個(gè)相對(duì)的半模，它們配合在一起以確定這個(gè)模具腔體。模具一般是由鋼或其它金屬加工出來(lái)的，它們能夠承受熾熱的液體注入模具時(shí)的高溫和高壓。在使用中，將模具插入注模機(jī)的一個(gè)框架中，并且用大的夾緊力使其固定就位以克服模具內(nèi)產(chǎn)生的壓力。制備模具所需的時(shí)間和技術(shù)都是很重要的。加工必須由熟練的工匠進(jìn)行，加工包括設(shè)置用于注入注模材料的注入口、通風(fēng)孔、冷卻管路和彈出銷(脫模銷)。在一般情況下，這個(gè)過(guò)程涉及由外部的銷售人員下一個(gè)訂單并且要等待幾個(gè)星期或幾個(gè)月才能交貨，成本很高。
在經(jīng)歷與常規(guī)的金屬模具制造有關(guān)的昂貴的和漫長(zhǎng)的加工準(zhǔn)備時(shí)間之前，還期望產(chǎn)生部件的一個(gè)原型，原型的特性與生產(chǎn)部件的特性是相似的。其目的在于產(chǎn)生特性充分接近期望的最終產(chǎn)品部件的特性的原型，以便可以對(duì)部件性能作出十分接近的預(yù)期。在部件的設(shè)計(jì)階段，通常使用各種附加工藝的快速原型制造(RP)技術(shù)來(lái)制造原型部件。這些快速原型制造技術(shù)包括熔融淀積成型法(FDM)、立體光刻法(stereolithography，SLA)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、分層的物體制造(LOM)和噴射技術(shù)。這些附加工藝技術(shù)產(chǎn)生的原型用于評(píng)估部件設(shè)計(jì)的吻合程度、形式和功能，以獲得初步的部件認(rèn)同，加速產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。然而，在由這些快速原型制造技術(shù)產(chǎn)生的原型中，不能復(fù)制最終產(chǎn)品部件的強(qiáng)度。附加工藝在部件中產(chǎn)生多個(gè)層、分層的應(yīng)力點(diǎn)和空隙，導(dǎo)致與均勻注模部件不同的內(nèi)部應(yīng)力結(jié)構(gòu)。此外，在這些工藝中使用的許多材料是不堅(jiān)固的。
為了產(chǎn)生用于制造原型注模部件的模具(可稱之為“過(guò)渡模(bridgetooling)”或“臨時(shí)模(temporary tooling))，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出各種方法。一系列這樣的方法都使用了快速原型制造技術(shù)，尤其是立體光刻法。例如，美國(guó)專利No.5439622描述了使用立體光刻法形成模具外殼，然后用一種不可壓縮的材料對(duì)其進(jìn)行加固，并且涂以傳熱材料。美國(guó)專利No.5989679描述了一種模具，它是通過(guò)將加強(qiáng)材料注入由立體光刻法形成的物體內(nèi)部的腔體中形成的。美國(guó)專利No.5952018描述了一種模具，包括通過(guò)立體光刻法形成的模具內(nèi)的彈出閥。美國(guó)專利No.5641448描述了通過(guò)向由立體光刻法產(chǎn)生的塑料模具外殼上淀積金屬涂層得到的模具的制造過(guò)程。
另外，已知使用快速原型制造法產(chǎn)生用于除注模以外的工藝中的模具的應(yīng)用。例如，美國(guó)專利No.6073056就描述了一種通過(guò)立體光刻法或熔融淀積成型法制造的模具，用于形成真空鑄造部件。美國(guó)專利No.6103156描述了一種通過(guò)在快速原型制造技術(shù)形成的模具中傾注熱固性材料產(chǎn)生原型部件的工藝方法。
使用快速原型制造技術(shù)形成的部件作為主模具模型(pattern)以產(chǎn)生原型模具的技術(shù)也是公知的。例如，美國(guó)專利No.5189761描述了使用原型部件作為制造噴射金屬模具的模型。美國(guó)專利No.5707578描述了使用通過(guò)立體光刻法產(chǎn)生的原型作為主模具。
稱之為SwiftoolTM過(guò)程的工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程使用可由快速原型制造技術(shù)制造的原型部件作為用于產(chǎn)生環(huán)氧模具的模型。這種過(guò)程要花費(fèi)幾天的時(shí)間。另一種稱之為3維Keltool的工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程從通過(guò)立體光刻法制造的主模型開(kāi)始在金屬粉末燒結(jié)過(guò)程中需要幾天的周期進(jìn)行過(guò)渡模制。另外一種稱之為AIMTM的商業(yè)系統(tǒng)使用紫外線敏感的材料通過(guò)立體光刻法制造模具。
