摘要
本文詳細介紹了玻璃鋼模具的制作方法。包括制造模具的條件，如環境條件、潔凈車間、潔凈壓縮空氣、原輔材料選用及合理制模時間表；模具膠衣的噴涂，涉及設備、檢驗、脫模臘和脫模劑處理以及噴涂方法；模具鋪層，包括原料選擇和質量檢驗、首層及增厚鋪層、巴氏硬度控制；模具外結構的設計與制作；脫模方法；模具處理等環節。高質量的模具制作需要嚴格遵循各環節的要求和程序，綜合考慮多個因素，各步驟相互配合，才能制作出滿足需求的高質量模具。
關鍵詞：玻璃鋼模具；制作方法；模具膠衣；模具鋪層
1.1 研究背景
復合材料模具在現代工業中占據著至關重要的地位。隨著科技的不斷進步，各行業對產品質量和性能的要求越來越高，傳統的單一材料模具已難以滿足復雜的生產需求。復合材料因其獨特的性能優勢，逐漸成為模具制造領域的新寵。
在航空航天領域，先進復合材料被廣泛應用。由于復合材料具有比強度和比模量高、熱膨脹系數低、設計靈活性強等優點，其在制造高精度、復雜形狀的航空航天部件中具有不可替代的作用。而復合材料模具能夠更好地適應航空航天部件的制造要求，確保部件的形狀、尺寸精度和表面質量。例如，歐美航空航天領域已廣泛應用復合材料模具，國內相關研究機構和企業也在積極進行復合材料模具的研究和實驗。
在汽車制造領域，使用復合材料模具可以制造出更輕、更堅固、更美觀的汽車零部件。復合材料零部件具有更好的抗沖擊性和耐腐蝕性能，能有效提高汽車的性能和使用壽命。同時，隨著汽車行業對輕量化的追求，復合材料模具為實現汽車輕量化提供了有效途徑。
建筑領域同樣能看到復合材料模具的身影。利用復合材料模具可以制造出各種造型自由的建筑部件，如樓梯扶手、雕塑等。這些部件具有高強度和美觀性，同時具備防水、防火、抗震等特點，更適合現代建筑的需求。
體育器材領域，復合材料模具可以制造出更輕、更堅固、更剛性的器材，如高爾夫球桿、自行車框架等。復合材料器材具有更好的彈性和抗疲勞性能，更能滿足運動員的需求。
目前，復合材料模具的研究現狀主要集中在提高模具的性能、降低制造成本、拓展應用領域等方面。研究人員不斷探索新的材料配方、制造工藝和設計方法，以提升復合材料模具的質量和效率。同時，隨著智能制造技術的發展，智能復合材料模具的研發也成為了一個重要的研究方向。
1.2 研究目的
本文旨在對高性能復合材料模具制作工藝進行創新與優化，以滿足現代工業對高質量模具的需求。隨著各行業的快速發展，對模具的性能要求不斷提高，傳統模具制作工藝面臨諸多挑戰。
一方面，傳統金屬模具存在熱膨脹系數與復合材料不匹配、密度大、熱容大等問題，難以滿足高精度復合材料構件的制造要求。而復合材料模具具有熱膨脹性能匹配、密度小、熱容小、可修復性好、制造成本相對較低等優勢，能夠更好地適應現代工業的發展需求。
另一方面，現有的復合材料模具制作工藝在導熱性、工藝復雜性、過程控制等方面仍存在不足。例如，傳統的復合材料模具導熱性差，容易導致成型構件出現缺陷和變形，影響產品質量。此外，模具制作過程中的工藝復雜性和嚴格的過程控制要求也增加了制造成本和生產周期。
為了解決這些問題，本文將對復合材料模具制作工藝進行深入研究，探索新的材料配方、制造工藝和設計方法。通過優化模具的結構設計、提高材料的性能、改進制造工藝等措施，提高復合材料模具的導熱性、強度、精度和使用壽命，降低制造成本，提高生產效率。同時，結合智能制造技術，研發智能復合材料模具，實現模具制作的自動化、智能化，為現代工業的發展提供更加優質的模具產品。
2.1 材料特性對模具性能的影響
