本发明涉及模具制造领域，具体而言，涉及一种在产品开发前端用于小批量注塑生产的3d打印的模块化快速塑料模具及其制作方法。
背景技术：
在传统的注塑模具注塑过程中，模具需要耐高温和高压，因此对模具材料有一定的要求，通常的模具材料都是金属材料，如模具钢和铝合金。传统的注塑模具由模仁、模架、顶出系统和浇注系统组成。模仁有型芯和型腔两部分，通过前后模分型面合模组成产品的模具腔体。一套金属模仁的加工，包括车床、铣床、磨床和钻床等普通机加工，以及线切割、电火花放电加工(edm)和数控加工(cnc)等特种机加工。模仁的加工加上配模，完成一整套金属模具通常需要几周到几个月的时间。
量产阶段金属模具在综合衡量产品数量、制造周期和制造成本三个方面具有非常大的优势。对于产品开发前期，由于需要的产品数量很少，开一套金属模具需要非常昂贵的制造成本和较长的制造周期，传统的金属模具已不能满足新时代小批量个性化和定制化以及产品快速更新迭代的需求。随着社会的不断发展，传统的大规模和集中式制造模式已危机重重，小批量、定制化和个性化时代已悄悄来临。
目前，随着个性化和定制化时代的到来，产品的开发周期在很大程度上决定了这个产品的成功与否，因此急需一种可以低成本且快速可以得到小批量的高品质真实材料注塑样板的快速模具。
技术实现要素：
为解决上述技术问题，本发明提供一种3d打印的模块化快速塑料模具及其制造方法，具有可快速替换、制造周期短、制造和维修成本低和注塑部件品质高的特点，可在48小时之内直接小批量制造出真实材料的高质量注塑部件。
本发明采用的技术方案是：提供一种3d打印的模块化快速塑料模具，包括模仁，所述模仁包括3d打印制成的中框模架和可拆卸安装在所述中框模架中的多个小镶件，多个所述小镶件在所述中框模架中相互配合形成具有用于注塑成型的模型腔的大镶件。
在本发明所述的3d打印的模块化快速塑料模具中，所述中框模架上设有凹腔，所述大镶件的边侧通过紧配合固定在所述凹腔中，相邻所述小镶件之间相互抵接。
在本发明所述的3d打印的模块化快速塑料模具中，所述小镶件为通过3d打印制成的一体成型结构。
在本发明所述的3d打印的模块化快速塑料模具中，所述中框模架和所述小镶件由数字abs材料、光敏性树脂材料或光敏性复合树脂材料中的一种或多种制成。
在本发明所述的3d打印的模块化快速塑料模具中，所述小镶件包括普通部位镶件和特殊部位镶件，所述普通部位镶件为通过3d打印制成的塑料镶件，所述特殊部位镶件为通过机加工制成的金属镶件。
在本发明所述的3d打印的模块化快速塑料模具中，所述特殊部位镶件为用于形成薄骨位、深骨位或高细节和高精度部位的镶件。
本发明还提供一种模块化快速塑料模具的制作方法，包括以下步骤：
s1加工用于组成模仁的中框模架和多个小镶件，所述中框模架通过3d打印制成，多个所述小镶件可相互配合形成具有用于注塑成型的模型腔的大镶件；
s2将多个所述小镶件相互配合并可拆卸的安装在中框模架中。
在本发明所述的模块化快速塑料模具的制作方法中，所述中框模架上设有凹腔，所述大镶件的边侧通过紧配合固定在所述凹腔中，相邻所述小镶件之间相互抵接。
在本发明所述的模块化快速塑料模具的制作方法中，所述小镶件包括普通部位镶件和特殊部位镶件，所述普通部位镶件为通过3d打印制成的塑料镶件，所述特殊部位镶件为通过机加工制成的金属镶件。
在本发明所述的模块化快速塑料模具的制作方法中，所述中框模架和所述普通部位镶件通过使用数字abs材料、热固性树脂或复合树脂材料的立体光刻成型技术(sla)、连续液面制造技术(clip)、数字光处理成型技术(dlp)、多材料喷射技术(polyjet)或材料喷射打印技术(mjp)直接打印而成。
