图.基于快速成型的快速模具制造技术体系
2.2.1直接制模法
基于RPM技术的快速直接制模法是利用快速成形技术直接制造模具本身，再经过一些必要的后处理和机加工以获得模具所要求的机械性能、尺寸精度和表面粗糙度。该法既不需用即系统制作样件，也不依赖传统的模具制造工艺，而是直接用快速成型件做模具，对金属模具制造尤为快捷，是一种极具开发前景的制模方法。
直接制造的快速模具尺寸精度高，结构精巧，设计灵活，例如流道系统、冷却或加热管路的布置可以更为合理，制造速度更快。直接制模材料大多是专门的金属粉末或高、低熔点金属粉末的混合物，也可使用专门的树脂。
目前有代表性的直接制模法有:利用SLS、SAL、3DP、LNES、DMLS等工艺来制作模具。
2.2.2间接制模法
间接制模法是利用RMP技术制造产品零件原型，此原型做为母模、模芯或制模工具(研磨模)，再与传统的制模工艺相结合，制造出所需生产零件的模具。随着即原型制作精度的提高，这种间接制模工艺己基本成熟，其方法则根据模具材
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料、生产成本和零件生产批量大小而不同。依据材质不同，间接制模法生产出来的模具一般分为软质模具(SoftTooling)和硬质模具(HardTooling)两大类。尽管直接快速模具制造在制造环节上比较简单，但它在模具制造精度和性能控制上比较困难、特殊的后处理要求也增加了设备的投入。与之相比，间接快速模具制造，通过快速成形与传统成型技术的有效结合，比较易于控制模具的精度、表面质量、机械性能，而且根据不同的应用要求还可以使用不同复杂程度和成本的工艺，因此目前工业界多数使用间接快速模具制造。比较典型的技术有硅胶模工艺、金属冷喷模工艺、快速精密铸造工艺、Keltool工艺和电铸模工艺等[8]。
第三章软质模具工艺及设计
我们选用硅胶模工艺来说明软质模具工艺及其设计。
3.1硅胶模工艺
目前，制模用的硅橡胶是双组分的液体硅橡胶，分为缩合型和加成型两类。目前，这两种模具硅橡胶材料己在国内外许多行业获得了广泛应用。一般来说，缩合型模具硅橡胶的撕裂强度较低，在模具制造与使用过程中易被撕破，因此很难适用于花纹深且形状复杂的模具。在用缩合型模具胶制造厚模具的过程中，由于缩合交联过程中产生的乙醇等低分子物质难于完全排出，致使模具在受热时硅橡胶降解老化而显著影响其使用寿命;同时由于乙醇等低分子物质的排出致使硫化胶的体积收缩。因此，缩合型模具硅橡胶大多用作塑料与人造革生产中的高频压花模具或用于一些尺寸要求不精密的工艺品制造。
硅橡胶模具的制作是TR技术中间接制模方法的一种。硅橡胶模具由于具有良好的柔性和弹性，对于结构复杂、花纹精细、无拔模斜度或具有倒拔模斜度以及具有深凹槽的零件来说，在制件浇注完成后均可直接取出，这是硅橡胶模具相对于其它模具来说所具有的独特的优点。同时由于硅橡胶模具具有耐高温的性能，因此它在塑料制件和低合金件的制作中具有广泛的用途。一般情况下硅橡胶模具常用于浇注塑料，即硅橡胶模具常被用做注塑模具。由于硅橡胶模具具有良好的复制性和脱模性，所以在制作形状复杂，纹理精细的产品方面具有独特的优势。它的主要优点有：(1)制作周期短，(2)成本低，(3)高柔性，(4)耐高温，(5)弹性好工件易于脱模。它的主要缺点有：(1)不能用于热注射成形，(2)导热性较差，(3)使用寿命不长。
3.2硅胶模设计
3.2.1技术特点
在设计硅橡胶模具时，首先要求硅橡胶模具CAD模型工作表面的形状、尺寸必须满足最终制件的功能形状要求，而且其公差与表面粗糙度必须满足最终制件的精度要求。考虑到利用硅橡胶模具制造零件时的各种热胀冷缩变形、模具磨损、硅橡胶材料应力蠕变以及液体材料固化收缩等物理化学现象，在从最终制件的CAD模型到硅橡胶模具的CAD模型进行特征映射时，必须给出一定的尺寸补偿。其次，要求硅橡胶模具的CAD模型必须满足脱模斜度、分型方向及分型面、浇口等模具加工工艺形状要求[9]。
