专利名称：生产直接加工模具的方法以及使用该模具的方法
技术领域：
本发明涉及用聚合物模具生产功能性样件的方法。这种聚合物模具成本较低、尺寸精确且成型快捷。本发明在诸如汽车、玩具、耐用电子产品和生物医学器件等工业中的产品设计和预生产阶段特别有用，在这些地方，快速制备样件是成功的关键。
样件是所要制造的制品的全部或部件的三维模型。样件可以制成实际尺寸或缩比件。与蓝图或甚至计算机视屏上的三维图象相比，样件的优点在于可以握住、转动和感觉到实际零件。随着零件制造复杂性的提高，在设计阶段用肉眼检验制品的需要日益增长。鉴于在初步设计阶段应用样件具有明显的优点，无怪乎人们始终认为制造样件是必不可少的领域。
一种周知的生产样件的方法是采用层压聚氨酯或环氧基模板。层压板具有木材的外观、手感和一致性。样件模型是通过切削去多余板材制成的。这种板能显示出外表面的特征和细节。这种体系对于审视较大体积的制品特别有用。但是，从一块层压板制备样件需要许多时间与经验。
生产高度精致样件的另一种技术是立体石版印刷术。三维物体在立体石版印刷系统中生产，该系统包含树脂浴、辐照源和可移动支座。所述可移动支座能在树脂浴中垂直移动。所述树脂浴包含所选的在紫外光辐照下能固化的高性能树脂。辐照源的能量射向树脂浴表面，选择性地固化树脂顶层的区域。
辐照源受计算机控制。计算机根据对所需制作物体的计算机辅助设计分析确定辐照源的移动与方向。计算机主要确定所需制作物体一层挨一层的轮廓。然后计算机引导辐照源选择性地固化与每层轮廓一致的顶层区域。每完成一层，可移动支座就把已固化好的那一层降进树脂浴中，让新树脂没过这个已固化层。重复这一过程直到形成所需的物体。为了使形成的固化制品有足够的强度，通常需要一个加热后固化步骤。
一种类似的叠加制造法是熔融沉积模制法，该法采用热塑性金属丝样纤维。将纤维熔化并通过压送头层层挤出。压送头按照计算机辅助设计层轮廓定位挤出物。当所有的层都沉积好时，就将支持这些层叠挤出物的平台降下来。
还有一种叠加模制法是三维印刷术。三维印刷术采用粉末状材料，如耐火粉末和粘结剂。三维零件是通过选择性地将粘结剂涂布到一薄层耐火粉末上去制成的，粘结剂把粉末粘结在一起。叠层是以类似于前述层叠制造法逐步形成的。
冲击颗粒制造法是采用喷墨机理通过一层挨一层沉积蜡状材料而形成三维物体的。一种相关的工艺应用喷墨机理一层层沉积熔化金属。
层压体制造法通过层压多层精整片材而形成三维物体。层压片材用激光精整。以加热和加压活化热粘结剂，将一层层片材依次彼此粘结起来。
上述制造方法都可用来生产实际样件，而不是模具本身。因此，上述制造方法都存在一个共同缺点，即每一个制造周期只能生产一个样件。
失芯模具被用来生产成型实际零部件的模具。例如，汽车工业上越来越多地采用铝质发动机部件，目的是减轻汽车重量并节约能耗，同时控制制造成本。但是，传统铸造法中，制造与装配型芯与模具的机构限制了可被铸造的设计物件。失泡沫铸造法，即埋在干沙中的聚苯乙烯泡沫模型，在热金属使塑料泡沫蒸发时便制成金属铸件，使汽车公司能浇铸现代内燃机所需的几何形状复杂的汽缸盖。但是，生产这种成型泡沫模型的设备成本很高，而且加工改变要花许多时间。
此外，至少有一家公司建议开发一种制造低成本制模机以及生产塑料、陶瓷和金属模具的相关方法，应用于汽车制造。这种所建议的汽车快速模具制造机(MVRTM)需要用一台精密绘图仪来定位沉积构建材料小滴的喷咀，所述构建材料由热塑性材料或陶瓷浆料或金属粉末组成。另一个喷咀用于沉积蜡，它作为支持材料起到零件固定和精细限定作用。然后将模型精整到所需的高度并浸没在溶剂中将蜡溶掉。所形成的构建材料的形状通过熔模铸造法或烧结法转化为一付金属模具。
授予加拿大国家研究委员会的美国专利5,641,448公开了一种用立体石版印刷系统制造样件模具的方法。样件模具上有一个刚性支座，目的是防止弯曲。此外，模具的内表面涂有一薄层金属涂层。将该模具装进注塑机，在较低的压力下生产样件。授予摩托罗拉(Motorola)公司的美国专利5,439,622也公开了一种用立体石版印刷系统制造样件模具的方法。授予Hoover Universal公司的美国专利5,458,825公开了一种用立体石版印刷术制造成型快速容器样件的吹塑成型模具的方法。授予Northern Telecom公司的美国专利5,562,846公开了一种以立体石版印刷系统制造带有冷却通道的模具部件的方法。