需要一種用于產(chǎn)生小數(shù)目的原型注模部件的更加快速的、易于使用的、低成本的方法，所說(shuō)的方法適用于辦公室環(huán)境。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是使用通過(guò)快速原型制造技術(shù)制造的非傳熱性塑料模具制造原型塑料注模部件的方法和設(shè)備。原型部件最好由可評(píng)估產(chǎn)品部件的強(qiáng)度的生產(chǎn)用的熱塑性材料制成。生產(chǎn)用的熱塑性材料通過(guò)一臺(tái)壓出機(jī)以緩慢的低壓過(guò)程在等溫條件下注入模具的模具腔體中，以形成所說(shuō)的原型部件。壓出機(jī)可以是絲線泵(filament pump)(即，F(xiàn)DM頭)、活塞泵、螺旋泵或其它的壓出機(jī)。原型部件在模具腔體中冷卻到接近室溫。對(duì)于生產(chǎn)用的熱塑性材料和形成模具的塑料進(jìn)行選擇，以使它們?cè)诶鋮s時(shí)具有基本上相同的收縮特性。熔融淀積快速原型制造設(shè)備可以是用于執(zhí)行注入的設(shè)備。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，模具是通過(guò)熔融淀積成型技術(shù)(fused depositionmodeling technique)制造的。在一個(gè)實(shí)施例中，模具被制成兩個(gè)或更多個(gè)部分，其中可熱固化的非傳熱的材料的各個(gè)層是按照代表模具形狀的計(jì)算機(jī)文件數(shù)據(jù)淀積成預(yù)先確定的模型。每個(gè)模具部分都包括模具表面、配合表面和支撐模具表面和配合表面的基座。幾個(gè)模具部分一起確定模具腔體。在一個(gè)可替換的實(shí)施例中，模具是由可溶解材料制成并且具有單體式結(jié)構(gòu)。
使用本發(fā)明，可在辦公室環(huán)境中，由一名工程師在24小時(shí)之內(nèi)從部件的數(shù)字表示制造出一個(gè)注模的原型部件。允許設(shè)計(jì)工程師從CAD文件制作注模部件，與快速原型制造允許設(shè)計(jì)工程師從CAD文件制作原型的方式是類似的。


圖1是用于本發(fā)明的通過(guò)熔融淀積成型法制作的一個(gè)典型的模具的兩個(gè)模具部分的頂視平面圖；圖2是沿圖1的線2-2取的圖1的兩個(gè)模具部分的剖面圖；圖3是按照本發(fā)明的快速原型制造注模設(shè)備的示意圖，部分是剖面圖；
圖4是按照本發(fā)明制造原型注模部件的方法的流程圖，其中使用了通過(guò)熔融淀積成型技術(shù)制作的模具。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的方法和設(shè)備使用非傳熱性塑料模具制作原型注模部件，所說(shuō)的非傳熱性塑料模具最好使用快速原型制造技術(shù)制造。從在熔融淀積成型設(shè)備中使用的那種類型的壓出機(jī)擠出材料的液化帶，從而可以進(jìn)行注射。擠出的材料以低速度和低壓力注入模具的模具腔體中。在填充了模具腔體后，允許這樣形成的原型部件在模具的內(nèi)部冷卻。原型部件最好由可評(píng)估產(chǎn)品部件的強(qiáng)度的生產(chǎn)用的熱塑性材料制成。熔融淀積成型設(shè)備可用于原型注模設(shè)備。
與制造注模過(guò)程相比，本發(fā)明使用低壓力、低流速和慢循環(huán)時(shí)間，允許使用非加固的塑料模具，并且提供適于辦公室應(yīng)用的安全過(guò)程。使用本發(fā)明，可以在辦公室友好(office-friendly)的環(huán)境中由一名工程師在約為24小時(shí)的時(shí)間周期內(nèi)從期望的原型部件的數(shù)字表示形成一個(gè)注模原型。
圖1表示用于實(shí)施本發(fā)明的一個(gè)典型的模具10的兩個(gè)半模具部分。這個(gè)典型的模具是2003年4月4日提交的題目為“分層的淀積過(guò)渡?！钡膰?guó)際專利申請(qǐng)No.PCT/US03/＿＿的主題，這個(gè)國(guó)際專利申請(qǐng)轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)的同一受讓人，在這里通過(guò)引用的方式合并這個(gè)申請(qǐng)，如同這個(gè)申請(qǐng)是在這里全文敘述的一樣。模具10的第一部分12包括一個(gè)下凹的模具表面14，它對(duì)應(yīng)于期望的原型模制部件的第一半的形狀。模具10的第二部分16包括一個(gè)下凹的模具表面18，它對(duì)應(yīng)于期望的原型模制部件的第二半的形狀。模具部分12和16中的每一個(gè)都有一個(gè)配合表面17和基座20，如圖2所示，基座20用于支撐模具表面14、18和配合表面17。當(dāng)模具部分12、16的配合表面17如圖2所示配合在一起的時(shí)候，模具表面14、18確定了一個(gè)模具腔體19，模具腔體19具有期望的原型部件的形狀。對(duì)于具有內(nèi)部腔體的原型模制部件，模具10還包括一個(gè)模具芯部。
