基于3D打印的复杂结构模具制作方法及成型方法.pdf

本发明公开了一种基于3D打印的复杂结构模具制作方法和成型方法，包括：构建目标模型和模具制作装置，得到目标模型文件和模具制作装置文件；将三维模型文件和模具制作装置文件导入3D打印机，制作目标模型和模具制作装置；在目标模型表面铺设硅胶膜或明胶膜固化；在模具制作装置内表面和目标模型的薄膜表面涂覆隔断材料层，在模具制作装置中定位模型；浇注下模液，固化，得到下模；在下模上的分型面上涂覆隔断材料层，浇铸上模液，固化，去除目标模型得到复杂结构型面特征的上下模模具。本发明基于成熟的三维打印技术，稳定性、可控性好，结构简单、价格经济，加之可以脱机打印，使得生产更易于配置和优化。

权利要求书
1.  一种基于3D打印的复杂结构模具制作方法，其特征在于，包括：
步骤(1)、构建具有型面特征的目标模型和模具制作装置，得到目标模型文件和模具制作装置文件；
步骤(2)、将三维模型文件和模具制作装置文件导入3D打印机，通过3D打印制作目标模型和模具制作装置；
步骤(3)、在目标模型表面铺设硅胶膜或明胶膜，固化；
步骤(4)、在模具制作装置内表面和目标模型的硅胶膜或明胶膜表面涂覆隔断材料层，在模具制作装置中定位模型；
步骤(5)、浇注下模硅胶液体或明胶液体，固化，得到下模；
步骤(6)、在下模上的分型面上涂覆隔断材料层，浇铸上模硅胶液体或明胶液体，固化，去除目标模型得到复杂结构型面特征的硅胶或明胶上下模模具。

2.  根据权利要求1所述的基于3D打印的复杂结构模具制作方法，其特征在于，所述模具制作装置包括：
用于形成上、下模的容器，该容器顶部和一侧设有开口；
盖设在所述容器顶部开口的容器盖板；
与所述容器一侧开口可拆卸连接的底板；
所述目标模型固定在一底座上，所述底座通过所述底板与容器相对固定。

3.  根据权利要求2所述的基于3D打印的复杂结构模具制作方法，其特征在于，所述容器棱角位置为倒角结构，该倒角结构倒角面的宽度为模型宽度的20-40％。

4.  根据权利要求2所述的基于3D打印的复杂结构模具制作方法，其特征在于，在垂直容器底部的方向上，所述容器内侧壁为底部向内倾斜的斜面结构，斜面与垂直面夹角15-30度。

5.  根据权利要求2所述的基于3D打印的复杂结构模具制作方法，其特征在于，所述容器盖板上设有溢流通孔；所述底板上设有提拉通孔。

6.  根据权利要求2所述的基于3D打印的复杂结构模具制作方法，其特征在于，所述容器盖板内侧壁上设有凸台；所述容器顶部开口处设有与所述凸台配合的卡台。

7.  根据权利要求2所述的基于3D打印的复杂结构模具制作方法，其特征在于，所述容器、容器盖板、底板、目标模型及底座均使用PLA材料，在FDM打印机打印得到。

8.  一种基于3D打印的复杂结构模型成型方法，其特征在于，包括：
(1)在权利要求1所述方法制备得到的上下模的上下型面涂覆隔断材料层，将上下模置于模具制作装置，合模定位；
(2)将制作模型的液态材料浇铸到上下模的型腔内，冷却成型，脱模便得到目标造型。