授予通用汽车公司的美国专利4,863,663公开了一种用于制造汽车部件的方法。所需部件的一个雏形是用许多互锁的切割刚性片材制成的。在由互锁的切割刚性片材限定的外表面上包上一层片材。所形成的模型可用来制造随后生产样件的模具。所述模具是将所形成的模型与树脂和玻璃纤维布一层层叠起来构成的。
授于John H Hutchinson的美国专利5,231,749涉及一种制造内形与外形设计验证模型的方法。制造这种设计模型所用的材料可以包括粘土、REN、木材、复合制模化合物、高密度泡沫材料和玻璃纤维。
授予Bruder Healthcare公司的美国专利5,432,322涉及一种改进的加热垫和制造这种加热垫的方法。在所述方法的一个实施方案中，通过将聚合物模塑在加热元件上，使加热元件包复上一层连续的有机聚合物层。模具用REN-成形TM材料，即一种复合制模材料制造。模具制成后，将加热元件与相关部件置于模内，闭模。然后将浇注聚氨酯组合物倒进模内包封住元件。固化后开模，取出重叠模塑的密封加热垫。
尽管正在努力进行这些研究，但仍需要有一种能生产多件尺寸精确的功能性样件的系统。这种系统必须很灵活，以便能作多种设计变更而不会耽误很多时间。此外，优选这种系统能采用与所要生产的终产品相同的材料来生产样件。
本发明涉及一种制造模具的方法，该方法包括提供至少一种其玻璃化转变温度低于热塑性模塑物料熔融温度的聚合物板材，并按照计算机辅助设计从板材上除去至少一部分材料，以形成一个所要成形制品的反版。优选用一种高速计算机数控机加工设备除去至少所述一部分聚合物板材。所述聚合物板材可以是形成固化聚氨酯的组合物或含至少一种环氧树脂的固化混合物，所述环氧树脂的每个分子上平均有一个以上的缩水甘油基。优选热塑性模塑物料选自下列一组聚合物聚丙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物和聚碳酸酯。
本发明的另一个实施方案是一种通过下列步骤制造模具的方法提供至少一种聚合物板材，并用计算机数控机加工法，按照计算机辅助设计从板材上除去至少一部分材料，以形成一个所要模塑的制品的反版。优选所述聚合物材料的玻璃化转变温度低于所要注射到所述模具中去的热塑性模塑物料的熔融温度。所述聚合物板材可以是形成固化聚氨酯的组合物或含至少一种环氧树脂的固化混合物，所述环氧树脂的每个分子上平均有一个以上的缩水甘油基。所述热塑性模塑物料优选选自下列一组聚合物聚丙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物和聚碳酸酯。
本发明的又一个实施方案是一种以下列步骤制造样件的方法提供一付由固化聚合物材料制成的模具，所述聚合物材料的玻璃化转变温度低于所选聚合物模塑物料的熔融温度，然后将所选的聚合物模塑物料的熔体注射进该模内按照计算机辅助设计形成的模腔中以生产样件。本发明还涉及由该方法生产的样件。
本发明的再一个实施方案是以下列步骤制造样件的方法提供一付由固化聚合物材料制成的模具，并将所选的熔融模塑物料注射进模具内，用计算机数控机加工法按照计算机辅助设计所形成的模腔中生产样件。本发明还涉及一种用该方法得到的样件。
本发明的又再一个实施方案是以下列步骤从所选模塑物料制造最终制品的功能样件的方法提供一付由一种其玻璃化转变温度低于所选聚合物模塑物料熔融温度的固化聚合物材料制成的模具，并将所选聚合物模塑物料的熔体注射进该模具内按照计算机辅助设计所形成的模腔中。本发明还涉及一种由该方法得到的功能样件。
本发明的又再一个实施方案是一种用所选聚合物模塑物料，以下列步骤制造最终制品的功能样件的方法提供一付由固化的聚合物材料制成的模具，并将所选的熔融聚合物模塑物料注射进该模具内用计算机数控机加工法按照计算机辅助设计所形成的模腔中以形成样件，所述熔融聚合物模塑物料与制造最终制品所选用的聚合物模塑物料基本相同。本发明还涉及一种由该方法得到的样件。
本发明还涉及一种由固化的聚合物材料制成的，用来制造样件和功能样件的聚合物模具，所述固化的聚合物材料包含至少一种环氧树脂、一种环氧-异氰酸酯组合物或一种形成的聚氨酯组合物，所述环氧树脂的每个分子上平均有一个以上的缩水甘油基。
图1(a)示意计算机辅助设计模型中型芯(顶出杆)插件的投影图。
图1(b)示意一个计算机辅助设计模型中模盖(模腔)插件的投影图。
图2是模塑好的样件与内浇口的投影图。
本发明涉及一种生产多件尺寸精确的功能样件的方法。制造这类样件特别优选的一种方法涉及在注塑系统中应用聚合物模具。虽然以下的叙述主要涉及注塑成型，但本领域内的技术人员将会认识到其它模塑系统，如吹塑成型也适合于生产该样件。