每個(gè)模具部分12、16還包括一個(gè)注料道22、一個(gè)排氣道24和4個(gè)對(duì)準(zhǔn)孔26。注料道22允許設(shè)置一個(gè)注入口，注入口將要插在模具10的最終組件內(nèi)，提供向模具腔體19內(nèi)注入熔化的塑料的路徑。在模具10被組裝時(shí)，各個(gè)排氣道24共同形成用于從模具腔體19排放氣體的通道。
對(duì)準(zhǔn)孔26接收螺釘或銷釘，在組裝模具10的過(guò)程中用于對(duì)準(zhǔn)并將模具部分12、16夾持在一起。模具10還可以任選地包括冷卻管路，在注入過(guò)程期間引入冷卻劑流。
在一個(gè)可替換的實(shí)施例中，模具是由可溶解的成型材料制成，并且具有單體結(jié)構(gòu)。可溶解材料允許使用單體結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵诓考尚魏?，可從原型部件上溶解模具。?duì)比之下，要通過(guò)機(jī)械方法拆卸模具部分，才能將由不可溶解材料制成的模具從原型部件上拆下來(lái)。適當(dāng)?shù)目扇芙獬尚筒牧鲜菈A可溶解材料，包括含羧酸的原料聚合物以及增塑劑。原料聚合物包括第一共聚單體(包含羧酸)和第二共聚單體，第二共聚單體與第一共聚單體聚合，以提供適合于熔融淀積成型的熱性質(zhì)和韌性性質(zhì)。優(yōu)選的原料聚合物包括用作第一共聚單體的甲基丙烯酸和用作第二共聚單體的甲基丙烯酸烷基酯(例如甲丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丙酯或甲基丙烯酸丁酯)，優(yōu)選的第二共聚單體是甲基丙烯酸丁酯。含酸的第一共聚單體的期望數(shù)量是原料聚合物重量的15-60％。對(duì)于原料聚合物進(jìn)行塑化，以獲得成型過(guò)程所期望的流變性質(zhì)。最優(yōu)選的是，堿可溶解熱塑性材料按重量計(jì)包含約84％和74％之間的原料聚合物，并且包含按重量計(jì)占約16％和26％之間的增塑劑，并且在溫度為230℃和負(fù)載為1.2千克的情況下的熔化流動(dòng)指數(shù)在5克/10分鐘和10克/10分鐘之間。將包含部件的模具放在堿池內(nèi)，就可以從原型部件上拆除由堿可溶解材料制作的模具。堿可溶解成型材料是共同待審查的美國(guó)專利申請(qǐng)No.10/019160及其對(duì)應(yīng)的國(guó)際專利申請(qǐng)No.PCT/US00/10592(作為WO 00/62994公布的)的主題，在這里參照引用了這個(gè)申請(qǐng)，就好像它在這里全文敘述的一樣。
用在本發(fā)明中的模具最好從代表模具的計(jì)算機(jī)文件數(shù)據(jù)通過(guò)快速原型制造過(guò)程如熔融淀積成型技術(shù)制造。計(jì)算機(jī)文件數(shù)據(jù)是從在期望的原型注模部件上可得到的信息獲得的。例如，在一般情況下，使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)系統(tǒng)對(duì)部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且從定義期望部件的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)文件可獲得有關(guān)部件的輪廓的對(duì)應(yīng)的信息。計(jì)算機(jī)程序按照期望部件的輪廓設(shè)計(jì)模具部分，模具部分的形狀與期望的部件形狀相反。例如，從Moldflow公司可得到的軟件就是用這種方式設(shè)計(jì)模具部分的。另外一種軟件程序?qū)⒛＞卟糠值挠?jì)算機(jī)表示“切片”成各個(gè)水平的層。
熔融淀積成型技術(shù)按照代表模具的計(jì)算機(jī)文件數(shù)據(jù)以預(yù)定的模式擠壓熔融成型材料，由此分層地構(gòu)筑3維的物體，如本發(fā)明的模具。成型設(shè)備一層一層地?cái)D壓出成型材料的路徑，每個(gè)擠壓出來(lái)的路徑的厚度等于一片的高度。擠出的材料熔化到先前淀積的材料上，并在溫度下降時(shí)固化，以形成模具部分。在成型設(shè)備中可同時(shí)構(gòu)造多個(gè)模具部分，或者一次構(gòu)造一個(gè)模具部分。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，模具部分12和16是在StratasysTitanTMFDM熔融淀積成型設(shè)備上由聚苯基砜樹(shù)脂構(gòu)造的。