在硅橡胶模具的制造过程中，SAL原型的形状特征、精度特征直接决定硅橡胶模具工作表面的相应特征，故在获得了硅橡胶模具的CAD模型后，还必须采用
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特征映射技术获得SAL原型的CAD模型。换言之，基于SAL技术的硅橡胶模具设计的最终目的与关键环节是获得SAL原型的CAD模型，这是基于SAL技术的硅橡胶模具设计的根本点。由于存在LSA原型的制造误差、后处理余量以及利用原型制造模具时的热胀冷缩变形、液体硅橡胶材料硫化收缩等因素，在从硅橡胶模具的SAL模型到SAL原型的CAD模型进行特征映射时，也必须给出一定的尺寸补偿。
硅橡胶模具设计实施步骤如下图所示。以三维计算机辅助设计软件系统(RPO/E为)平台，首先获得最终制件的三维CAD模型;其次根据尺寸补偿规律，采用特征映射技术. 获得硅橡模具工作表面的形状特征、精度特征;接着依据最终制件的几何信息，采用可见性理论，自动确定硅橡胶模具的分型方向，并合理设计分型面;然后根据硅橡胶模具工作表面的上述信息，设计硅橡胶模具的外表面形状与尺寸，从而获得一个完全封闭的CAD模型;再应用塑料成型CAE软件(MOLD一FLw0、M以、华塑CAE3DRF等)，开展液体树脂材料在硅橡胶模具型腔中充填流动的数值模拟，从而实现浇口的优化设计;最后根据尺寸补偿规律，采用特征映射技术获得CAD模型[10]。
图.硅橡胶模具设计图
3.2.2尺寸补偿
由上图可见，基于SLA技术的硅橡胶模具设计技术包含了两类尺寸补偿。第
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1类是从树脂制件的三维CAD模型映射为硅橡胶模具工作表面的三维CAD模型时的尺寸补偿，第2类是从硅橡胶模具工作表面的三维CAD模型映射为SLA原型的三维CAD模型时的尺寸补偿。其目的是使硅橡胶模具能够尽量多地制造出合格的树脂零件，因此直接或间接影响树脂制件尺寸精度的因素都应列入尺寸补偿的研究范畴[11]。
影响树脂制件尺寸精度的因素很多，树脂制件尺寸误差的产生是诸多因素综合影响的结果，它导致快速制造的树脂零件难以达到注射件那样的精度。仅从硅橡胶模具设计和制造的角度看，影响树脂制件尺寸精度的因素主要有以下5个方面:
(1)模具成型部分的制造误差A1。该误差与SAL原型的制造误差、后处理余量以及利用原型制造模具时的热胀冷缩变形、液体硅橡胶材料硫化收缩等因素有关。
(2)模具成型部分的表面磨损A2。该误差与硅橡胶材料的物理化学组成及硫化成型条件、树脂材料的物理化学组成及固化成型条件、树脂制件的结构、形状和尺寸等因素有关。
(3)模具成型部分的应力蠕变A3。该误差与硅橡胶材料的永久压缩变形性能、树脂制件的固化成型条件、树脂制件的结构、形状和尺寸以及操作人员的技术水平等因素有关。
(4)由树脂材料收缩率波动所引起的树脂制件的尺寸误差A4。该误差与不同种类树脂材料标准收缩率的变化、不同批树脂材料固化成型收缩率的差异、树脂材料中水分以及挥发和分解气体等因素有关。
(5)模具上下两部分的安装误差A5。该误差与分型方向的确定、分型面的设计等因素
有关。
由模具原因致使树脂制件产生的误差为以上误差的总和，即A=A1+A2+A3+A4+A5
因此，为了设计出尺寸合理、使用寿命长的硅橡胶模具，在从树脂制件的三维CAD模型到硅橡胶模具工作表面的三维CAD模型的映射过程中，在进行尺寸补偿前，宜开展液态树脂材料在硅橡胶模具工作型腔中固化成型的CAE研究[12]。
3.2.3分型方向的确定及分型面设计
在设计树脂制件时必须要确定成型时的分型方向以及分型面的位置，并在硅橡胶模具的三维实体造型中设计分型面的形状，而不必在SAL原型制造完成后，硅橡胶硫化成型前由人工确定，这样可以减少人工干预，保证信息流的畅通，从而为并行工程的实施创造良好的条件。