注塑成型是一种间歇式周期性工艺，在其中聚合物粒料被加热熔化。然后熔体被强迫进入一付密闭模具，并在模具中凝固成所需的制品。熔体在模具中凝固的方式取决于所注射材料的类型。热塑性材料在冷却中凝固，而热固性材料要通过加热才凝固。注塑系统一般都包括混合与熔化段、一个注射熔体的工具以及一个模塑段。
注塑系统中的模具包含模腔部分，它是所要成型的制品的反版。模具一般由两部分组成，两者在压力下锁紧在一起。模具上有一个浇口以引导熔体进入模腔。模具设计必须提供排气孔，使空气在熔体材料进入模具时逸出。
为制造模具选择的材料必须能耐注塑操作。在模具中必须将温度与压力升到足够高才能保证模塑制品反映出树脂制造厂家的性能规格。注射和保压期间施加在树脂上的塑化压力为约8274kPa(1200磅/英寸2)-约137.9MPa(20,000磅/英寸2)。
本专利所用的模具是用分析所需制品外形的计算机辅助设计软件包进行设计的。然后由软件程序计算出所需制品的反版，并加入所需的排气、冷却和顶出通道。
样件可从许多不同的聚合物材料模塑而成。本发明旨在根据相应制造最终制品所要用的材料类型来选择模塑物料。采用同类模塑物料，用户能生产功能样件。功能样件是指所得的样件与所需的最终制品具有基本相同的性能，如重量、密度、手感、柔软性等。功能样件既要用目视检验精度还要经受一系列性能试验。所述功能样件经受破坏性试验的能力明显优于每一生产周期只生产一件样件的系统。通常所用的聚合物特别是热塑性材料的实例包括聚烯烃，如聚丙烯、苯乙烯类，如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚碳酸酯和缩醛等。
这种系统中所用的模具由聚合物模塑物料制造。所述模塑物料应具有吸水性低，产生的粉尘少、掉屑少、耐划伤和良好的可加工性与低密度等特点。尤其重要的一点是模塑物料应能被加工到所要求的模塑表面效果和内部细节。模塑物料应具有足够的压缩强度与弯曲强度，才能耐加工与模塑操作。优选模塑物料的压缩与弯曲强度超过约55.16MPa(8,000磅/英寸2)。此外，模塑物料必须能耐注塑操作期间注射熔体的温度。令人惊奇的是，业已发现模具材料的玻璃化转变温度可以低于所要注射进该模具系统的模塑材料的熔融温度。
优选模具材料是固化的聚合物板。这类板材一般以矩形板的形式提供，厚度至少约10cm(4英寸)、宽度约46-61cm(18-24英寸)以及长度约为61-91cm(24-36英寸)。
优选的板材由热固性树脂体系混合物制成。所述热固性树脂体系包含选定的基体组分、硬化剂、催化剂、填料和其它常用添加剂。优选基体组分选自于形成聚氨酯组合物、环氧树脂及所谓的环氧异氰酸酯树脂(EPIC，德国贝尔公司出售)。聚氨酯为基础的模板可用来模塑成型以聚丙烯和ABS为基础的样件。环氧化物为基础的模板非常适合于模塑成型聚丙烯样件、ABS为基础的样件和聚碳酸酯为基础的样件。
可固化的形成聚氨酯组合物由至少一种聚异氰酸酯与至少一种多元醇的混合物制备。优选的聚氨酯为基础的板材由一种反应性混合物制备，它包括一种选定的包含下列组分的多元醇混合物a)羟基当量最高达约150和官能度为4-8的多元醇；b)羟基当量超过1900和官能度为2-4的聚醚-多元醇；以及c)官能度为2-4的丙二醇或聚四氢呋喃，其中每一种的羟基当量都是150-500，或它们的混合物。
羟基当量不超过约150的多元醇组分的实例是带有4-8个羟基的多羟基化合物，如赤藓醇或季戊四醇，戊五醇，如阿糖醇、阿东糖醇或木糖醇，己糖醇，如山梨糖醇、甘露糖醇或己六醇，糖，如蔗糖或糖的衍生物和淀粉衍生物。还有一些实例是如上所提及的多羟基化合物与环氧乙烷和/或环氧丙烷的低分子量反应产物，也可以是含有足够数量反应性基团的其它化合物与环氧乙烷和/或环氧丙烷的低分子量反应产物，所述其它化合物，如多元胺，包括氨气、乙二胺、1,4-二氨基苯、2,4-二氨基甲苯、2,4′-二氨基二苯甲烷、4,4′-二氨基二苯甲烷、1-甲基-3,5-二乙基-2,4-二氨基苯和/或1-甲基-3,5-二乙基-2,6-二氨基苯。多元醇的羟基当量的下限值优选为约60，更优选羟基当量大于约70。
特别优选蔗糖或淀粉衍生的多元醇。这类产物可以从Olin公司购得。
多元醇组分可包含约5重量％-约30重量％的羟基当量不超过约150和官能度为4-8的多元醇。