注料道22、排氣道24和對(duì)準(zhǔn)孔26最好在構(gòu)造模具時(shí)就形成在模具部分12和16中。為此，要在代表模具10的計(jì)算機(jī)文件數(shù)據(jù)中包括這樣一些特征。按照另一種方式，可以在制成模具部分12和16之后再在模具部分12和16中加工出注料道、排氣道和/或?qū)?zhǔn)孔。在典型的模具10中示出的這些通道22和24和對(duì)準(zhǔn)孔26只是這些特征的布局和設(shè)計(jì)的一個(gè)例子。可替換的設(shè)計(jì)包括垂直取向的通道22和24，在模具部分12和16中的一個(gè)模具部分或者另一個(gè)模具部分內(nèi)形成單個(gè)注料道或排氣道。
通過(guò)控制路徑(road)的壓出模式以使模具10具有內(nèi)在的孔隙率，可提供開(kāi)放單元基體，足以對(duì)來(lái)自模具腔體19的氣體進(jìn)行通風(fēng)，從而在模具10中可以不再需要排氣道。在美國(guó)專利No.5653925中給出了有關(guān)控制孔隙率的熔融淀積成型技術(shù)的教導(dǎo)。
從可以承受注模過(guò)程的溫度和壓力的非傳熱性熱塑性材料形成典型的模具10，從而可以產(chǎn)生至少一個(gè)原型塑料注模部件。典型的熱塑性材料包括按重量計(jì)至少50％的從以下的一個(gè)組中選出的一種熱塑性材料聚碳酸酯、聚苯乙烯、丙烯酸類樹(shù)脂、無(wú)定形聚酰胺、聚酯、聚苯基砜、聚砜、聚苯醚、尼龍、PEEK、PEAK、聚(2-乙基-2-噁唑啉)以及它們的混合物。熱塑樹(shù)脂可以包含各種填充物、添加劑等，正如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所理解的那樣。在利用熔融淀積成型技術(shù)產(chǎn)生模具中使用的特別優(yōu)選的熱塑性材料是基于聚苯基砜的樹(shù)脂。
圖3表示按照本發(fā)明的一個(gè)典型的快速原型注模設(shè)備30，所說(shuō)設(shè)備正處在制造原型部件的過(guò)程中。設(shè)備30包括具有分配嘴34的壓出頭32、材料源36、控制器38、成型外殼39和中空注入口35。模具10安裝和定位在設(shè)備30內(nèi)。在安裝模具10之前，在模具表面14和18上形成脫模劑，從而便于從模具10上拆除完成的部件。合適的脫模劑包括干膜潤(rùn)滑劑以及本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員認(rèn)可的其它的潤(rùn)滑劑。模具10安裝在成型外殼39中。注入口35放在注料道22中，使注入口35的分配端指向模具腔體19內(nèi)。注入口35在它的頂端有一個(gè)入口37，對(duì)入口37進(jìn)行設(shè)計(jì)使其與向下的壓出頭的擠壓嘴34相互配合。注入口的入口37接收壓出頭的擠壓嘴34，并且固定到擠壓嘴34上，借此提供從壓出頭32到模具腔體19內(nèi)部的流動(dòng)通路。優(yōu)選地，為壓出頭的擠壓嘴34提供一個(gè)絕熱體，以使擠壓嘴34不會(huì)熔化正在形成的原型部件。還有，在注入口中設(shè)置一個(gè)壓力傳感器(未示出)以監(jiān)測(cè)模具腔體內(nèi)的壓力，以便保持預(yù)定的壓力。
設(shè)備30可以是熔融淀積成型設(shè)備。然而，應(yīng)該理解，與熔融淀積成型技術(shù)不同，本發(fā)明的過(guò)程不涉及壓出頭的任何平移移動(dòng)。壓出頭32可以是能接收熱塑性材料并能通過(guò)分配嘴以低流速和低壓力分配熔融狀態(tài)的材料的任何類型的壓出頭。對(duì)于熔融淀積成型技術(shù)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了適用的壓出頭，包括液化器泵、活塞泵和螺旋泵。為進(jìn)行3維成型而開(kāi)發(fā)的這些壓出頭中的每一個(gè)都要接收固態(tài)形式的熱塑性材料原料，并將熱塑性材料加熱到期望的壓出溫度。
在這個(gè)典型實(shí)施例中，壓出頭32以由控制器38控制的速率接收生產(chǎn)用熱塑性材料的供應(yīng)以從材料源36產(chǎn)生注模原型部件。如果典型實(shí)施例的壓出頭32是液化器泵，則材料源36包括繞在卷軸上的柔性長(zhǎng)絲，壓出頭32要攜帶一組進(jìn)料輥以促使長(zhǎng)絲以可控的速率進(jìn)入壓出頭。例如在美國(guó)專利No.6004124中公開(kāi)了液化器泵。如果典型實(shí)施例的壓出頭32是活塞泵，材料源36包括在批量生產(chǎn)過(guò)程中提供的圓柱形熱塑性材料供料桿。在美國(guó)專利No.6067480中公開(kāi)了一種活塞泵壓出頭。如果典型實(shí)施例的壓出頭32是螺旋泵，材料源36要包括熱塑性材料球。例如，在美國(guó)專利No.5312224中公開(kāi)了一種螺旋泵壓出頭。兩級(jí)的壓出頭在本領(lǐng)域中也是公知的，也可以用在本發(fā)明的實(shí)施中。在美國(guó)專利No.5764521中公開(kāi)了一種壓出頭，其中從材料源36接收的原料可以在一個(gè)兩級(jí)的過(guò)程(可以采取各種形式)中加壓。
