利用CAD打造的工業級塑膠零件

幾乎所有我們看的見的商業產品都會用到合成聚合物,遍布在我們生活每個角落。塑膠的用途十分廣泛,功能特性也各有不同,有的伸縮性極強,有的質量十分堅固,有的可以抵抗惡劣的氣候,也有能防彈的塑膠材料。



這麼一想,熱衷於3D打印的業餘發燒友們至今仍將工業級塑膠視為禁忌,這點真是令人不可思議。

利用3D打印機配上PLA(聚乳酸)ABS樹脂等材料,這在成本、強度以及種類上仍無法跟“射出成型”的零件相比。就算是利用CNC銑床作業的人也無法改變這個事實。說起來大家寧願​​用壓克力或HDPE(高密度聚乙烯)這種便宜但品質差的素材。


其實我們已經有了一個既便宜、安全又簡單的方法,就是利用樹脂灌模。

這種方法只要幾小時就能在個人的工作坊製作出強度及品質都令人驚嘆的零件。

製作單一零件用的原型模具

在復制原始零件時,一般會建議使用像藻膠或矽利康膠的柔軟材料來填製原始零件的外模。然而這個方法必須等外模完全硬化後才能切開外模取出裡頭的原始零件,接著在原始零件形成的中空模穴中灌注別種熱硬化性材料來成型。

而使用這個方法會有許多缺點,舉例來說,這個製程必須要準備適合的翻模外盒並把原始零件置放其中,而如何在不傷到零件本身或外模的情況下取出零件就是一個難以解決的問題。

此外雖然有接合切成兩半的外模的方法,但要正確地接合也並不容易。不過,現在這些問題都能夠利用CAD來解決。

在事先利用CAD設計出自己所希望製作的模型,利用這個模型配合一個翻模外盒,就可直接製成一個​​原模,接下來只需要將成品切割出來即可。

我們需要考慮的問題就是如何將底部的形狀設計得平整,以避免造成脫模死角(Undercut,即是從金屬模具中取出成品時,出現無法去除的凸穴或凹穴)。





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。





製作原模的材料只要方便使用,且可預測結果的話並沒有特定限制。像是3D打印機會選擇PLA,CNC銑床則是蠟或HDPE(高密度聚乙烯)。

不過這裡我們所推薦的是更容易操作、價格也很實惠的材料——中密度聚乙烯雕刻板(medium-density prototyping boards)。


例如:RenShape 460,同等尺寸下,RenShape 460的價格比蠟還便宜,而且既輕便又堅固,對它進行切割不但非常輕鬆,並且加工出來的成品的精細程度也非常令人滿意。






製作模具

原模製作完成後,接著是選擇製作模具的柔軟材料。如果是美術作業的話,多半是使用乳膠、藻膠、聚硫橡膠(polysulfide rubbers)或錫熟化矽利康(Tin-cure silicone),但這些材料有從強度到毒性等各方面的大缺點,同時它們也是讓人們對製作模型就是會弄得很髒亂狼狽的刻板印像元兇。

在製作精密零件時,有效的選擇除了雙液型的白金熟化矽利康(platinum-cure silicone)外別無他物。它無害且無味。更重要的是,它的高聚合性能確保高度的精密性。如此製作出的模具擁有非常高的強度、復原性及耐藥品性。同時它本來的性質就不易沾黏,因此可輕易脫模原型或零件。簡單地說,白金熟化矽利康以在家玩翻模來說,是最棒又最酷的聚合物。








有很多種用於製作模具的橡膠,都是由瞄準業餘愛好者的熱門製造商製造的。但這些產品普遍都黏性過高、容易損壞,且製作小零件又太過柔軟。

這裡有一篇如何挑選適合材料的詳細指南,如果大家沒時間細讀研究這份指南,這裡直接介紹兩款各方面都十分優秀的產品:


黏性低易灌注的Quantum Silicones QM 262,以及不易損壞、顏色透明的Silicones Inc XP-592


不管哪一款,每磅(約450公克)大約在15美元左右,通常會以每組10~12磅(約4.5~5.4公斤)的形式販售。

只要決定了模具用的材料,接下來我們只需要攪拌樹脂數分鐘後將其灌注入原模,接著平鋪上一張塑膠薄板並放置數小時。






而這裡還有一個十分重要的步驟,為了正確制出細微的部份,我們需要一個真空消泡裝置。

真空消泡裝置

雖然這個名字聽上去很高端的樣子,但其實我們只需要一個小型靜音型真空泵,以及防碎聚碳酸酯(polycarbonate,簡稱PC)制的真空容器就能組裝一個。將原模放入這個裝置後,只需2到3分鐘,原模與液狀樹脂間的氣泡就會被排出來。