聚醚多元醇可以通过引发剂与烯类氧化物发生反应而获得，所述烯类氧化物如环氧乙烷、环氧丙烷或环氧丁烷，或四氢呋喃。这里，所述引发剂是所有通常适合于制备聚醚多元醇的官能度为2-4的引发剂，如水、含有2-4个羟基的脂肪族、环脂族或芳香族多羟基化合物，如乙二醇、丙二醇、丁二醇、己二醇、辛二醇、二羟基苯或双酚、甘油、赤藓醇、或季戊四醇，或相应的多元胺，如乙二胺或双苯胺。优选以环氧乙烷或环氧丙烷为基础的聚醚多元醇。聚醚多元醇的羟基当量应大于约1900。当量的上限值优选为约3000。聚醚多元醇的量优选为多元醇组分总量的约3重量％-约40重量％，更优选5重量％-30重量％。
一般优选在室温或略高于室温时为液体的多异氰酸酯。适用的多异氰酸酯包括单体二异氰酸根合二苯甲烷的异构体、多亚甲基多苯基二异氰酸酯、4,4′-异苯甲烷二异氰酸酯和它们的改性产物，甲苯二异氰酸酯、苯基二氢化茚二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、2,2,4-三亚甲基六亚甲基二异氰酸酯以及它们的混合物。可固化形成聚氨酯组合物还可包括常用的添加剂，如催化剂(如叔胺)、抑泡剂、表面活性剂、内脱模剂、染料、颜料和阻燃剂及分子筛。可固化的形成聚氨酯组合物还包括非导电性填料如三水合铝和碳酸钙。
为模塑成型高热变形温度(HDT)热塑性塑料，如聚碳酸酯的功能样件，所优选的模板以环氧树脂或环氧异氰酸酯树脂为基础。适用的环氧树脂在室温下为低粘度，而且每个分子上平均有一个以上的缩水甘油基。低粘度双酚-A树脂、一般的2,2-二(4’-羟苯基)丙烷(双酚-A)、2,2’-二(3’,5’-二溴-4’-羟苯基)甲烷(四溴双酚A)、二(4-羟苯基)甲烷(双酚F)的多缩水甘油醚及其先进的酚醛清漆是特别优选的。前述常用的添加剂都可以加入可固化环氧组合物中。树脂混合物必须具有足够低的粘度，以便加入填料，特别是非导电性填料，如三水合铝和碳酸钙。
环氧树脂可以用碱固化剂或酸固化剂进行固化。硬化剂应具有低反应性并产生一种能在室温下被引发的低放热固化反应。碱固化剂的实例是路易斯碱、伯胺和仲胺，如二乙醇胺、乙基和甲基乙醇胺、二甲胺、二乙胺、甲乙胺和甲基-正丙胺、哌啶和哌嗪，环脂族胺，如异佛尔酮二胺，以及芳族伯胺，如苯二胺、亚甲基二胺和二氨基二苯基砜，以及酰胺，如双氰二酰胺和丙烯酰胺。酸固化剂是碳酸酐、二元有机酸、酚和路易斯酸。优选的固化剂是伯胺、仲胺和叔胺(催化剂)的混合物。酸酐固化剂虽然适合于某些应用，但势必需要至少中等程度的加热来引发固化反应。为使环氧树脂组分充分固化，组合物中应加入足够量的固化剂。
聚氨酯为基础的模板是通过将异氰酸酯与多元醇组分预混合而制造的。将所形成的混合物注射进一付封闭模具中使之固化。优选在固化阶段不加热。然后将所得到的已固化件进行后固化退火处理。环氧化物为基础的模板的制备方法类似，即将树脂与硬化剂组分混合，然后注射进一付密闭模具中使之固化。固化周期的温度取决于所选的硬化剂。优选不加热而只有因固化反应产生的中等热量。所得到的固化环氧化物为基础的模板也要进行后固化退火处理。
本发明中所用的聚合物模具优选用高速计算机数控机加工设备成形。高速机加工虽然不是非要不可，但它是优选的步骤，它能大大压缩样件的生产时间。计算机数控机加工设备用一台计算机控制切削装置。切削装置进行刮削、切割、挖铣、钻削，从已固化聚合物模板上除去一定材料。切削装置按照上述计算机辅助设计从已固化的聚合物板上除去材料，形成一个所需最终制品的反版。优选的计算机数控机加工设备应是刚性的，并能始终如一地重复提供适当的表面光洁度和尺寸要求。优选的机加工设备能以大于508cm(200英寸)/min的速度对已固化聚合物板进行粗加工。
为提高所得聚合物模具的性能，可以在模具背面附加一个金属支座。金属支座可以使聚合物模具能较长期或更多次承受注塑成型中施加的力和应力。为了把模压混合物料进所需的模压机，需要一个合适的框架或支座。这个框架也有利于安装功能性零件(即顶出器)从而允许自动或半自动生产。
注塑成型系统的温度与压力取决于所要模塑材料的类别。必须把所选的模塑物料加热到足够高的温度以形成均匀的熔体。熔化传统模塑材料所需的温度约为177℃(350°F)-约316℃(600°F)。另外，熔体必须在足够高的压力下被强迫进入模具。在注塑成型系统中，塑化压力一般达137.9MPa(20,000磅/英寸2)。
模盖与顶出杆的机加工始于调正插件并将插件装进夹持装置中。夹持装置要使高速加工中心内能进行快速重复安装。桥式浇口的调正和准备是用整体硬质合金球端铣刀和高速钢钻孔、攻丝和铰孔完成的。主轴转速随工具类型和加工条件而变。进给速率最高达254cm(100英寸)/min。建议进行真空型粉尘收集，且可以使用便携式系统进行。