壓出頭32可以包括一個(gè)超聲振動(dòng)器，用于在分配嘴出口產(chǎn)生一個(gè)觸變流，如在美國(guó)專利No.5121329中公開(kāi)的那樣。超聲能量可能會(huì)減小注入壓力，同時(shí)可能提高生產(chǎn)用的熱塑性材料的流速。
為了生產(chǎn)原型部件，從材料源36向壓出頭32提供生產(chǎn)用的熱塑性材料，壓出頭32將生產(chǎn)用的熱塑性材料加熱到壓出溫度并且通過(guò)注入口35分配熔融的壓出材料33，使其進(jìn)入模具腔體19中。在本發(fā)明中可以使用的生產(chǎn)用的熱塑性材料包括但不限于ABS、聚碳酸酯、聚苯乙烯、丙烯酸樹(shù)脂、非晶聚酰胺、聚酯、聚苯基砜、聚苯醚、尼龍、PEEK、PEAK以及它們的混合物。生產(chǎn)用的熱塑樹(shù)脂當(dāng)然可以包含各種填充物、添加劑等。模具塑料的收縮特性應(yīng)與生產(chǎn)用的熱塑性材料的收縮特性一致，這可通過(guò)使用非晶熱塑性材料實(shí)現(xiàn)。還有，生產(chǎn)用的熱塑性材料的熱變形溫度必須小于形成模具的塑料的熱變形溫度，以使模具可以保持其形狀。
圖4是一個(gè)流程圖，總括了按照本發(fā)明使用通過(guò)熔融淀積成型技術(shù)制作的模具制造原型注模部件的典型方法。在步驟40中，使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具產(chǎn)生代表模具的計(jì)算機(jī)文件數(shù)據(jù)。在步驟42，將所說(shuō)的數(shù)據(jù)提供給熔融淀積成型設(shè)備。在步驟44，在熔融淀積成型設(shè)備中分層地構(gòu)造模具，所說(shuō)的層是由計(jì)算機(jī)文件數(shù)據(jù)確定的。在步驟46，使模具的模具表面和/或配合表面平滑，以去除在模具形成過(guò)程中意外產(chǎn)生的皺褶。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，平滑處理是以蒸氣平滑過(guò)程的形式進(jìn)行的，蒸氣平滑過(guò)程是2003年4月4日提交的題目為“用于分層淀積成型的平滑方法”的國(guó)際專利申請(qǐng)No.PCT/US03/＿＿的主題，該申請(qǐng)已轉(zhuǎn)讓給與本申請(qǐng)相同的受讓人，這里參照引用了這個(gè)申請(qǐng)，就好像它在這里全文敘述的一樣。如在所說(shuō)的共同待審查的申請(qǐng)中所公開(kāi)的那樣，將模具放在一個(gè)蒸氣設(shè)備中，使其暴露到一種溶劑的蒸氣中，從而對(duì)模具表面進(jìn)行平滑處理，直到獲得期望的表面光潔度為止。對(duì)于所說(shuō)的溶劑進(jìn)行選擇，使其可與形成模具的材料相容。合適的溶劑應(yīng)能與所說(shuō)的材料起反應(yīng)，以軟化目標(biāo)表面的材料并且使這種材料可以流動(dòng)。與大范圍的非晶熱塑性材料一起使用的優(yōu)選材料是二氯甲烷。其它的合適的溶劑也是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員認(rèn)可的，例如，n-丙烯溴溶液(如，Abzol)、全氯乙烯、三氯乙烯和氫氟碳液體(銷售名稱為Vertrel)。蒸氣平滑處理還用于密封模具表面。如在所說(shuō)的共同待審查的申請(qǐng)中所教導(dǎo)的那樣，在蒸氣平滑步驟之前，可以識(shí)別出用于溶劑屏蔽(掩模)或預(yù)變形的某些模具特征，代表模具的計(jì)算機(jī)文件數(shù)據(jù)可以包括識(shí)別所說(shuō)特征的數(shù)據(jù)。按另一種方式，可以通過(guò)涂敷液體溶劑進(jìn)行平滑處理。其它的可替換的平滑處理技術(shù)包括噴砂、研磨和熱熨。
然后，在步驟48，用脫模劑涂敷模具的模具表面(可溶解的模具可以不用脫模劑)。合適的脫模劑包括干膜潤(rùn)滑劑，以及其它的本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員認(rèn)可的脫模劑。如果需要的話，在步驟48之前可在模具內(nèi)部加工出注料道、排氣道和對(duì)準(zhǔn)孔。在步驟50，將模具安裝在按照本發(fā)明的原型注模設(shè)備中，其中不需要附加任何傳熱的填充材料或填充層。用于制造模具的熔融淀積成型設(shè)備還可以用作原型注模設(shè)備。
在步驟50中，在模具中定位注入口，并且將注入口連接到壓出頭的分配嘴上?？梢允褂脢A緊裝置或其它裝置將模具夾緊到一個(gè)固定裝置上以使其保持就位。小于或等于約為10噸的夾持力將保證注入過(guò)程的辦公室適用性。然后在步驟52將模具加熱到預(yù)定的溫度。
然后，在步驟54，進(jìn)行注模操作。從注模設(shè)備的壓出頭向模具低速和低壓力地注入生產(chǎn)用的熱塑性材料。如果在壓出頭中使用超聲振動(dòng)器，則將注入熱塑性材料的一個(gè)觸變流。在注入期間，最好進(jìn)行壓力監(jiān)視，如通過(guò)設(shè)置在模具腔體或注入口中的壓力傳感器。系統(tǒng)控制器可以根據(jù)從傳感器上讀出的壓力來(lái)調(diào)節(jié)壓出流速，以將壓力維持在目標(biāo)范圍內(nèi)。目標(biāo)壓力通常小于5000psi(每平方英寸的磅數(shù))，并且可以將目標(biāo)壓力設(shè)置成小于500psi，直到小于20psi(接近于0的壓力)。