分型面设计是否合理，对树脂制件质量、工艺操作难易程度和模具的设计制造都有很大的影响。一般情况下，在保证模具上、下两部分安装精度的前提下，分型面的形状应尽可能简单，以便于制件脱模和模具制造。根据分型面的不同方位，树脂制件可以全部在下模内成型，也可以全部在上模内成型，还可以在上、下模内同时成型。具体采用哪种形式成型，要根据树脂制件的几何形状、模具浇口以及树脂制件质量要求等因素综合考虑[13]。
分型面位置的确定既要符合传统模具设计中最大投影面，保护制件外表面光滑或转角圆弧过渡，保证重要尺寸等选择原则，又要考虑基于SAL技术的硅橡胶模具制造过程中的预设分型面位置标志，手工刀剖分型等特点[14]。上述原则可能不会一一满足，甚至会发生冲突，这时应当以模具制造的方便性、可行性为原
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则，以利于硅橡胶模具零件易脱模和具有较高精度为主要目标，使之尽可能地合理。
3.2.4脱模斜度选取
从本质上说，硅橡胶模具是一类弹性体，具有良好的弹性和强度性能，故与金属模具相比呈现出优异的脱模性能，即使对于小脱模斜度、无脱模斜度的树脂制件，甚至具有一定倒脱模斜度的树脂制件，也具有一定的脱模性能[15]。但是随着脱模斜度的数值从正值到负值的逐渐变化，在脱模过程中，硅橡胶材料受到的脱模力越来越大，其变形量也越来越大，导致其成型部分的应力蠕变也越来越大，同时加速了硅橡胶模具工作表面的磨损，导致其成型部分的表面磨损也越来越大。因此，为了延长硅橡胶模具的使用寿命，在满足树脂制件功能形状与精度要求的前提下，设计时应尽量保证硅橡胶模具工作表面具有足够的脱模斜度。
硅橡胶模具的脱模斜度与树脂材料的品种，制件的形状与尺寸以及模具的结构、性能等有关。一般情况下，脱模斜度取20’一1°。在选取具体的脱模斜度时，应注意以下原则:
(l)在满足树脂制件尺寸公差要求的前提下，脱模斜度可取得大一些，这样有利于脱模。
(2)在树脂材料冷却与固化收缩率都较大的情况下，应选取较大的脱模斜度。 (3)当树脂制件壁厚较厚时，因成型时制件的收缩量大，故也应选取较大的脱模斜度。
(4)对于较高、较大的树脂制件，应选取较小的脱模斜度。 (5)对于高精度的树脂制件，应选取较小的脱模斜度。
(6)对于具有较大的压缩永久变形性能的硅橡胶模具，应选取较大的脱模斜度。
(7)对于具有高弹性、高强度性能的硅橡胶模具，应选取较小的脱模斜度[16]。
3.2.5浇口、排气口的设计
考虑到利用SLA原型制造硅橡胶模具以及利用硅橡胶模具制造树脂零件的方便性、可行性原则，在面向树脂零件快速制造的硅橡胶模具的结构中，浇口宜采用直接浇口形式，以达到引导液体树脂材料从模具上表面进料口流入模具型腔的目的。就该功能而言，硅橡胶模具的浇口等同于普通注射模中由主流道、分流道、浇口、冷料穴等构成的浇注系统。排气口的位置原则上在型腔最后充满的位置。排气口的形式有:直排气口、侧排气口、利用分型面等。排气口的大小依材料的粘度、浇注量而定，排气口的数量越少越好[17]。
在浇口的形状、位置和尺寸等参数中，形状和尺寸参数主要影响树脂制件的外观，而位置参数对树脂制件的内部质量影响很大，在确定浇口位置时，应注意以下几点:
(l)浇口应设置在能使型腔各个角落同时充满的位置。
(2)浇口应设置在树脂制件壁厚较厚的部位，使树脂材料从厚断面流入薄断面，以利于补料。
(3)浇口应选择在能避免树脂制件表面产生熔合纹的部位，当无法避免熔合纹产生时，浇口位置的选择应考虑到熔合纹产生的部位是否合适。
(4)浇口应设置在不影响树脂制件外观的部位。因此，在设计硅橡胶模具的浇口时，应首先开展液体树脂材料在模具型腔中充填流动的CAE研究，以优化浇口位置。
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