高速数控机加工设置参数作为切削轨迹定义，可以按产品几何形状所要求的工具设定。优选的工具是整体硬质合金球端铣刀，为便于通风，每侧有一个1°的锥度。粗加工时，主轴转速一般为6,000-10,000rpm，精加工时，主轴转速一般为15,000rpm。粗加工中工作台的进给速率为508cm(240英寸)/min，切割深度为5/32时为3/4球。精加工的进给速率取决于解释表面数据的加工语言的设计能力。对于如图1(a)和1(b)所示的零件，使用3/32直径的刀具，应用三维驱动曲线机加工路径程序，采用0.015cm(0.006英寸)步进时，刀具磨耗可忽略不计，同时能给出优良的表面特征。
优选的计算机数控加工中心有一个密封的小室，带有一个下通风真空系统以尽量减少操作者的暴露和清洁工作。
插件的尺寸在计算机数控操作中被加工到便于装进小槽框。一般地说，插件要比槽框小0.0025-0.005cm(0.001-0.002英寸)。工具压缩或预加载也是在该操作期间决定的，在分模线上总的允许量为0.0025-0.005cm(0.001-0.002英寸)。分模线是不放气的。但需要时可加排气孔。
浇口应根据目标零件树脂，遵照树脂制造厂的指南确定。模内流动技术有助于确定合适的浇口位置。
将加工好的插件从加工中心取出，清理并去毛刺。如果在编程和机加工操作中已很仔细就不必再进行二次加工。
应当指出，如果需要，可以将表面抛光到光滑而完全无刀痕的光洁度。可能有纹理，应将模具密封。
将加工好的插件定位到支持框中，并用尺寸合适的销钉固定住。这样，加工好的模具就为模塑操作准备就绪了。模压设备和模塑技术是分模线整体性的关键。锁模力应该尽量小以免模具过度受压。注射压力和温度在模塑操作中是关联的，应仔细地尽量减小模塑中的零件内应力。为提供合格的产品性能，压力和温度必须足够高，同时又遵循树脂制造厂的指南。零件顶出要在低于目标树脂热变形温度的温度下进行。
冷却是通过在模具表面直接吹风进行的。周期所需时间主要取决于所选树脂的熔体温度以及把模具表面温度降到合格水平所需的开模时间。
对于如图2所示的零件，加工条件实施例如下表所示
*充模压力和保压压力是塑化压力的近似值。
#模具温度近似值是在顶出侧最靠近浇口处测量的。
模具不必进行预加热。但是，如果模具表面在65.6℃(150°F)以上的温度下操作，则会牺牲模具的寿命与整体性。
可以安装固定夹具以利于顶出侧零件的保持。应仔细把它们定位在远离分模线的位置上以免切掉(优选较小较浅的固定夹具)。
实施例
1．环氧板材C1的制备环氧树脂A1的配方如下树脂A1 重量份数低粘度双酚A树脂165多官能度环氧树脂(环氧酚醛清漆)225反应性稀释剂310硬化剂B1的配方如下硬化剂B1 重量份数环脂族二元胺IPDA428Ethacure 100+环氧酚醛清漆EPN 1138的加成物560MXDA66脂肪族多元胺，DETA74双酚-A821低粘度双酚-A树脂可以从美国Ciba特种化学品公司购得，商品名为GY 6004，环氧当量(EEW)为178-196克/当量。
2多官能度环氧酚醛清漆树脂可以从美国Ciba特种化学品公司购得，商品名为EPN 1138，环氧当量为176-181克/当量，官能度为3.6。
3反应性稀释剂可以从美国Ciba特种化学品公司购得，商品名为RD-2(1,4丁二醇二缩水甘油醚)4异佛尔酮二胺可以从Huls America公司购得，商品名为IPD。
5Ethacure 100可以从美国Albemarle公司购得。Ethacure 100和EPN 1138的加成物是通过让两者发生反应制得，两者的比例是85重量％的Ethacure 100和15重量％的EPN 1138。
6MXDA间二甲苯二胺可以从美国Mitsubishi化学公司购得，商品名为MXDA。
7二亚乙基三胺DETA可以从美国联合碳化物公司购得。
8双酚-A可以从美国Ciba特种化学品公司购得，商品名为Parabis。
配方C1配制如下树脂A1 1950g
硬化剂B1 625gATH填料93800g抑泡剂Antifoam A103.2g9三水合铝ATH填料可从美国Ciba特种化学品公司购得，商品名为DT 082。
10Antifoam A可以从美国Dow-Corning公司购得。
首先将树脂与硬化剂在容器内用手动搅拌器混合。加入抑泡剂Antifoam A并混合均匀。然后加入填料并逐渐混合。将混合物脱气，然后浇注进一个18×18×13cm(7英寸×7英寸×5英寸)的非导电模具中。将该模具放在一个压力达552kPa(80磅/英寸2)的压力容器中，在25℃室温下放置24小时。然后在室温下再进一步固化24小时。脱模取出板块，在8小时内逐渐加热到150℃，并在150℃后固化4小时，然后慢慢冷却下来。将所得的板材测试热性能和机械性能。