充滿模具腔體一般需要1-2個(gè)小時(shí)左右的時(shí)間。在這段時(shí)間內(nèi)，模具和生產(chǎn)用熱塑性材料的溫度大致保持不變，因?yàn)樗芰夏＞呤蔷哂懈邿嶙璧母魺狍w。在一個(gè)典型實(shí)施例中，在注入步驟54之前將模具加熱，以提供等溫條件。可以使用各種技術(shù)來(lái)加熱模具，如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所認(rèn)可的技術(shù)?？梢栽谀＞咔惑w中放置溫度傳感器，這樣可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)熱塑性材料流、模具和/或制造環(huán)境的溫度，以維持等溫條件。將模具溫度保持在近似生產(chǎn)用熱塑性材料的壓出溫度，可以防止生產(chǎn)用熱塑性材料過(guò)早地固化，從而可在原型部件硬化之前完全填滿模具腔體。然而，應(yīng)該理解，某些材料和過(guò)程參數(shù)可以提供等溫條件而不需要對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱，在這種情況下可省略步驟52。還有，最好只加熱模具腔體和模具表面，而不是加熱整個(gè)模具。
在注入步驟55期間以及在此之前，可對(duì)模具抽真空。為此目的，例如，可以將模具放置有一個(gè)真空室內(nèi)。真空將使氣體通過(guò)模具的孔隙或通過(guò)通風(fēng)孔從模具和注入口排走。真空有助于將注入的材料吸入模具腔體內(nèi)。與在常規(guī)大氣壓條件下的情況相比，真空也有助于更加充分地和連續(xù)地填充模具腔體，產(chǎn)生沒(méi)有空隙的部件。
在填滿模具腔體時(shí)，在步驟56，終止材料向模具腔體內(nèi)的注入，允許原型部件在模具內(nèi)部冷卻。冷卻可能需要1-2個(gè)小時(shí)。在冷卻期間，可在模具上加壓，以補(bǔ)償模具和原型部件的收縮。根據(jù)需要，可以使用有源冷卻來(lái)加速冷卻過(guò)程。另外，在冷卻期間繼續(xù)監(jiān)視模具腔體內(nèi)的壓力。模具內(nèi)的冷卻可以繼續(xù)到原型部件達(dá)到室溫時(shí)為止，或者在大體上冷卻時(shí)拆下部件。
使用本發(fā)明的方法，在24小時(shí)的時(shí)間周期內(nèi)可產(chǎn)生一個(gè)原型塑料注模部件。在48小時(shí)內(nèi)，可制造出多達(dá)50個(gè)原型注模部件。
應(yīng)該理解，在實(shí)施本發(fā)明中使用的模具不限于通過(guò)淀積成型方法制造的熱塑性材料模具。相反，可以使用適用于注模過(guò)程的任何非傳熱的塑料模具，包括諸如通過(guò)立體光刻法形成的模具、熱固化模具和通過(guò)機(jī)械去除方法(如CAM/CNC)形成的模具。形成模具的塑料材料可以包括各種填充物、添加劑等。
雖然參照優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)描述了本發(fā)明，但本發(fā)明由權(quán)利要求書限定。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，在形式上和細(xì)節(jié)上都可以變化而不會(huì)偏離本發(fā)明的構(gòu)思和范圍。
例如，在一個(gè)可替換的實(shí)施例中，模具是透明的，并且使用光聚合物來(lái)形成原型部件。將光聚合物注入模具腔體內(nèi)，并且通過(guò)暴露到光中使其固化。在另一個(gè)實(shí)施例中，使用的是熱固化反應(yīng)注模技術(shù)。將兩個(gè)或多個(gè)反應(yīng)物材料混合在一起，以形成熱固化樹(shù)脂，將熱固化樹(shù)脂注入模具中。通過(guò)對(duì)模具加熱使樹(shù)脂固化從而形成原型部件。
權(quán)利要求
1.一種用于制造原型塑料注模部件的方法，包括如下步驟提供一個(gè)非傳熱的塑料模具，所述塑料模具限定一個(gè)模具腔體；以小于5000psi的壓力向模具腔體內(nèi)注入塑料材料的液化帶，直到所述材料填滿模具腔體；固化模具腔體內(nèi)的塑料材料以形成原型部件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中使用壓出頭將注模材料注入模具腔體內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在注入步驟之前，將模具加熱到接近壓出溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中注入壓力小于2000psi。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中注入壓力小于500psi。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中注入壓力小于20psi。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括如下步驟在注入步驟之前，以小于或等于10噸的夾緊力將模具夾緊到固定裝置上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中注入步驟是一個(gè)絕熱過(guò)程。