本发明提供的模块化快速塑料模具及其制作方法结合了3d打印与金属机加工的优点，具有制造周期短、制造成本低和注塑部件品质高的特点，通过将大镶件分割为一个个的小镶件，并将小镶件通过可拆卸的方式安装在中框模架中，使其中一个小镶件损坏时可对其单独进行快速替换，无需替换其他小镶件，避免了传统模仁镶件因为局部损坏后即被丢弃或更换的情况，增加模仁整体的使用寿命，减少了模具的维修成本。同时，将小镶件分为普通部位镶件和特殊部位镶件，普通部位镶件为通过3d打印制成的塑料镶件，可在几个小时或者非工作时间完成制造，以此加快模具整体的制造进程，并可减少模具整体的制造成本，特殊部位镶件为通过机加工制成的金属镶件，精度高、质量好，可以以延长模具的寿命、保证注塑产品的品质。本发明提供的塑料模具具有模块化结构的特点，整体结构分布更合理、使用更方便、维护更简单，通过该3d打印的模块化快速塑料模具可在48小时之内快速注塑得到高品质的真实材料的复杂部件多达一百多个，这种部件适合在产品开发前端需要快速得到真实材料的样板进行功能测试，包括电学性能、跌落、耐高温和耐用性。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例一中前模仁和前外框模架的立体结构示意图；
图2是本发明实施例一中前模仁和前外框模架的俯视结构示意图；
图3是本发明实施例一中前模仁的结构示意图；
图4是本发明实施例一中后模仁、后外框模架和顶出系统的立体结构示意图；
图5是本发明实施例一中后模仁、后外框模架和顶出系统的俯视结构示意图；
图6是本发明实施例一中后模仁、后外框模架和顶出系统的右视结构示意图；
图7是本发明实施例一中后模仁的结构示意图；
图8是本发明实施例二中前模仁和前外框模架的立体结构示意图；
图9是本发明实施例二中前模仁和前外框模架的俯视结构示意图；
图10是本发明实施例二中后模仁、后外框模架和顶出系统的立体结构示意图；
图11是本发明实施例二中后模仁、后外框模架和顶出系统的俯视结构示意图；
图12是本发明实施例二中后模仁、后外框模架和顶出系统的右视结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
本发明实施例一提供一种3d打印的模块化快速塑料模具，包括模架、模仁、顶出系统和浇注系统。其中，模仁用于模具中心部位的关键运作的精密零件，结构复杂，加工难度大，造价高。本实施例中的模仁包括中框模架和多个呈海岛结构安装在所述中框模架中的小镶件，中框模架上设有凹腔，多个小镶件可拆卸安装在中框模架的凹腔中，且多个小镶件在中框模架中相互配合形成具有用于注塑成型的模型腔的大镶件。通过将大镶件分割为一个个的小镶件，并将小镶件通过可拆卸的方式安装在中框模架中，使其中一个小镶件损坏时可对其进行快速替换，无需替换其他小镶件，避免了传统模仁镶件因为局部损坏后即被丢弃或更换的情况，增加模仁整体的使用寿命，减少了模具的维修成本。进一步地，多个小镶件在中框模架中组成的大镶件的边侧通过过盈配合固定在所述凹腔中，相邻小镶件之间则在凹腔壁给予的压力下相互抵压紧密相连，从而使各个小镶件可通过外力从中框模架中轻易的拔出或插入卡紧，以实现快速更换小镶件的目的。