板材C1的性能密度 1.7g/cm3硬度 95 Shore DDMA E″Tg 174℃拉伸强度 38.98MPa(5654磅/英寸2)拉伸模量 7.58MPa(1100千磅/英寸2)弯曲强度 64.89MPa(9411磅/英寸2)弯曲模量 7,378MPa(1070千磅/英寸2)压缩强度 122.21MPa(17224磅/英寸2)压缩模量 6,661MPa(966千磅/英寸2)Izod冲击强度 0.33英尺-磅/英寸缺口1．环氧板材C2的制备配方C2配制如下树脂A1 2780g硬化剂B1 880g铝质填料115400g抑泡剂Anti form A94.5g11铝质填料可从美国Ciba特种化学品公司购得，商品名为RP34。
首先将树脂与硬化剂在容器内用手动搅拌器混合。加Antiform A并混合均匀。然后加入填料并逐渐混合。将混合物脱气，然后浇注进一个18×18×13cm(7英寸×7英寸×5英寸)的非导电模具中。将该模具放在一个压力达552kPa(80磅/英寸2)的压力容器中，在25℃室温下放置24小时。然后在室温下再进一步固化24小时。脱模取出板块，在8小时内逐渐加热到150℃并在150℃后固化4小时，然后慢慢冷却下来。将所得的板材测试热性能和机械性能。
板材C2的性能密度 1.76g/cm3硬度 94 Shore DDMA E″Tg177℃拉伸强度 63.25MPa(9173磅/英寸2)拉伸模量 7447MPa(1080千磅/英寸2)弯曲强度 104MPa(15112磅/英寸2)弯曲模量 6888MPa(970千磅/英寸2)压缩强度 303MPa(43940磅/英寸2)压缩模量 5557MPa(806千磅/英寸2)Izod冲击强度 0.67英尺-磅/英寸缺口1．聚氨酯板材C3的制备用下面的异氰酸酯树脂A3和硬化剂B3制备聚氨酯的固化板材C3。
树脂A3 重量份数Rubinate 168012100硬化剂B3 重量份数蔗糖为基础的多元醇，当量为151(n＞3)1311.88蔗糖为基础的多元醇，当量为125(n＞3)137.00二元醇，当量为212134.30三元醇，当量为1558131.20三元醇，当量为468131.20三元醇，当量为2033131.80Antifoam A100.02润湿剂140.20
CaCO3填料1519.0ATH填料948.0促进剂MDEA160.40分子筛175.0012Rubinate 1680可以从ICI Americas公司购得。
13该多元醇可以从0lin公司购得。
14润湿剂可以从美国Bykchemie公司购得。
15CaCO3填料可以从Polar Minerals公司购得。
16MDEA可以从联合碳化物公司购得。
17分子筛可以从Zeochem公司购得。
配方C3重量份数树脂A3 20硬化剂B3 80将配方C3的板材在金属模具中固化。让固化的板材在70℃再后固化10小时。板材C3的性能如下。
板材C3的性能密度 1.7g/cm3硬度 90 Shore DDMA E″Tg 108℃拉伸强度 31.72MPa(4600磅/英寸2)弯曲强度 55.15MPa(8000磅/英寸2)弯曲模量 6688MPa(970千磅/英寸2)压缩强度 65.5MPa(9500磅/英寸2)1．环氧板材C4的制备环氧树脂A4的配方如下树脂A4重量份数标准双酚A树脂1861.5多官能度环氧树脂(MY 721)1938.5硬化剂B4的配方如下硬化剂B4 重量份数酸酐固化剂MTHPA2010018标准双酚-A树脂可以从美国Ciba特种化学品公司购得，商品名GY 6010，环氧当量(EEW)为182-192克/当量。
19多官能度环氧树脂可以从美国Ciba特种化学品公司购得，MY 721是一种四官能度环氧物，其环氧当量为109-115克/当量。
20酸酐固化剂可以从美国Lonza公司购得。
配方C4配制如下树脂A4 250g硬化剂B4260g填料(RP 34)11750g催化剂EMI-24210.13g21EMI-24和类似的咪唑催化剂可以从美国Air产品公司购得。
首先将树脂与硬化剂混合。然后加入填料并逐渐混合。加入催化剂并混合均匀。将混合物脱气，然后浇注进一个20×8×5cm(8英寸×3英寸×2英寸)的导电模具中。然后在60℃下固化24小时。然后逐渐加热到121℃并在该温度下固化4小时。然后再逐渐加热到150℃并在该温度下固化4小时，然后慢慢冷却下来。所得的板材具有优良的热性能和机械性能。