9.  根据权利要求8所述基于3D打印的复杂结构模型成型方法，其特征在于，所述隔断材料层采用的材料为膏状动物油脂。

说明书基于3D打印的复杂结构模具制作方法及成型方法
技术领域
本发明属于本发明涉及复杂结构模型的浇铸成型领域，一种基于3D打印的复杂结构分模制作方法及成型方法。
背景技术
近年来随着经济发展和网络的兴起、技术的进步，私人量身定制的概念日渐深入人心。在食品行业，从生日蛋糕，到纪念日的个性糕点，以个性造型定制为卖点的个体商户不断涌现，抓取消费者的眼球。而在医学领域，根据病人的骨骼等生理结构量身定制医用器具(如病人骨骼的石膏模型等)，更是一直以来的强烈需求。
但是，一方面，由于很多材料的强度低，在加工过程中易断裂，对于以上这些应用场景，目前生产方式普遍严重甚至完全依赖手工制作，如手工雕刻等。一方面，手工方法具有生产效率低、主观性强、不可控等缺点；另一方面，在深度定制领域，如食品的真人全身像造型，由于型面复杂、精细，手工制造至多只能通过将人卡通化这种简化手段来勉强达到定制效果,且费时费力，成本高昂，所以一直是难以攻克的难题。
3D打印作为近年来的热门技术，以增材制造、强大的复杂实体制造和单件小批量生产能力为人们熟知，这就为复杂结构的制造尤其是深度定制造型的实现提供了可行的手段。现有3D打印手段诸如光敏树脂打印、粉末打印，其成型精度较高，但是材料、设备昂贵，而熔融沉积制造(FDM)使用成本低廉、技术成熟，加之所使用的PLA熔丝具有经济、无毒环保、易降解的特性，因此还与很多有较高卫生安全要求的行业(如食品和医疗等行业)的契合度较高。
但FDM三维打印由于层积制造的方式，导致产品表面存在“台阶”纹，有时会严重影响产品的表面质量，申请号为CN 201410617641.1的中国发明专利申请公开了一种用硅胶膜来获得光洁表面模具的方法，并用来 完成对食品的浇铸造型。包括以下步骤：⑴通过三维软件建模或者三维扫描需要制作模具的复杂结构，得到模具模型，根据模具模型设计上模具；⑵制作上模具，在制作好的上模具的型面上涂设表面光滑的硅胶膜，在硅胶膜表面涂覆隔离层；⑶将步骤⑵得到的上模具浸没在盛有硅胶的下模具中，固化完成后，将所述上模具和硅胶膜去除，得到具有复杂结构型面的硅胶模具。这种方法为解决相对复杂型面的食品造型和表面质量问题提供了一种思路。
但此方法的硅胶薄膜容易破裂并粘连在硅胶模具上，后期清理工作比较繁杂。且由于通过此方法制造出的硅胶模具不能分型，因此造型有很多限制，例如全身的人像造型，因为有伸展的四肢，如果不破坏硅胶模具，PLA塑料模型将无法从硅胶中脱出，即使通过破坏塑料模型得到了完整的硅胶模具，在产品浇铸后同样无法脱出，更无法防止腿部这种细长结构的脆断。
综上所述：
(1)对于与上述例子类似的这种复杂结构模型，必须采用分型模具，防止模型无法脱模；
(2)对于低强度材料，固化成型后易发生脆断，加之模型为复杂结构，脱模时肯定会有剪切力产生，脆断更易发生，因此必须采用质地柔软的模具；
(3)对于上述例子类似的模型，分型模具的对准精度也有一定要求，即使模具柔软难以配合，也需要保证配合的准确度。
因此，一种能够制作出材质柔软、配合精度高的分模模具，利用此模具浇铸成型最终产品，并且经济、实用的复杂结构分模浇铸成型方法被迫切需要。
目前，对于柔软材质(以下以硅胶为例，其他类似材料同样适用)的模具分型方法，主要有两种：
(1)分开制作浇注硅胶上模和下模，固化后清理，最后合模。由于类似硅胶的材料固化后特别柔软难以夹紧和定位，即使所使用的工具精度很高，分开浇注也会致使上下型面很难做到平齐，因此这种方法得到的硅 胶模具合模密封性差，这继而极易致使浇铸材料从分型面处泄露，产品后期需要繁杂的处理工序甚至有直接报废的风险。
