基于3d打印的復雜結構模具制作方法及成型方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于本發明涉及復雜結構模型的澆鑄成型領域，一種基于3D打印的復雜結構分模制作方法及成型方法。
【背景技術】
[0002]近年來隨著經濟發展和網絡的興起、技術的進步，私人量身定制的概念日漸深入人心。在食品行業，從生日蛋糕，到紀念日的個性糕點，以個性造型定制為賣點的個體商戶不斷涌現，抓取消費者的眼球。而在醫學領域，根據病人的骨骼等生理結構量身定制醫用器具(如病人骨骼的石膏模型等)，更是一直以來的強烈需求。
[0003]但是，一方面，由于很多材料的強度低，在加工過程中易斷裂，對于以上這些應用場景，目前生產方式普遍嚴重甚至完全依賴手工制作，如手工雕刻等。一方面，手工方法具有生產效率低、主觀性強、不可控等缺點；另一方面，在深度定制領域，如食品的真人全身像造型，由于型面復雜、精細，手工制造至多只能通過將人卡通化這種簡化手段來勉強達到定制效果，且費時費力，成本高昂，所以一直是難以攻克的難題。
[0004]3D打印作為近年來的熱門技術，以增材制造、強大的復雜實體制造和單件小批量生產能力為人們熟知，這就為復雜結構的制造尤其是深度定制造型的實現提供了可行的手段。現有3D打印手段諸如光敏樹脂打印、粉末打印，其成型精度較高，但是材料、設備昂貴，而熔融沉積制造(FDM)使用成本低廉、技術成熟，加之所使用的PLA熔絲具有經濟、無毒環保、易降解的特性，因此還與很多有較高衛生安全要求的行業(如食品和醫療等行業)的契合度較高。
[0005]但FDM三維打印由于層積制造的方式，導致產品表面存在“臺階”紋，有時會嚴重影響產品的表面質量，申請號為CN 201410617641.1的中國發明專利申請公開了一種用硅膠膜來獲得光潔表面模具的方法，并用來完成對食品的澆鑄造型。包括以下步驟:(1)通過三維軟件建模或者三維掃描需要制作模具的復雜結構，得到模具模型，根據模具模型設計上模具；⑵制作上模具，在制作好的上模具的型面上涂設表面光滑的硅膠膜，在硅膠膜表面涂覆隔離層；⑶將步驟⑵得到的上模具浸沒在盛有硅膠的下模具中，固化完成后，將所述上模具和硅膠膜去除，得到具有復雜結構型面的硅膠模具。這種方法為解決相對復雜型面的食品造型和表面質量問題提供了一種思路。
[0006]但此方法的硅膠薄膜容易破裂并粘連在硅膠模具上，后期清理工作比較繁雜。且由于通過此方法制造出的硅膠模具不能分型，因此造型有很多限制，例如全身的人像造型，因為有伸展的四肢，如果不破壞硅膠模具，PLA塑料模型將無法從硅膠中脫出，即使通過破壞塑料模型得到了完整的硅膠模具，在產品澆鑄后同樣無法脫出，更無法防止腿部這種細長結構的脆斷。
[0007]綜上所述:
[0008](I)對于與上述例子類似的這種復雜結構模型，必須采用分型模具，防止模型無法脫模；
[0009](2)對于低強度材料，固化成型后易發生脆斷，加之模型為復雜結構，脫模時肯定會有剪切力產生，脆斷更易發生，因此必須采用質地柔軟的模具；
[0010](3)對于上述例子類似的模型，分型模具的對準精度也有一定要求，即使模具柔軟難以配合，也需要保證配合的準確度。
[0011]因此，一種能夠制作出材質柔軟、配合精度高的分模模具，利用此模具澆鑄成型最終產品，并且經濟、實用的復雜結構分模澆鑄成型方法被迫切需要。
[0012]目前，對于柔軟材質(以下以硅膠為例，其他類似材料同樣適用)的模具分型方法，主要有兩種:
[0013](I)分開制作澆注硅膠上模和下模，固化后清理，最后合模。由于類似硅膠的材料固化后特別柔軟難以夾緊和定位，即使所使用的工具精度很高，分開澆注也會致使上下型面很難做到平齊，因此這種方法得到的硅膠模具合模密封性差，這繼而極易致使澆鑄材料從分型面處泄露，產品后期需要繁雜的處理工序甚至有直接報廢的風險。
[0014](2)將模型全部浸沒在硅膠中，待硅膠固化后，用刀片手工沿需要分型的位置切開并取出模型，得到上下分模。這種方法的優點是上下模是由一個模具切開得到，所以配合精度高，合模密封性好。但缺點也同樣明顯:首先手持刀片的不穩定晃動致使型腔結合處的邊角割出很多毛刺，模具使用一次后有些毛刺將會脫落，上下模結合處隨之出現坑洞影響產品質量；其次由于固態硅膠對刀片粘著力很強，切割會很困難，切割方向無法沿預設切割線進行；最后，對例如人像兩腿間空隙的結構，刀片無法伸入，不能完成切割。
【發明內容】
[0015]本發明提供了一種基于3D打印的復雜結構分模制作方法及成型方法，利用了硅膠或者明膠等材料的流動性和固化特性，以及固化后的柔軟質地，制作分型模具。通過在已經固化的表面涂覆“隔斷”材料后再二次澆注固化，可以在兩次固化的交界處形成分界面，實現模具的自分型。本發明尤其涉及型面復雜、有表面質量要求、定制化程度高、必須分模制造的低強度材料的澆鑄成型方法。
[0016]一種基于3D打印的復雜結構模具制作方法，包括:
[0017]步驟(I)、構建具有型面特征的目標模型和模具制作裝置，得到目標模型文件和模具制作裝置文件；
[0018]步驟(2)、將三維模型文件和模具制作裝置文件導入3D打印機，通過3D打印制作目標模型和模具制作裝置；
[0019]步驟(3)、在具有型面特征的目標模型表面鋪設硅膠膜或明膠膜，固化；
[0020]步驟(4)、在模具制作裝置內表面和目標模型的硅膠膜或明膠膜表面涂覆隔斷材料層，在模具制作裝置中定位模型；
[0021]步驟(5)、可根據需要調整目標模型的傾斜角度，然后澆注下模硅膠液體或明膠液體至需要分型的高度；固化，得到下模；
[0022]步驟(6)、在下模上的分型面上涂覆隔斷材料層，澆鑄上模硅膠液體或明膠液體，固化，去除目標模型得到復雜結構型面特征的硅膠或明膠上下模模具。
[0023]本發明還可以包括如下步驟:通過三維軟件建模得到目標模型，或者先利用三維掃描并處理后得到目標模型。該步驟中，按照需求，可采用現有成熟技術。通過計算機輔助設計CAD (Computer Aided Design)軟件可以自建三維模型，例如利用商業CAD軟件Solidworks等繪制。掃描模型可通過商用三維掃描儀得到點云數據，而后使用Geomagicstud1, Cura等軟件處理得到可用的三維模型。
[0024]作為優選，所述制作裝置，包括:
[0025]用于形成上、下模的容器，該容器頂部和一側設有開口 ；
[0026]蓋設在所述容器頂部開口的容器蓋板；
[0027]目標模型設置在容器內，且與所述容器相對固定；
[0028]目標模型具體結構需要根據實際需要確定，與實際加工的產品外形結構一致。
[0029]所述容器一側同時設有開口 ；所述制作裝置還包括與所述容器一側開口可拆卸連接的底板；所述目標模型固定在一底座上，所述底座通過所述底板與容器相對固定。容器頂部和一側開口的設置，方便了目標模型的移除。
[0030]作為優選，所述容器棱角位置為倒角結構，具體尺寸選擇應該參照模型尺寸(倒角秒的寬度為模型寬度的20-40%取整)，以利于硅膠模具的脫出。
[0031]作為優選，在垂直容器底部的方向上，所述容器內側壁為底部向內傾斜的斜面結構。容器壁可設計為斜面(斜度為與垂直面夾角15?30度)，使得硅膠模具的定位和脫出易于實現。
[0032]作為優選，所述容器蓋板上設有溢流通孔，以便加蓋時使硅膠溢出；所述底板上設有提拉通孔。所述提拉通孔為兩個直徑為15mm的通孔，方便施加拉力脫出硅膠模具。
[0033]作為優選，所述容器蓋板內側壁上設有凸臺；所述容器頂部開口處設有與所述凸臺配合的卡臺。凸臺可以在澆注食品材料時起到定位硅膠模具的作用。
[0034]作為優選，容器的壁厚至少為3mm，防止受熱翹曲變形。
[0035]作為優選，模型邊緣至同一水平面的容器內壁的距離至少為8mm，以方便步驟(4)中隔斷層的涂覆。
[0036]作為優選，容器的深度尺寸相對于模型厚度不應過大，內壁地面和容器頂緣與模型上下邊緣的距離不大于5?8mm，否則會造成硅膠模具取放困難，加之上下硅膠模組的多余厚度增加，其剛度變大，可能導致食品模型脫模時被折斷。
[0037]步驟(4)中，硅膠膜或明膠膜的厚度的控制可以通過調控液體硅膠的用量實現，總的來說，模型越精細，硅膠膜的厚度應該越薄，以保證最終的食品造型對細節的表現能力。隔斷層材料應該均勻涂覆，以剛好覆蓋固化后的硅膠表面為準，材料的選擇可以多種多樣，但應以動物油脂(膏狀)為基底，以保證食品安全。液態油脂由于其分子與硅膠表面不親和，會凝聚成油滴，不能起到“隔斷”作用，還會在后固化的硅膠層表面形成“麻點”，不利于硅膠模具的合模密封性。作為優選，所述隔斷材料層采用的材料為膏狀動物油脂。
[0038]步驟(5)中，上膜硅膠模澆鑄時應使硅膠液面接近容器頂端，以使在容器蓋板加蓋時有硅膠滿溢，使得硅膠得到充分填充。
[0039]本發明可在三維軟件中構建目標模型的打印結構并用FDM打印機打印，以用于制作對應的硅膠模具，打印結構包括:容器、容器蓋板、底板、目標模型及其底座；即作為優選，所述容器、容器蓋板、底板、目標模型及底座均使用PLA材料，在FDM打印機打印通過三維打印得到。
[0040]作為優選，與目標模型固定的底座厚度至少為3mm，以保證脫出硅膠模具時底板的強度。
[0041]本發明同時提供了一種基于3D打印的復雜結構模型成型方法，包括:
[0042](I)在權利要求1所述方法制備得到的上下模的上下型面涂覆隔斷材料層，將上下模置于模具制作裝置，合模定位；
[0043](2)將制作模型的液態材料澆鑄到上下模的型腔內，冷卻成型，脫模便得到目標造型。
[0044]作為優選，在得到上下半模準備合模澆注之前，可在上下型面涂覆隔斷層材料，可以起到加強密封作用。
[0045]作為優選，在合模準備澆注液態材料之前，可將硅膠模具整體放入加熱風箱中加熱至合適的溫度，使得液態材料在模具中保持足夠的流動性以便充滿型腔。
[0046]作為優選，在澆注完成后，應緩緩冷卻至室溫，以保證固化后的造型擁有足夠的韌性，防止脫模時發生脆