进一步地，所述小镶件包括普通部位镶件和特殊部位镶件，特殊部位镶件即用于形成薄骨位、深骨位或高细节和高精度部位的镶件，如模型骨位厚度小于1mm的部位、骨位深度大于5mm的部位以及要求高细节和高精度的铰链和螺纹部位。3d打印是一种增材制造技术，其成型不受结构复杂的影响，可以实现任意形状的自由成型，并且可以简化制造端的供应链，实现工业设计端和制造无缝对接，因此可以极大促进制造业的创新创造。3d打印是一种创新创造的新型工具，可以快速实现快、好、便宜。常用的3d打印或者增材制造技术包括立体光刻成型技术(sla)，熔融沉积技术(fdm)，连续液面制造技术(clip)，数字光处理成型技术(dlp)，多材料喷射技术(polyjet)，叠层实体制造(lom)，选择性激光烧结技术(sls)和选择性激光熔融技术(slm)和电子束熔融技术(ebm)。这些技术中slm和ebm可以直接实现金属打印，可以快速得到金属的毛配件，但通常还需要通过几天的精加工才能达到使用要求，加上配模时间需要两到三周，并且制造成本相比传统的机加工的模具成本更高，满足不了快速模具的需求。本发明提供的3d打印的模块化快速塑料模具及其制造方法，结合了3d打印与金属机加工的优点，具有制造周期短、制造成本低和注塑部件品质高的特点。在本实施例中，普通部位镶件为通过3d打印制成的塑料镶件，特殊部位镶件为通过机加工制成的金属镶件，特殊部位镶件由于需求的精度较高，因此优选为采用传统的机加工制成的金属镶件，以延长模具的寿命、保证注塑产品的品质，而普通部位镶件优选采用通过3d打印快速制成的塑料镶件，可在几个小时或者非工作时间完成制造，以此加快模具整体的制造进程，并可减少模具整体的制造成本。
如图1至图7所示，本发明实施例一中的模架包括前外框模架1和后外框模架8，前外框模架1和后外框模架8分别用于支撑、固定前模仁和后模仁。由于前外框模架1和后外框模架8在制作各种模具时可以共用，因此本实施例中的前外框模架1和后外框模架8为采用传统机加工制成的标准金属外框模架，前外框模架1和后外框模架8采用共用的方式，可进一步降低制造时间和成本。模仁包括前模仁和后模仁，前模仁包括前中框模架3和前模仁镶件7，后模仁包括后中框模架10以及后模仁第一镶件16、后模仁第二小镶件17、后模仁第三小镶件18、后模仁第四小镶件19、后模仁第五小镶件20、后模仁第六小镶件15。前中框模架3和后中框模架10为上述中框模架，前模仁镶件7、后模仁第一镶件16、后模仁第二小镶件17、后模仁第三小镶件18、后模仁第四小镶件19、后模仁第五小镶件20、后模仁第六小镶件15均为所述普通部位镶件。前模仁和后模仁分别开设有上述凹腔，前模仁镶件7安装在前中框模架3中，后模仁第一镶件16、后模仁第二小镶件17、后模仁第三小镶件18、后模仁第四小镶件19、后模仁第五小镶件20、后模仁第六小镶件15相互紧配合形成大镶件并安装在后中框模架10中。安装完成后的前模仁和后模仁分别对应于注塑样板的第一半形状和第二半形状，当前模仁和后模仁配合在一起的时候，两者之间即形成用于注塑成型的模型腔。前中框模架3和后中框模架10以及前模仁镶件7、后模仁第一镶件16、后模仁第二小镶件17、后模仁第三小镶件18、后模仁第四小镶件19、后模仁第五小镶件20、后模仁第六小镶件15均为采用3d打印制成的塑料件。所述中框模架和普通部位镶件可通过使用数字abs材料、热固性树脂或复合树脂材料的立体光刻成型技术(sla)、连续液面制造技术(clip)、数字光处理成型技术(dlp)、多材料喷射技术(polyjet)或材料喷射打印技术(mjp)直接打印而成。其中，热固性树脂包括光敏性树脂和光敏性复合树脂材料，其树脂成型后的热固性树脂塑料模硬度(hrd)在80以上，并在0.45mpa载荷下塑料模具热变形温度(hdt)为50℃以上。复合树脂材料包括陶瓷基树脂复合材料，金属基树脂复合材料以及碳基树脂复合材料。