樹脂灌模:用CAD製作出工業級塑膠零件

六月 17, 2013
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地球上幾乎所有的商業產品都會用到合成聚合物。塑膠不只遍佈在我們生活每個角落,它的用途也十分廣泛。有伸縮性極強的塑膠,也有如同釘子堅固的;有似水晶一般透明的,也有像彩虹能染上各種顏色的;有能抵抗嚴酷天候的,也有能擋住子彈的。
這麼一想,精通3D製造的業餘愛好家們至今仍將工業級塑膠視為禁忌,真令人不可思議。即使擁有3D成型機,再配合輸出PLA(聚乳酸)ABS樹脂,在強度及種類上仍無法跟射出成型的廉價零件相比。就算是擁有CNC銑床的人也無法改變這個事實─ 說起來他們本來就厭惡使用塑膠,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。

然而,我們沒有在此裹足不前的理由。我們有一個既安全、便宜又簡單,只要花幾小時就能在自己的工作坊製作出強度及品質都令人驚豔的零件的方法。然而,問題是這個方法(樹脂灌模)的自學教材多出於藝術家之手,也寫得像是給藝術家看的。用藝術家取向的方法是無法製出工業級的零件的。

製作單一零件用的原型模具

在複製原始零件時,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。

這個方法當然能用,但它有許多缺點。尤其是想照預想的形狀製作時,或是想快速製作時特別困擾。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。要如何在不傷到零件本身或外模的情況下取出零件是個問題。此外雖然有接合切成兩半的外模的方法,但要正確地接合並不容易。

幸運的是,這些問題只要採用電腦設計零件就能解決了。用CAD畫出希望製作的形狀並置放在翻模外盒中,就可完成稱作原型的原模,接著將它切削出來即可。下面將解說更複雜的工程,不過現在先讓我們思考如何將底部的形狀設計得平整,以避免脫模死角產生(undercut,即是從金屬模具取出成型成品時,上頭無法去除的凸穴或凹穴)。照著這些步驟進行,就會像下面一樣簡單。

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製作一個簡單的橡膠零件原模。

製作零件四周的箱子時,要是用3D成型機將會十分地麻煩,但用CNC的話則完全相反。它能在大面積材料的表面迅速切削出原模的形狀,因此材料能保持原形體,且還能移作他用。如此不但能節省成本及時間,還不需費心固定細小零件以防被機器吹跑。

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CNC銑床即將在適當的材料上切削完行星式齒輪用的複雜模具。 直接切割齒輪是非常困難且費工的事。

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成型機會選擇PLA,CNC銑床則是蠟或HDPE(高密度聚乙烯)。不過我想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)。我愛用的是RenShape 460。它輕且堅固,切割它不但如切奶油一般輕鬆,還能在上頭作出驚人的精細加工。

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利用CNC銑床在RenShape 460上加工出的原模特寫。這件材料每立方英吋的價格比蠟還便宜幾個百分比。

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象元兇。

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。

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將矽利康灌入原模。

這些年以來,我一直在實驗各種模具用的橡膠,其中大部份是由瞄準業餘愛好者的熱門製造商製造的。但不管我再怎麼想用偏心的眼光看待它們,它們都黏性過高、容易損壞,且製作小零件又太過柔軟。我整理了一篇如何挑選適合材料的詳細指南。不過為了造福沒時間細讀研究我的指南的人,我要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。

決定模具用的材料後,接下來就如同發呆一樣的簡單。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後放置數小時,如此而已。

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硬化的矽利康模具。一毫米以下的小突起或薄壁也完美地呈現。

說真的,其實還有一個十分重要的步驟。為了正確製出細微的部份,最好準備真空消泡裝置。名字聽起來很了不起,實際上並非如此。用100美元左右的小型靜音型真空幫浦,以及60美元左右的防碎聚碳酸酯(polycarbonate,簡稱PC)製的真空容器就能組好。將原模放入這個裝置後,2到3分鐘左右原模與液狀樹脂間的氣泡就會浮出。

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真空消泡能迅速簡單又確實地消去內部的氣泡。

除此之外,還有一些小技巧,像是也有利用刷子或注射器來灌注橡膠的方法。不過說真的,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。仔細地攪拌雙液型樹脂(也可以加入常見且便宜的顏料),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。

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零件正在硬化。今天試染的是藍色。用一張PP塑膠薄板蓋住模具,上方加上重物並保持平坦,且注意不要讓樹脂溢出。模具是非常堅固的橡膠,因此乘載重物也不會變形。

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。當作裝飾用的書鎮還可以,但作為機械的零件就有問題了。為了避免掀開薄板時看到失望的結果,要盡量避免使用環氧樹脂(epoxies)或聚酯(polyesters),若是聚氨酯(polyurethanes,簡稱PU)就沒問題。聚氨酯是用途極廣的聚合物家族一員,幾乎跟一切種類的塑膠或橡膠的性質十分相近,同時十分耐用,也能製成正確的尺寸。

令人遺憾的是,大部份作為美術或DIY用途販賣的聚氨酯在許多方面都讓人失望。為了避免跟前人犯一樣的錯,請多參考這份詳細指南。我要推薦一間不有名的Maker商店─Innovative Polymers。雖然非業餘愛好者取向,但他們能夠供應範圍驚人、在自家的工作坊也能安全地使用,可對應各式各樣的需求(甚至是動物標本……你懂的)的一流塑膠。其中特別優秀的是IE-3075樹脂,既牢固又堅硬,甚至連壓製成型的尼龍或ABS樹脂也不是對手。此外,它非常好操作又極便宜,每磅只要八美元以下。

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用Innovative Polymers的IE-3075(染成橘色)及OC-7086(透明)製作的微尺寸零件。CAD上的尺寸跟實際尺寸差不到5微米。

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。如果你住在北美洲,又想嘗試樹脂灌膜的話,一定要試試這家的產品。

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,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。另外關於一般的安全常識,請參考這裡

要怎麼製作更複雜的零件?

這是個好問題。先前我曾提過,現在該好好說明了。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。雖然這個問題得用3D來解決,感覺好像很困難,但其實並沒有這麼難。在幾種解決方法之中為各位挑一種來介紹吧。

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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成型機很難製出外緣的突出處,CNC銑床則無法切削出模型凹穴(除非你在切削時用手拿著零件旋轉)若是分離式的模具,這些問題就一口氣解決了。每個模具雖然都是簡單的形狀,但組合起來就能灌注複雜的形狀。

結論

樹脂灌模沒有捷徑(即使只製作一個零件也需要許多的知識),因此在DIY 3D社群中它的評價並不高。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成型機或CNC銑床的潛在制約,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成型機或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。

完全依照本文介紹的方式製作的超小型行星齒輪。

– Michal Zalewski


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