9.一種用于制造原型塑料注模部件的方法，包括如下步驟提供一個(gè)非傳熱的塑料模具，所述塑料模具限定一個(gè)模具腔體；以小于5000psi的壓力向模具腔體內(nèi)注入材料液化帶形式的熱塑性材料，從而使生產(chǎn)用熱塑性材料填滿模具腔體；和在模具腔體內(nèi)冷卻生產(chǎn)用熱塑性材料，以形成原型部件。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，進(jìn)一步包括如下步驟根據(jù)代表期望的原型部件的計(jì)算機(jī)文件數(shù)據(jù)，使用快速原型制造技術(shù)構(gòu)造模具。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述模具是在熔融淀積成型設(shè)備中構(gòu)造的。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中構(gòu)造步驟和注入步驟是在同一個(gè)熔融淀積成型設(shè)備中進(jìn)行的。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中注入步驟是在熔融淀積成型設(shè)備中進(jìn)行的。
14.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中使用熔融壓出機(jī)(melt extruder)向模具腔體內(nèi)注入注模材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中熔融壓出機(jī)包括絲線泵。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中熔融壓出機(jī)包括活塞泵。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，進(jìn)一步包括如下步驟在模具中定位注入口，以使注入口的分配端指向模具腔體內(nèi)部；和將注入口的入口端連接到熔融壓出機(jī)的分配嘴；其中從熔融壓出機(jī)經(jīng)過(guò)注入口向模具腔體內(nèi)注入熱塑性材料。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中在注入步驟期間，在壓出機(jī)內(nèi)引入超聲能量，以產(chǎn)生熱塑性材料的一個(gè)觸變流。
19.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，進(jìn)一步包括如下步驟在注入步驟之前，將模具加熱到接近壓出溫度。
20.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，進(jìn)一步包括如下步驟在注入步驟之前，用脫模劑涂敷模具腔體的表面。
21.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，進(jìn)一步包括如下步驟在注入步驟期間監(jiān)視模具腔體內(nèi)的壓力，并且與此相應(yīng)地調(diào)節(jié)注入壓力。
22.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中注入壓力小于2000psi。
23.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中注入壓力小于500psi。
24.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中注入壓力小于20psi。
25.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，進(jìn)一步包括如下步驟在注入步驟之前，以小于或等于10噸的夾緊力將模具夾緊到固定裝置上。
26.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，進(jìn)一步包括如下步驟在冷卻步驟期間在模具上保持恒定壓力，以補(bǔ)償原型部件和模具的收縮。
27.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中原型部件在模具腔體內(nèi)冷卻到接近室溫的溫度。