碳基树脂复合材料包含碳纳米管、石墨和石墨烯粉末，陶瓷基树脂复合包含二氧化硅、氧化铝和氮化硅粉末，金属基树脂复合材料包含银、铜和不锈钢粉末，且复合树脂材料中的粉末是微米级，亚微米和/或者纳米级尺寸。本实施例中的中框模架和普通部位镶件使用数字abs材料(digitalabs)通过多材料喷射技术(polyjet)制造，数字abs材料是一种热固性树脂，由柔顺性树脂和耐高温树脂组成，通过数字abs材料打印出来的模具是一种壳核结构，其制造的塑料模具的壳材料是柔顺性树脂，核材料是柔顺性树脂和耐高温树脂的混合排列数码材料，polyjet技术的刚性材料(vero系列)也同样合适模仁中塑料部件的打印。相比于其他3d技术打印的部件，该种部件不仅具有较好的韧性和耐高温性，同时有较高的精度和稳定性以及耐用性。
前模仁还包括设置在所述前中框模架3上的前模分流道6、前主流道或者唧嘴5、前螺丝孔4以及前模仁虎口2等部件。后模仁还包括设置在所述后中框模架10上的后模仁虎口9、后模分流道13、后主流道或者唧嘴12、镶针15以及后螺丝孔11等部件。前螺丝孔4设有两个，分别设置在前中框模架3的前后两端，前中框模架3即通过2个螺丝分别穿过两个前螺丝孔4而固定在前外框模架1上。后螺丝孔11同样设有两个，分别设置在后中框模架10的前后两端，后中框模架10即通过2个螺丝分别穿过两个后螺丝孔11而固定在后外框模架8上。前螺丝孔4和后螺丝孔11分别在制作时通过3d打印预留在前模仁和后模仁上，前外框模架1和后外框模架8上同样在制作时预留有与前螺丝孔4或后螺丝孔11相对应的螺纹孔。前模仁虎口2和后模仁虎口9可相互配合紧密卡合，本实施例中的前模仁虎口2为四个设置在前中框模架3四个角上的向上凸出的凸块，后模仁虎口9为四个设置在后外框模架8上与四个凸块位置及形状大小相匹配的凹陷部，当前模仁和后模仁合模时，可通过前模仁虎口2和后模仁虎口9进行定位并卡紧。镶针15、前模分流道6、后模分流道13、前主流道或者唧嘴5、后主流道或者唧嘴12属于特殊部位镶件，为保证模具加工的质量，前模分流道6、后模分流道13、前主流道或者唧嘴5、后主流道或者唧嘴12均采用传统金属机加工的方法制作，将金属预先加工完后直接配到塑料材质的中框模架上或其他镶件中。顶出系统设置在后外框模架8上与后模仁相对的一面上，顶出系统包括顶针14、顶针面板21、顶棍23和顶针底板22。为保证出模的精度，在本实施例中，顶出系统的顶针14通过金属机加工预先加工制作，再装配到小镶件中。
在该3d打印的模块化快速塑料模具整体装配完成后，人工手动把该塑料模具装到babyplast微型注塑机(锁模压力6吨)上，通过浇注系统将聚碳酸酯(pc)塑料粒料加热熔融经射嘴注射到主流道或者唧嘴以及模型腔中，保压且模内冷却后开模，模仁经风枪吹冷却至25℃左右即可通过顶出系统顶出产品。
使用本实施例提供的3d打印的模块化快速塑料模具，可在48小时之内快速注塑得到小批量高品质的真实材料的复杂部件，这种部件适合在产品开发前端需要快速得到真实材料的样板进行功能测试，包括电学性能、力学性能，装配，跌落和耐用性。
实施例二
如图8至图12所示，与实施例一不同的是：实施例二中的中框模架和普通部位镶件是基于耐高温光敏树脂材料通过立体光刻技术(sla)打印而成，这种耐高温光敏树脂是一种刚性、耐高温和耐磨性的热固性树脂。相比于其他3d技术打印的塑料模仁，该模仁具有较好的耐磨性、韧性、耐高温、精度和稳定性。在其他实施例中亦可使用陶瓷基复合树脂通过立体光刻技术(sla)制造，且在加入陶瓷粉末的树脂成型后模具具有更高的耐温性和耐磨性。