除此之外,還有一些小技巧,像是也有利用刷子或註射器來灌注橡膠的方法。不過這個方法除了簡單的形狀以外沒有多大意義。

灌注成型零件

完成模具後,就進入製作零件的階段,做法大致上跟製作模具相同。

只是在這個步驟中我們可以根據自己的需要利用不同的染色方式加入染色劑,然後灌入模具。

用真空消泡裝置除去氣泡後,再蓋上一張易剝離的塑膠薄板(PP塑膠或是HDPE),就這麼簡單。

接下來會開始聚合反應,數小時後就能從模具中取出零件。





灌注作業本身並不難,難的是選擇塑膠的材料。

業餘愛好者取向的品牌銷售的樹脂大多異味明顯、易損壞、膨脹率大、太早或太晚硬化,且只能製作薄的物品。當作裝飾用還可以,但作為機械的零件就有問題了。

要盡量避免使用環氧樹脂(epoxies)或聚酯(polyesters),有需要的話可以選擇聚氨酯(polyurethanes,簡稱PU),其用途極廣,性質幾乎跟所有塑膠和橡膠都十分相近,同時非常耐用。

令人遺憾的是,大部份用作藝術品製作或DIY用途的聚氨酯在許多方面都讓人失望。

這裡推荐一間Maker商店─ Innovative Polymers。這裡能夠供應的產品範圍十分全面、在自家的工作坊也能安全地使用,可提供滿足各式各樣需求的一流塑膠。

其中特別推薦的是IE-3075樹脂,既牢固又堅硬,甚至連壓製成型的尼龍或ABS樹脂也不是其對手。此外,它本身非常好操作,價格也極便宜,每磅的價格為八美元。







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

採用Innovative Polymers較堅固且耐紫外線的一款透明樹脂(TD283-18),或是難以損壞且延展性佳、耐磨性高,不易切割的橡膠(HP-21xx系列)等等,就能製作出各種產品。

注意事項:這篇文章介紹的樹脂雖然比作為美術用途販賣的產品安全,但其本身仍是會產生激烈反應的化學藥品,如果有興趣製作還請謹慎地操作。在操作灌模之前,請一定要閱讀隨產品附上的說明書,並完全了解關於該產品的安全方面事項。

要怎麼製作更複雜的零件?

的確有無法輕易地製成模具的形狀。

舉例來說,像是底部並非平坦的形狀,或是很明顯會有模型凹穴的形狀。在這種情況下只能將模具分成好幾部分後再組合。

雖然這個問題得通過立體模型的方式來想辦法解決,感覺好像很困難,但其實我們還是有解決的方案:






製作將零件分成兩部份的原模。先在靠近分模線的地方開個小注料口,從該處利用注射器灌入樹脂。

有時在作業上採用分離式模具會比較輕鬆。上圖所示的零件並非那麼容易直接製作,若用3D打印機很難制出邊緣處的突出狀,而如果用CNC銑床則無法切削出模型凹穴。

所以最終選擇的是分離式的模具,這樣問題就一口氣解決了。每個模具雖然都是簡單的形狀,但通過組合就能灌注出複雜的元件。

結論

樹脂灌模沒有捷徑,即使製作再簡單的零件也需要各種相關的技術輔助。因此在喜歡3D打印的DIYer群體中,對它的評價並不高。但是一旦習慣了這些作業,成本就能大幅降低。而且在許多情況下,使用這個方法就能迴避必須擁有3D打印機或CNC銑床的潛在製約,讓專題單純化。

雖然步驟有些長,但樹脂灌模能製作出大部份的機械零件。材料則從橡膠製品到特殊製品都能使用。即使只使用一條PP樹脂,混入粉末狀的玻璃纖維或玻璃微粒球(glass microspheres)就能製作出如同石頭堅硬的成品;混入一匙發泡劑的話,就會變得像複合泡沫塑料(syntactic foams )一樣非常輕柔。


更重要的是,只要完成模具,不需花費可觀成本也能製作出大量零件,也比利用3D打印機或CNC加工還快。想改變外觀的話只需滴入一滴著色劑再妥善攪拌即可,沒有比這個上色方式更簡便的。






Via:makezine


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