(2)将模型全部浸没在硅胶中，待硅胶固化后，用刀片手工沿需要分型的位置切开并取出模型，得到上下分模。这种方法的优点是上下模是由一个模具切开得到，所以配合精度高，合模密封性好。但缺点也同样明显：首先手持刀片的不稳定晃动致使型腔结合处的边角割出很多毛刺，模具使用一次后有些毛刺将会脱落，上下模结合处随之出现坑洞影响产品质量；其次由于固态硅胶对刀片粘着力很强，切割会很困难，切割方向无法沿预设切割线进行；最后，对例如人像两腿间空隙的结构，刀片无法伸入，不能完成切割。
发明内容
本发明提供了一种基于3D打印的复杂结构分模制作方法及成型方法，利用了硅胶或者明胶等材料的流动性和固化特性，以及固化后的柔软质地，制作分型模具。通过在已经固化的表面涂覆“隔断”材料后再二次浇注固化，可以在两次固化的交界处形成分界面，实现模具的自分型。本发明尤其涉及型面复杂、有表面质量要求、定制化程度高、必须分模制造的低强度材料的浇铸成型方法。
一种基于3D打印的复杂结构模具制作方法，包括：
步骤(1)、构建具有型面特征的目标模型和模具制作装置，得到目标模型文件和模具制作装置文件；
步骤(2)、将三维模型文件和模具制作装置文件导入3D打印机，通过3D打印制作目标模型和模具制作装置；
步骤(3)、在具有型面特征的目标模型表面铺设硅胶膜或明胶膜，固化；
步骤(4)、在模具制作装置内表面和目标模型的硅胶膜或明胶膜表面涂覆隔断材料层，在模具制作装置中定位模型；
步骤(5)、可根据需要调整目标模型的倾斜角度，然后浇注下模硅胶液体或明胶液体至需要分型的高度；固化，得到下模；
步骤(6)、在下模上的分型面上涂覆隔断材料层，浇铸上模硅胶液体 或明胶液体，固化，去除目标模型得到复杂结构型面特征的硅胶或明胶上下模模具。
本发明还可以包括如下步骤：通过三维软件建模得到目标模型，或者先利用三维扫描并处理后得到目标模型。该步骤中，按照需求，可采用现有成熟技术。通过计算机辅助设计CAD(Computer Aided Design)软件可以自建三维模型，例如利用商业CAD软件Solidworks等绘制。扫描模型可通过商用三维扫描仪得到点云数据，而后使用Geomagic studio、Cura等软件处理得到可用的三维模型。
作为优选，所述制作装置，包括：
用于形成上、下模的容器，该容器顶部和一侧设有开口；
盖设在所述容器顶部开口的容器盖板；
目标模型设置在容器内，且与所述容器相对固定；
目标模型具体结构需要根据实际需要确定，与实际加工的产品外形结构一致。
所述容器一侧同时设有开口；所述制作装置还包括与所述容器一侧开口可拆卸连接的底板；所述目标模型固定在一底座上，所述底座通过所述底板与容器相对固定。容器顶部和一侧开口的设置，方便了目标模型的移除。
作为优选，所述容器棱角位置为倒角结构，具体尺寸选择应该参照模型尺寸(倒角秒的宽度为模型宽度的20-40％取整)，以利于硅胶模具的脱出。
作为优选，在垂直容器底部的方向上，所述容器内侧壁为底部向内倾斜的斜面结构。容器壁可设计为斜面(斜度为与垂直面夹角15～30度)，使得硅胶模具的定位和脱出易于实现。
作为优选，所述容器盖板上设有溢流通孔，以便加盖时使硅胶溢出；所述底板上设有提拉通孔。所述提拉通孔为两个直径为15mm的通孔，方便施加拉力脱出硅胶模具。
作为优选，所述容器盖板内侧壁上设有凸台；所述容器顶部开口处设有与所述凸台配合的卡台。凸台可以在浇注食品材料时起到定位硅胶模具 的作用。
作为优选，容器的壁厚至少为3mm，防止受热翘曲变形。
作为优选，模型边缘至同一水平面的容器内壁的距离至少为8mm，以方便步骤(4)中隔断层的涂覆。
作为优选，容器的深度尺寸相对于模型厚度不应过大，内壁地面和容器顶缘与模型上下边缘的距离不大于5～8mm，否则会造成硅胶模具取放困难，加之上下硅胶模组的多余厚度增加，其刚度变大，可能导致食品模型脱模时被折断。