板材C4的性能密度1.8g/cm3硬度90 Shore DDMA E″Tg 187℃拉伸强度45.36MPa(6578磅/英寸2)拉伸模量9722kPa(1410千磅/英寸2)弯曲强度66.26MPa(9610磅/英寸2)弯曲模量9632MPa(1397千磅/英寸2)压缩强度209.17MPa(30336磅/英寸2)压缩模量7978MPa(1157千磅/英寸2)Izod冲击强度0.37英尺-磅/英寸缺口1．环氧板材C5的制备环氧树脂A4的配方如下
树脂A4 重量份数标准双酚-A树脂18 61.5多官能度环氧树脂(MY 721)1938.5硬化剂B5的配方如下硬化剂B5 重量份数酸酐固化剂NMA2210022NMA酸酐固化剂可以从美国Ciba特种化学品公司购得，商品名为HY 906。
配方C5制备如下树脂A4 5147g硬化剂B56438g填料(RP 34)1117000g催化剂EMI-24212g首先将树脂与硬化剂混合。然后加入填料并逐渐混合。加入催化剂并混合均匀。将混合物脱气，然后浇注进一个30×30×13cm(12英寸×12英寸×5英寸)的导电模具中。然后在60℃固化48小时。然后逐渐加热到218℃并在该温度下后固化12小时，然后慢慢冷却下来。所得板材具有优良的热性能、机械性能和机械加工性能。对加工好的板材进行试验，发现能满意地用来制作注塑模具。
1．环氧/聚氨酯模具的制备将板材C1和C2，机械切割成大小为18×18×5cm(7英寸×7英寸×2英寸)的块，并加工成如图1(a)和图1(b)所示的形状，这两幅图给出了计算机辅助设计模型中所示的投影图。然后闭合模芯(图1(a))与模腔(图1(b))，将它们装配进一个合适的框架中并模塑成型产品。
2．用环氧板材生产聚丙烯、ABS和/或聚碳酸酯样件用通用电气公司的Lexan141 Clear，以配方C1,C2和C5的环氧化合物所制造的反映图2所示产品的模具，按下面设定的条件模塑成形不少于250件样件熔体温度 288℃-309℃(550°F-588°F)注射压力 145.83MPa-151.39MPa(21,150-21,965磅/英寸2(塑化))
模具表面温度(脱模时)59℃-67℃(138°F-153°F)模具表面温度(合模时)36℃-48℃(97°F-118°F)周期 89-96秒用通用电气公司的Cycolac(ABS)GDT 6400，以配方C1的环氧化合物制造的反映图2所示产品的模具，按下面设定的条件模塑成形不少于30件样件熔体温度262℃(503°F)注射压力77.44MPa(11,231磅/英寸2(塑化))模具表面温度(脱模时) 69℃(156°F)模具表面温度(合模时) 62℃(144°F)周期59秒用Schulman公司的聚丙烯2268，以配方C1的环氧化合物制造的反映图2所示产品的模具，按下面设定的条件模塑成形不少于30件样件熔体温度204℃(400°F)注射压力30.64MPa(4444磅/英寸2(塑化))模具表面温度(脱模时)59℃(139°F)模具表面温度(合模时)42℃(107°F)周期69秒3．用聚氨酯板材生产聚丙烯和/或ABS样件用通用电气公司的Cycolac(ABS)GDT 6400，以配方C3的聚氨酯化合物制造的反映图2所示产品的模具，按下面设定的条件模塑成形了不少于30件样件熔体温度243℃-262℃(470°F-503°F)注射压力65.50MPa-76.30MPa(9,500-11,066磅/英寸2(塑化))模具表面温度(脱模时) 54℃-67℃(130°F-152°F)模具表面温度(合模时) 44℃-60℃(112°F-140°F)周期60-85秒用Schulman聚丙烯2268，以配方为C3的聚氨酯化合物制造的反映图2所示产品的模具，按下面设定的条件模塑成形不少于30件样件熔体温度(376°F-390°F)注射压力40.68MPa-44.13MPa(5900-6400磅/英寸2(塑化))模具表面温度(脱模时) 61℃-63℃(142°F-146°F)模具表面温度(合模时) 44℃-55℃(112°F-132°F)周期55-67秒在详细说明了本发明并参考具体实施方案后，本领域内的技术人员将会理解有可能作出许多改进或变更，而不背离如权利要求所限定的本发明的精神与范围。
权利要求