2.1.1 樹脂材料的選擇與性能分析
間苯樹脂和乙烯基樹脂在模具制作中具有顯著優勢。間苯樹脂具有較高的熱變形溫度和低收縮率，這使得模具在高溫環境下仍能保持穩定的尺寸精度。在模具制作過程中，低收縮率可以減少因樹脂固化收縮而產生的內應力，從而降低模具變形的風險，提高模具的精度。同時，較高的熱變形溫度使模具能夠承受較高的工作溫度，適用于一些需要高溫成型的復合材料構件制造。
乙烯基樹脂同樣具備優異的性能。它與纖維之間的結合力強，能夠在纖維之間傳遞更高的剪切載荷，使復合材料模具具有更高的強度。這意味著模具可以承受更大的外力而不發生破壞，提高了模具的使用壽命。此外，乙烯基樹脂還具有良好的耐化學性，能夠抵抗酸、堿等化學物質的侵蝕。在一些特殊的工業應用中，如化工領域，這種耐化學性尤為重要，可以確保模具在惡劣的化學環境下仍能保持良好的性能。
2.1.2 玻纖增強材料的作用
短切氈等玻纖增強材料在復合材料模具中起到了關鍵的增強效果。短切氈能夠最大程度地減少纖維紋路的印出，相比針織纖維氈和纖維編織類產品，其優點更為突出。在模具制作過程中，短切氈可以增加模具的強度和剛度。由于玻纖增強材料的高強度特性，它能夠承受模具在使用過程中所受到的各種外力，防止模具發生變形或破裂。
同時，玻纖增強材料還可以改善模具的熱穩定性。玻璃纖維具有較高的耐熱性，能夠在高溫環境下保持穩定的性能。在復合材料模具的使用過程中，可能會遇到高溫成型工藝或高溫工作環境，玻纖增強材料可以確保模具在這些條件下不會因溫度變化而發生性能下降或變形。
此外，玻纖增強材料還可以提高模具的尺寸穩定性。由于其與樹脂的良好結合性，可以有效地限制樹脂在固化過程中的收縮，從而減少模具的尺寸變化，提高模具的精度和穩定性。在模具的長期使用過程中，玻纖增強材料能夠保持模具的尺寸精度，確保生產出的復合材料構件具有一致的質量。
2.2 制作工藝參數的控制
2.2.1 環境參數的合理范圍
制作模具的溫度、濕度等環境條件對模具質量起著至關重要的作用。溫度應始終保持在 21~28℃，在這個溫度范圍內，樹脂和膠衣的固化效果最佳，能夠確保模具的性能穩定。如果溫度過高或過低，都會影響固化過程，導致模具出現缺陷。例如，溫度過高可能會使樹脂過快固化，產生內應力，從而降低模具的強度和精度；溫度過低則會延長固化時間，降低生產效率。
濕度對膠衣和樹脂的固化影響也很大，理想的濕度范圍為 40~60。當濕度超過 65 時，應等待至合適的生產條件再施工。高濕度環境下，模具膠衣表面容易出現大量針孔和麻點，這不僅會影響模具的外觀質量，還會降低模具的強度和耐用性。為了確保模具質量，在制造模具時，應保持制造區高度清潔，并采取有效的除塵與清潔措施。同時，要保證純凈、干燥的氣源供給，避免風管中空氣帶有水或油，以免影響模具膠衣的質量。
2.2.2 固化時間的精準控制
以巴氏硬度為指標，可以有效地說明固化時間對模具質量的影響。當積層的巴氏硬度達到完全固化硬度的 80%~90%時，就可以進行下一鋪層。通過記錄多個讀數并算出平均值，以此作為硬度值，可以消除由于固化時間差異而產生的數據誤差。這種方法比依據鋪層時間計劃表更加準確地判斷固化程度，從而確保模具的質量。
固化時間的精準控制對于模具的性能至關重要。如果固化時間過短，樹脂無法完全固化，模具的強度和硬度不足，外觀無光澤，脫模時容易出現翹曲和變形等問題。相反，如果固化時間過長，不僅會降低生產效率，還可能導致過度交聯，使收縮率增加，在樹脂與填料間產生較大的內應力，使制品表面發暗起泡，嚴重時會出現制品破裂。因此，在模具制作過程中，需要根據具體的材料和工藝要求，精準控制固化時間，以確保模具的質量和性能。