步骤(4)中，硅胶膜或明胶膜的厚度的控制可以通过调控液体硅胶的用量实现，总的来说，模型越精细，硅胶膜的厚度应该越薄，以保证最终的食品造型对细节的表现能力。隔断层材料应该均匀涂覆，以刚好覆盖固化后的硅胶表面为准，材料的选择可以多种多样，但应以动物油脂(膏状)为基底，以保证食品安全。液态油脂由于其分子与硅胶表面不亲和，会凝聚成油滴，不能起到“隔断”作用，还会在后固化的硅胶层表面形成“麻点”，不利于硅胶模具的合模密封性。作为优选，所述隔断材料层采用的材料为膏状动物油脂。
步骤(5)中，上膜硅胶模浇铸时应使硅胶液面接近容器顶端，以使在容器盖板加盖时有硅胶满溢，使得硅胶得到充分填充。
本发明可在三维软件中构建目标模型的打印结构并用FDM打印机打印，以用于制作对应的硅胶模具，打印结构包括：容器、容器盖板、底板、目标模型及其底座；即作为优选，所述容器、容器盖板、底板、目标模型及底座均使用PLA材料，在FDM打印机打印通过三维打印得到。
作为优选，与目标模型固定的底座厚度至少为3mm，以保证脱出硅胶模具时底板的强度。
本发明同时提供了一种基于3D打印的复杂结构模型成型方法，包括：
(1)在权利要求1所述方法制备得到的上下模的上下型面涂覆隔断材料层，将上下模置于模具制作装置，合模定位；
(2)将制作模型的液态材料浇铸到上下模的型腔内，冷却成型，脱模便得到目标造型。
作为优选，在得到上下半模准备合模浇注之前，可在上下型面涂覆隔断层材料，可以起到加强密封作用。
作为优选，在合模准备浇注液态材料之前，可将硅胶模具整体放入加热风箱中加热至合适的温度，使得液态材料在模具中保持足够的流动性以便充满型腔。
作为优选，在浇注完成后，应缓缓冷却至室温，以保证固化后的造型拥有足够的韧性，防止脱模时发生脆断。
本方法生产的模具：(1)与分浇铸上下模相比，贴合紧密，配合精度高，制备过程简便，经济效率；(2)与刀割法制备上下模相比，模具外观整齐，可以重复使用，可控性好，有自动化的潜质，便于商业推广。由于所使用的材料均无毒环保，因此安全可靠。
与同领域的技术相比，本发明具有如下优点：
基于成熟的FDM三维打印技术，稳定性、可控性好，结构简单、价格经济，加之可以脱机打印，使得生产更易于配置和优化。硅胶分模技术使得必须分模才可得到的复杂造型可以快速方便的生产(例如真人全身像的食品造型)。隔断材料可以一物三用，既可以隔断固液两态硅胶，还可以充当密封材料和模具制造的脱模剂，其本身也是易于获取、天然无毒害的材料，利于大范围的推广，没有化学添加剂的隐患。硅胶模具的制造以及合模浇注的定位，都是使用打印容器及其盖板，无额外的专用夹具等工具。
附图说明
图1为在已经固化的硅胶表面涂覆三种不同材料再二次浇注固化后，硅胶分层的效果对比图，图(a)为不使用任何材料，图(b)为使用液态食用油的表面，图(c)为使用隔断材料的表面；
图2为实施例1的具体流程示意图；
图3为实施例1的模型及底座示意图；
图4为实施例1的容器示意图；
图5为实施例1的容器盖板示意图；
图6为实施例1的容器底板示意图；
图7为实施例1的组装图；
图8为图7去除容器盖板的结构图。
具体实施方式
如图2所示，以一种典型的复杂结构模型——真人全身像的巧克力造型为例，其曲面造型复杂，并且还有四肢这样的细长结构，是极易发生脆断的部位，为了表现人的体貌特征，对模型的精细度也有较高要求，加上固态巧克力又是一种在室温下极易脆断的材料，对于体现本方法的优势具有说明性。
实施例1
(1)利用商用三维扫描仪得到真人的全身点云数据，在Geomagic studio中处理成可以进行三维打印的STL格式的人像模型文件，将人像模型文件导入Cura中得到人像模型的长宽高尺寸；