1．一种制造模具的方法，包括提供至少一种其玻璃化转变温度低于热塑性模塑物料熔融温度的聚合物板材；以及按照计算机辅助设计从聚合物板材上除去至少一部分材料以形成所要模塑的制品的反版。
2．一种制造模具的方法，包括提供至少一种聚合物板材以及按照计算机辅助设计以计算机数控机加工法，从聚合物板材上除去至少一部分材料以形成所要模塑的制品的反版。
3．按照权利要求1的方法，其中，用一种高速计算机数控机加工设备从聚合物板材上除去至少一部分材料。
4．按照权利要求2的方法，其中，所述聚合物材料的玻璃化转变温度低于所要注射进所述模具的热塑性模塑物料的熔融温度。
5．按照权利要求1的方法，其中，所述聚合物板材是固化的形成聚氨酯组合物。
6．按照权利要求2的方法，其中，所述聚合物板材是固化的形成聚氨酯组合物。
7．按照权利要求1的方法，其中，所述聚合物板材是固化的混合物，包含至少一种每个分子上平均有一个以上缩水甘油基的环氧树脂。
8．按照权利要求2的方法，其中，所述聚合物板材是固化的混合物，包含至少一种每个分子上平均有一个以上缩水甘油基的环氧树脂。
9．按照权利要求1的方法，其中，所述热塑性模塑物料选自下列一组聚合物聚丙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物和聚碳酸酯。
10．按照权利要求4的方法，其中，所述热塑性模塑物料选自下列一组聚合物聚丙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物和聚碳酸酯。
11．一种制造样件的方法，它包含提供一付以玻璃化转变温度低于所选聚合物模塑物料熔融温度的固化聚合物材料制成的模具；以及将所选的熔融聚合物模塑物料注射进模内按照计算机辅助设计形成的模腔中以生产样件。
12．按照权利要求11的方法，其中，所述选定的熔融聚合物模塑物料所受的塑化压力至少为约8274kPa(1200磅/英寸2)。
13．一种制造样件的方法，包括提供一付由固化聚合物材料制成的模具；以及将所选的熔融模塑物料注射进模内按照计算机辅助设计用计算机数控机加工法形成的模腔中，以生产样件。
14．按照权利要求13的方法，其中，将所述选定的熔融聚合物模塑物料在至少约8274kPa(1200磅/英寸2)的塑化压力下注射并填充进所述的模具中。
15．按照权利要求11的方法形成的样件。
16．按照权利要求13的方法形成的样件。
17．一种从所选的聚合物材料制造最终制品的功能样件的方法，包括提供一付由玻璃化转变温度低于所选的聚合物模塑物料熔融温度的固化聚合物材料制成的模具；以及将所述选定的熔融聚合物模塑物料注射进模具内按照计算机辅助设计形成的模腔中，所述熔融聚合物模塑物料与选择来制造最终制品的聚合物材料基本相同。
18．按照权利要求17的方法，其中将所述选定的熔融聚合物模塑物料在至少约8274kPa(1200磅/英寸2)的塑化压力下注射并填充进所述的模具中。
19．一种由选择的聚合物材料制造最终制品的功能样件的方法，包括提供一付从固化聚合物材料制成的模具；以及将所选的熔融聚合物模塑物料注射进模内用计算机数控机加工按照计算机辅助设计形成的模腔中以生产样件，所述熔融聚合物模塑物料与选择来制造最终制品的聚合物材料基本相同。
20．按照权利要求19的方法，其中所述选择的熔融聚合物模塑物料所受的塑化压力至少为约8274kPa(1200磅/英寸2)。
21．按照权利要求17的方法形成的功能样件。
22．按照权利要求19的方法形成的功能样件。
23．按照权利要求1的制造样件的聚合物模具，该模具由固化的聚合物材料制成，所述聚合物材料包含至少一种环氧树脂、一种环氧-异氰酸酯组合物或一种形成聚氨酯组合物，所述环氧树脂的每个分子上平均有一个以上缩水甘油基。
全文摘要
本发明涉及以下列步骤制造模具的方法:提供至少一种其玻璃化转变温度低于热塑性模塑物料熔融温度的聚合物板材,并按照计算机辅助设计从聚合物板材上除去至少一部分材料,以形成所要模塑的制品的反版。或者说,本发明是以下列步骤制造模具的方法:提供至少一种聚合物板材,并用计算机数控机加工按照计算机辅助设计从聚合物板材上除去至少一部分材料,以形成所要模塑的制品的反版。本发明还涉及制造样件或功能样件的方法、以所述方法制成的样件和功能样件、以及用来制造样件和功能样件的聚合物模具。
文档编号B29C33/40GK1301212SQ99806251
公开日2001年6月27日 申请日期1999年3月5日 优先权日1998年3月16日
发明者M·A·科特尼斯, B·H·库库利斯, K·R·菲利皮尔克, D·D·施瓦廷 申请人:范蒂科股份公司