实施例二中的前模仁包括前中框模架3和前模仁镶件7，后模仁包括后中框模架10以及后模仁第一镶件16、后模仁第二小镶件17、后模仁第三小镶件18、后模仁第六小镶件15。前中框模架3和后中框模架10为所述中框模架，前模仁镶件7、后模仁第一镶件16、后模仁第二小镶件17、后模仁第三小镶件18、后模仁第六小镶件15均为所述普通部位镶件。前模仁还包括设置在所述前中框模架3上的前模分流道5、前主流道或者唧嘴6、前螺丝孔4以及前模仁虎口2等部件。后模仁还包括设置在所述后中框模架10上的后模仁虎口9、后模分流道12、后主流道或者唧嘴13、镶针15以及后螺丝孔11等部件。镶针15、前模分流道5、后模分流道12、前主流道或者唧嘴6、后主流道或者唧嘴13属于特殊部位镶件，为保证模具加工的质量，镶针15、前模分流道5、后模分流道12、前主流道或者唧嘴6、后主流道或者唧嘴13均采用传统金属机加工的方法制作，将金属预先加工完后直接配到塑料材质的中框模架上或其他镶件中。顶出系统包括顶针14、顶针面板19、顶棍21和顶针底板20。为保证出模的精度，在本实施例中，顶出系统的顶针14同样通过金属机加工预先加工制作再装配在模仁中。实施例二其他部分与实施例一相同。
本实施例在3d打印的模块化快速塑料模具完成制作后，人工手动把塑料模具装到babyplast微型注塑机(锁模压力6吨)上，通过浇注系统将丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(abs)塑料粒料加热熔融经射嘴注射到模型腔中，保压且模内冷却后开模，模仁经风枪吹冷却至25℃左右通过顶出系统顶出产品。
使用实施例提供的3d打印的模块化快速塑料模具，可在48小时之内快速注塑得到小批量高品质的真实材料的部件，这种部件适合在产品开发前端需要快速得到真实材料的样板进行功能测试，包括装配、强度、电气性能和耐用性。
本发明实施例还提供一种3d打印的模块化快速塑料模具的制作方法，包括以下步骤：
s1加工中框模架和多个小镶件，多个小镶件可相互配合形成具有用于注塑成型的模型腔的大镶件；小镶件包括普通部位镶件和特殊部位镶件；特殊部位镶件即用于形成薄骨位、深骨位或高细节和高精度部位的镶件，如模型骨位厚度小于1mm的部位、骨位深度大于5mm的部位以及要求高细节和高精度的铰链和螺纹部位。
在本步骤中，中框模架和普通部位镶件均为通过3d打印制成的塑料镶件；特殊部位镶件为通过机加工制成的金属镶件。进一步地，中框模架和普通部位镶件通过使用数字abs材料、热固性树脂或复合树脂材料的立体光刻成型技术(sla)、连续液面制造技术(clip)、数字光处理成型技术(dlp)、多材料喷射技术(polyjet)或材料喷射打印技术(mjp)直接打印而成。其中，热固性树脂包括光敏性树脂和光敏性复合树脂材料，其树脂成型后的热固性树脂塑料模硬度(hrd)在80以上，并在0.45mpa载荷下塑料模具热变形温度(hdt)为50℃以上。复合树脂材料包括陶瓷基树脂复合材料，金属基树脂复合材料以及碳基树脂复合材料。碳基树脂复合材料包含碳纳米管、石墨和石墨烯粉末，陶瓷基树脂复合包含二氧化硅、氧化铝和氮化硅粉末，金属基树脂复合材料包含银、铜和不锈钢粉末，且复合树脂材料中的粉末是微米级，亚微米和/或者纳米级尺寸。如使用数字abs材料(digitalabs)通过多材料喷射技术(polyjet)制造，数字abs材料是一种热固性树脂，由柔顺性树脂和耐高温树脂组成，通过数字abs材料打印出来的模具是一种壳核结构，其制造的塑料模具的壳材料是柔顺性树脂，核材料是柔顺性树脂和耐高温树脂的混合排列数码材料，polyjet技术的刚性材料(vero系列)也同样合适模仁中塑料部件的打印。