(2)在Solidworks中设计绘制底板、容器、容器盖板以及人像模型的底座，并分别另存为单独的STL格式的文件，分别是底板模型文件、容器模型文件、容器盖板模型文件和人像模型的底座模型文件，将STL格式的人像模型文件与底座模型文件通过MAGICS融合，得到带人像模型的底座模型文件：
(a)设计带人像模型的底座如图3，根据人像模型的尺寸，选择对应人像模型的底座的长宽尺寸，人像模型边缘距离底座各边的距离不低于10mm，底座的厚度不低于3mm，以保证强度。底座根据人像脚部尺寸设计一个凸台，高度不小于2mm，以便使巧克力人像可以站立。
(b)设计底板如图6，底板厚度不小于2mm，在底板的一边设计两个直径不小于15mm的孔，方便硅胶模具的取出；
(c)设计容器盖板如图5，容器盖板设计凸台，高度不小于1mm，宽度小于容器口部内宽尺寸，以便使得硅胶溢出获得充分填充，还可以在食品浇铸阶段起到定位硅胶模具的作用。容器盖板上设计通孔结构，使硅胶可以溢出；
(d)设计容器如图4，容器壁厚不小于3mm，否则易在加热固化硅胶时变形。容器的内壁底面和顶缘与人像模型上下边缘的距离不超过5～8mm，否则硅胶膜刚度变大，使得取放困难，且食品造型脱模时也易折断。容器的边角设计5×5mm的倒角，周围的内壁设计为有一定斜角的结构，以方便硅胶模具的取放，还可以起到定位作用；容器底部设有用于固定底板的卡槽；容器开口部位设有用于与容器盖板的凸台相对应的卡台；
(3)将步骤(2)中所述的STL格式的底板模型文件、容器模型文件、容器盖板模型文件和带人像模型的底座模型文件分别导入Cura生成G代码，使用PLA材料，在FDM三维打印机上打印实体，分别得到底板、容器、容器盖板和带人像的底座；如图7和图8所示。
(4)将打印出的带人像的底座表面均匀铺涂液体硅胶(可使用匀速转台帮助硅胶的铺涂)后放入烘箱中在50～60℃下固化，在带人像的底座表面形成薄膜，得到表面光洁的带人像的底座，而后使用隔断材料(本例使用羊皮脂和蜂蜡的混合物)均匀涂覆在带人像的底座的薄膜表面；
(5)在容器内表面和盖板的凸台面涂抹隔断材料，充当脱模剂。将底板插入容器卡槽中，浇注液体硅胶直到浸没至人像侧部一半的位置(不能完全没过脖颈)，静置于烘箱中固化；
(6)在固化后的下模表面，均匀涂覆隔断材料，继续浇注硅胶至容器顶缘。加盖容器盖板，保证容器盖板上的凸台与容器上的卡台对应，使硅胶从容器盖板的通孔中溢出，确保充分的填充后，静置于烘箱中固化；
(7)全部模具固化后，利用底板的两个孔将硅胶模具取出，分离上模，移除塑料模型，分离下模，如果容带人像的底座的表面的硅胶薄膜有磨损粘连，检查后去除，得到光洁的硅胶上下模；
(8)在上下模分型面涂覆隔断材料以确保密封，分别将下模和上模放回容器中合实，加盖盖板，确保定位准确，而后将容器盖板用夹具夹紧，放入烘箱中加热，由于本例中所使用的食品材料为巧克力，为保证流动性的同时留存巧克力的风味，应选择温度为33℃；
(9)用水浴锅将加热融化的液态巧克力(可可脂，33～40℃)缓缓注射进下模和上模之间的型腔，填充完全后将模具固定于振动台振实，最后 将模具静置于冷却装置中缓缓冷却至室温，开模即可得到巧克力的人像造型。
实施的有益效果
(1)硅胶模具密封性好，配合精确，经过浇注和振实后没有泄露；
(2)食品造型脱模容易，没有折断；
(3)食品造型对塑料模型的复制程度极高，且表面光洁；
(4)操作简单，成品率高，材料易获取，成本低。
为进一步说明本发明，见图1，图1为三种方法对硅胶分层的效果对比图，图(a)为不使用任何材料，图(b)为使用液态食用油的表面，图(c)为使用隔断材料的表面；由图(a)可知，在不使用任何材料时，硅胶结成一块，无法分离。由图(b)可知，在硅胶表面涂覆液态食用油后，硅胶可分离，但是由于食物油本身容易聚集在一起，分离后的硅胶表面有“麻点”(A处)。由图(c)可知，采用本发明的羊皮脂和蜂蜡的混合物时，硅胶分层简单，且表面平滑。