3.1 膠衣材料的選擇與檢驗
3.1.1 優質模具膠衣的特點
優質模具膠衣具有諸多性能特點。在耐熱方面，例如環氧膠衣（EP）、乙烯基膠衣（VE）、不飽和聚酯膠衣（UP）等不同類型的膠衣有著不同的耐溫性能。正常情況下，耐溫性能為環氧膠衣＞乙烯基膠衣＞不飽和聚酯膠衣。如果是常溫固化的生產工藝，選擇乙烯基或者不飽和聚酯膠衣均可滿足需求；而對于一些需要加溫固化的模具，如熱壓罐工藝，由于其長時間溫度超過 120℃，一般就要考慮用環氧模具膠衣。
在耐磨方面，正常情況下乙烯基和聚酯類的巴氏硬度能達到 40HBa 左右，有些品牌的模具膠衣可高達 45 - 50HBa 之間。有足夠的硬度才能在產品脫模過程中起到更好的保護作用，但也不能一味地追求高硬度，因為還要考慮到其韌性強度，只有這兩者平衡才能達到最佳的性能。
此外，光亮度也是優質模具膠衣的重要特點之一。膠衣的巴氏硬度不能太低，若低于 30HBa，一般就難于磨出亮度來。而且針眼少的膠衣，光亮度也會更好。同時，光亮度的持久性也很關鍵，有些模具膠衣剛做出來的時候亮度非常好，但做幾件產品之后亮度就迅速下降了，又需要打磨、拋光等處理。
3.1.2 膠衣的質量檢驗流程
膠衣的質量檢驗需要嚴格按照流程進行。首先要檢查生產日期，依照膠衣供應商的建議，生產者能夠保證膠衣從包裝到一特定時間的使用質量。因此，生產者與檢查者應經常檢驗每桶膠衣的生產日期或日期編號，以便確認膠衣是否在有效的使用期內。
其次是檢驗凝膠時間。每桶模具膠衣的凝膠時間、供應商都有明確規定。檢驗時，樣品應達到標準的測試溫度 25℃，加入指定數量的固化劑并混和均勻，記錄下從固化到加入到凝膠的時間。正常情況下，模具膠衣的最佳凝膠時間是在 40 - 60分鐘。時間太短，不利氣泡的排放，針眼會比較多；若時間太長，固化度又會上不來，直接影響其硬度。
最后是檢驗粘度。需要用 BROOKFIELD 粘度計測試膠衣粘度，膠衣樣品的溫度為 25℃。選擇合適的轉子置于樣品中，粘度計以低速和高速旋轉，記錄讀數并轉化為粘度指標。通過對生產日期、凝膠時間、粘度等指標的嚴格檢驗，可以確保使用的膠衣質量符合模具制作的要求。
3.2 膠衣噴涂的注意事項與方法
3.2.1 噴涂設備的選擇與使用
在模具膠衣噴涂過程中，選擇合適的噴涂設備至關重要。目前常用的有手提式多用型噴槍和壓送式膠衣噴槍等。固化劑通過手動混合，保證了準確的比例，但噴槍噴出的扇形混合物的分布產生一非常細的霧化效果，噴涂的速度比泵送系統慢，其工作時間受到原料凝膠時間的限制。手提式多用型噴槍體型輕巧，操作容易，維護簡便，用途廣泛。它可用于噴涂產品膠衣、模具膠衣、外噴型膠衣，也可噴涂樹脂、油漆和內外墻裝飾涂料，尤其能噴涂添加了聚酯顆粒的膠衣。該類噴槍結構簡單，主要由槍體、槍頭和料杯三部分組成。使用時需準備一臺 8 公斤壓力排氣量 0.4 立方/分鐘以上的空氣壓縮機，由空壓機出口處連接氣管至槍體底部接頭處擰緊。操作時要根據原材料性能選擇合適噴嘴，檢查密封圈，在連接處涂上潤滑油，將預促進好的膠衣倒入杯內，加入白水攪拌均勻，蓋好杯蓋，握住槍柄，扣住槍機，調節氣量控制閥使原料霧化達到最佳狀態進行噴射，停止噴射時將槍頭上揚并松開槍機，使用后用清洗液洗凈并涂上潤滑油以備下次使用。
壓送式膠衣噴槍適用于模具膠衣和產品膠衣，具體設備更多詳細信息可進一步查詢了解。