相比于其他3d技术打印的部件，该种部件不仅具有较好的韧性和耐高温性，同时有较高的精度和稳定性以及耐用性。基于耐高温光敏树脂材料通过立体光刻技术(sla)打印而成，这种耐高温光敏树脂是一种刚性、耐高温和耐磨性的热固性树脂。相比于其他3d技术打印的塑料模仁，该模仁具有较好的耐磨性、韧性、耐高温、精度和稳定性。在其他实施例中，亦可使用陶瓷基复合树脂通过立体光刻技术(sla)制造，且在加入陶瓷粉末的树脂成型后模具具有更高的耐温性和耐磨性。此外，还可以通过设计拓扑结构减轻模具重量，来进一步减少模具制造时间和成本。
s2将多个小镶件相互配合并可拆卸的安装在中框模架中。
所述中框模架上设有凹腔，小镶件组成的大镶件的边侧通过紧配合固定在凹腔中，相邻小镶件之间相互抵接，使彼此固定兵形成模型腔。将中框模架和小镶件组成的模仁合模并安装到外框模架上，并将模架、模仁、顶出系统和浇注系统组装成本实施例中3d打印的模块化快速塑料模具。
按上述方法制成的3d打印的模块化快速塑料模具适用于注塑机的类型为卧式或立式注塑机，并且适用于熔融温度在300℃以下的热塑性材料和热固性材料的注塑。上述热塑性材料包括聚乙烯(pe)，聚丙烯(pp)，聚氯乙烯(pvc)，热塑性弹性体(tpe)，聚乳酸(pla)，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(abs)，聚甲醛(pom)，聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)，pc-abs，聚酰胺(pa)，聚酰胺+玻纤(pa+gf)，聚对苯二甲酸丁二醇酯+玻纤(pbt+gf)，聚碳酸酯(pc)。上述热固性材料包含常温固化有机硅胶和高温固化有机硅胶。此外，本发明的快速塑料模具也适用于非常规的蜡(wax)注塑成型，陶瓷粉末注射成型(cim)和金属粉末注射成型(mim)等注塑成型方式。
该3d打印的模块化快速塑料模具适合在200吨以下锁模力的注塑机上进行注塑，人工手动把快速塑料模具装到babyplast微型注塑机(锁模压力6吨)上，通过浇注系统聚对苯二甲酸丁二醇酯加30％的玻纤(pbt+30gf)塑料粒料加热熔融经射嘴注射到模型腔，保压且模内冷却后开模，模仁经风枪吹冷却至25℃左右通过顶出系统顶出产品。
本方法实施例提供的3d打印的模块化快速塑料模具的制作方法结合3d打印与金属机加工的优点，具有制造周期短、制造成本低和注塑部件品质高的特点，通过将大镶件分割为一个个的小镶件，并将小镶件通过可拆卸的方式安装在中框模架中，使其中一个小镶件损坏时可对其进行快速替换，无需替换其他小镶件，避免了传统模仁镶件因为局部损坏后即被丢弃或更换的情况，增加模仁整体的使用寿命，减少了模具的维修成本。同时，将小镶件分为普通部位镶件和特殊部位镶件，普通部位镶件为通过3d打印制成的塑料镶件，可在几个小时或者非工作时间完成制造，以此加快模具整体的制造进程，并可减少模具整体的制造成本，特殊部位镶件为通过机加工制成的金属镶件，精度高、质量好，可以以延长模具的寿命、保证注塑产品的品质。通过该方法可在48小时之内快速注塑得到高品质的真实材料的复杂部件多达一百多个，这种部件适合在产品开发前端需要快速得到真实材料的样板进行功能测试，包括电学性能、跌落、耐高温和耐用性。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。