28.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，進(jìn)一步包括如下步驟在注入步驟之前，對(duì)于模具的表面進(jìn)行蒸氣平滑處理。
29.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中熱塑性材料是從以下的一組材料中選出的ABS、聚碳酸酯、聚苯乙烯、丙烯酸類樹(shù)脂、無(wú)定形聚酰胺、聚酯、聚苯基砜、聚苯醚、尼龍、PEEK、PEAK以及它們的混合物。
30.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中塑料模具是由熱塑性材料形成的，所述熱塑性材料包括按重量計(jì)至少50％的從以下的一組材料中選出的一種熱塑性材料聚碳酸酯、聚苯乙烯、丙烯酸類樹(shù)脂、無(wú)定形聚酰胺、聚酯、聚苯基砜、聚砜、聚苯醚、尼龍、PEEK、PEAK、聚(2-乙基-2-噁唑啉)以及它們的混合物。
31.根據(jù)權(quán)利要求30的方法，其中形成模具的熱塑性材料包括基于聚苯基砜的樹(shù)脂。
32.根據(jù)權(quán)利要求30的方法，其中形成模具的熱塑性材料包括基于聚苯基砜的樹(shù)脂，且注入的熱塑性材料是ABS。
33.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中注入步驟是使用真空輔助裝置進(jìn)行的。
34.根據(jù)根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中注入步驟是一個(gè)絕熱過(guò)程。
35.一種用于制造原型塑料注模部件的方法，包括如下步驟提供一個(gè)非傳熱的透明塑料模具，所述塑料模具限定一個(gè)模具腔體；以小于5000psi的壓力向模具腔體內(nèi)注入光聚合物的液化帶，直到所述材料填滿模具腔體；通過(guò)使所述聚合物暴露到光中在模具腔體內(nèi)固化所說(shuō)的聚合物，借此形成注模原型部件。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，進(jìn)一步包括如下步驟在注入步驟之前，將模具加熱到接近壓出溫度。
37.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其中使用熔融壓出機(jī)將聚合物注入到模具腔體內(nèi)。
38.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其中注入壓力小于500psi。
39.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其中注入壓力小于20psi。
40.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其中注入步驟是一個(gè)絕熱過(guò)程。
41.一種用于制造原型塑料注模部件的方法，包括如下步驟提供一個(gè)非傳熱的塑料模具，所述模具限定一個(gè)模具腔體；提供包括兩種或更多種可相互反應(yīng)的材料的一個(gè)供給源，當(dāng)這些材料在一起發(fā)生反應(yīng)時(shí)可形成熱固化樹(shù)脂；將所說(shuō)的反應(yīng)材料混合在一起；以小于5000psi的控制壓力從壓出機(jī)向模具腔體內(nèi)注入材料液化帶形式的所述反應(yīng)材料，從而使反應(yīng)材料填滿模具腔體；加熱在模具腔體內(nèi)的反應(yīng)材料，借此形成注模原型部件；和在模具腔體中冷卻所述注模原型部件。
42.根據(jù)權(quán)利要求41的方法，其中注入壓力小于500psi。
43.根據(jù)權(quán)利要求41的方法，其中注入壓力小于20psi。
44.根據(jù)權(quán)利要求41的方法，其中注入步驟是一個(gè)絕熱過(guò)程。
全文摘要
公開(kāi)了一種用于制造原型注模部件的方法和設(shè)備。用于熔融淀積成型技術(shù)的這種類型的壓出機(jī)將生產(chǎn)用的熱塑性材料在一個(gè)等溫過(guò)程中緩慢地以低壓力注入經(jīng)過(guò)加熱的非傳熱的塑料模具內(nèi)?？梢酝ㄟ^(guò)熔融淀積成型技術(shù)或另外的快速原型制造技術(shù)從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制圖構(gòu)造所說(shuō)的模具。使用本發(fā)明，可由工程師在辦公室環(huán)境中在24小時(shí)內(nèi)從部件的數(shù)字表示制造出一個(gè)注模原型部件。
文檔編號(hào)B29C33/38GK1652915SQ03810680
公開(kāi)日2005年8月10日 申請(qǐng)日期2003年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月17日
發(fā)明者史蒂文·斯科特·克倫普, 威廉·R·Jr.普列德曼, 杰弗里·J·漢森 申請(qǐng)人:斯特拉塔西斯公司