在使用這些噴槍時，要注意以下技巧：一是確保噴槍與模具的距離合適，避免過近導致膠衣流掛，過遠影響噴涂效果；二是要注意噴槍的移動速度，保持均勻穩定，以確保膠衣厚度均勻；三是及時清洗噴槍，防止凝膠堵塞噴槍，尤其是噴嘴一定要清洗干凈，可使用丙酮作為清洗劑。
3.2.2 噴涂過程中的厚度控制
膠衣厚度對模具質量有著重要影響。正確控制膠衣厚度能夠提高模具的強度、耐久性和外觀質量。一般建議模具膠衣厚度為 1mm，分兩層噴涂，每層 0.5mm 厚，且每層噴三遍，一遍 0.15mm - 0.17mm。
為了準確控制膠衣厚度，可以使用膠衣濕膜卡尺。在膠衣噴涂后，在濕膜狀態下，用卡尺垂直放置膠衣面，相對最大一個粘到膠衣的尺輪就是膠衣的濕膜厚度。通常產品涂層厚度為 400u - 500u，建議分兩次噴涂，每層需等待幾分鐘（或完全固化后）再進行下層膠衣的操作。
在噴涂過程中，要嚴格按照正確的噴涂方法進行操作。先噴第一遍厚度為 0.15mm - 0.17mm 的模具膠衣，與第一遍成垂直方向噴第二遍膠衣，厚度為 0.15mm - 0.17mm，再按第一遍的方向噴最后一遍膠衣，這樣第一層的膠衣厚度就是 0.5mm。為避免龜裂或起皺，應在第一層膠衣固化后，才能噴另一層膠衣。在正常溫度下，固化時間為 90 分鐘。
此外，在噴涂時還應注意參考噴涂面積對膠衣稱重，以計算精確的固化劑添加量。考慮到最佳固化效果，推薦使用固化劑 M50，用量為 1 - 2%（膠衣重量），具體添加量參考溫度、模具面積等而定。同時，可加入 2 - 5%苯乙烯以調節樹脂膠衣的粘度和補充噴涂過程中發揮損失的苯乙烯。膠衣層的厚度應該精確的控制在 0.3mm - 0.5mm 之間，通常以單位面積所用的膠衣質量來控制，即膠衣的附著在模具上的用量 350 - 550g/㎡，實際用量可能達到 800g/㎡，這樣便能達到上述厚度的要求。如果室內溫度低于 15℃或濕度超過 80%，將不能進行膠衣噴涂作業。噴涂完畢，膠衣可常溫固化（大約需要 1.5 小時），也可放置于加溫間（60 攝氏度 45 分鐘即可）加快固化。使用膠衣卡尺，檢查濕膜厚度是否滿足預期的要求。
4.1 鋪層材料的選用與質量控制
4.1.1 模具樹脂的要求與檢驗
模具樹脂在復合材料模具鋪層中起著關鍵作用。要求具有較高的熱變形溫度和低收縮率。熱變形溫度高，能確保模具在高溫環境下仍能保持穩定的尺寸精度，避免因溫度變化而產生變形，影響模具的質量和使用壽命。例如，在一些高溫成型工藝中，熱變形溫度高的模具樹脂能夠承受較高的溫度而不發生軟化或變形，保證模具的形狀和尺寸精度。
低收縮率特性可以減少因樹脂固化收縮而產生的內應力。在模具制作過程中，樹脂固化收縮是不可避免的，但如果收縮率過大，會導致模具內部產生較大的應力，從而引起模具變形、開裂等問題。通過選用低收縮率的模具樹脂，可以有效降低這種風險，提高模具的質量和穩定性。
在質檢方面，要像對模具膠衣那樣進行嚴格的質量檢驗。首先是材料貯存期的檢查，確保模具樹脂在有效使用期內。根據不同的樹脂類型和生產廠家，模具樹脂的貯存期會有所不同，但一般來說，生產者應按照樹脂供應商的建議，對每一批模具樹脂進行檢查，確認其生產日期或日期編號，以保證在使用時樹脂的性能穩定。
其次是對每一批進行混合測試。混合測試可以檢驗模具樹脂與其他鋪層材料的相容性和混合效果。例如，在與玻纖增強材料混合時，要確保樹脂能夠充分浸潤玻纖，形成良好的結合，以提高鋪層的強度和剛度。混合測試可以通過實際的鋪層操作來進行，觀察樹脂與玻纖的混合情況，是否存在分層、氣泡等問題。