摘要
本文详细介绍了玻璃钢模具的制作方法。包括制造模具的条件，如环境条件、洁净车间、洁净压缩空气、原辅材料选用及合理制模时间表；模具胶衣的喷涂，涉及设备、检验、脱模腊和脱模剂处理以及喷涂方法；模具铺层，包括原料选择和质量检验、首层及增厚铺层、巴氏硬度控制；模具外结构的设计与制作；脱模方法；模具处理等环节。高质量的模具制作需要严格遵循各环节的要求和程序，综合考虑多个因素，各步骤相互配合，才能制作出满足需求的高质量模具。
关键词：玻璃钢模具；制作方法；模具胶衣；模具铺层
1.1 研究背景
复合材料模具在现代工业中占据着至关重要的地位。随着科技的不断进步，各行业对产品质量和性能的要求越来越高，传统的单一材料模具已难以满足复杂的生产需求。复合材料因其独特的性能优势，逐渐成为模具制造领域的新宠。
在航空航天领域，先进复合材料被广泛应用。由于复合材料具有比强度和比模量高、热膨胀系数低、设计灵活性强等优点，其在制造高精度、复杂形状的航空航天部件中具有不可替代的作用。而复合材料模具能够更好地适应航空航天部件的制造要求，确保部件的形状、尺寸精度和表面质量。例如，欧美航空航天领域已广泛应用复合材料模具，国内相关研究机构和企业也在积极进行复合材料模具的研究和实验。
在汽车制造领域，使用复合材料模具可以制造出更轻、更坚固、更美观的汽车零部件。复合材料零部件具有更好的抗冲击性和耐腐蚀性能，能有效提高汽车的性能和使用寿命。同时，随着汽车行业对轻量化的追求，复合材料模具为实现汽车轻量化提供了有效途径。
建筑领域同样能看到复合材料模具的身影。利用复合材料模具可以制造出各种造型自由的建筑部件，如楼梯扶手、雕塑等。这些部件具有高强度和美观性，同时具备防水、防火、抗震等特点，更适合现代建筑的需求。
体育器材领域，复合材料模具可以制造出更轻、更坚固、更刚性的器材，如高尔夫球杆、自行车框架等。复合材料器材具有更好的弹性和抗疲劳性能，更能满足运动员的需求。
目前，复合材料模具的研究现状主要集中在提高模具的性能、降低制造成本、拓展应用领域等方面。研究人员不断探索新的材料配方、制造工艺和设计方法，以提升复合材料模具的质量和效率。同时，随着智能制造技术的发展，智能复合材料模具的研发也成为了一个重要的研究方向。
1.2 研究目的
本文旨在对高性能复合材料模具制作工艺进行创新与优化，以满足现代工业对高质量模具的需求。随着各行业的快速发展，对模具的性能要求不断提高，传统模具制作工艺面临诸多挑战。
一方面，传统金属模具存在热膨胀系数与复合材料不匹配、密度大、热容大等问题，难以满足高精度复合材料构件的制造要求。而复合材料模具具有热膨胀性能匹配、密度小、热容小、可修复性好、制造成本相对较低等优势，能够更好地适应现代工业的发展需求。
另一方面，现有的复合材料模具制作工艺在导热性、工艺复杂性、过程控制等方面仍存在不足。例如，传统的复合材料模具导热性差，容易导致成型构件出现缺陷和变形，影响产品质量。此外，模具制作过程中的工艺复杂性和严格的过程控制要求也增加了制造成本和生产周期。
为了解决这些问题，本文将对复合材料模具制作工艺进行深入研究，探索新的材料配方、制造工艺和设计方法。通过优化模具的结构设计、提高材料的性能、改进制造工艺等措施，提高复合材料模具的导热性、强度、精度和使用寿命，降低制造成本，提高生产效率。同时，结合智能制造技术，研发智能复合材料模具，实现模具制作的自动化、智能化，为现代工业的发展提供更加优质的模具产品。
2.1 材料特性对模具性能的影响
2.1.1 树脂材料的选择与性能分析
间苯树脂和乙烯基树脂在模具制作中具有显著优势。间苯树脂具有较高的热变形温度和低收缩率，这使得模具在高温环境下仍能保持稳定的尺寸精度。在模具制作过程中，低收缩率可以减少因树脂固化收缩而产生的内应力，从而降低模具变形的风险，提高模具的精度。同时，较高的热变形温度使模具能够承受较高的工作温度，适用于一些需要高温成型的复合材料构件制造。
乙烯基树脂同样具备优异的性能。它与纤维之间的结合力强，能够在纤维之间传递更高的剪切载荷，使复合材料模具具有更高的强度。这意味着模具可以承受更大的外力而不发生破坏，提高了模具的使用寿命。此外，乙烯基树脂还具有良好的耐化学性，能够抵抗酸、碱等化学物质的侵蚀。在一些特殊的工业应用中，如化工领域，这种耐化学性尤为重要，可以确保模具在恶劣的化学环境下仍能保持良好的性能。
2.1.2 玻纤增强材料的作用
短切毡等玻纤增强材料在复合材料模具中起到了关键的增强效果。短切毡能够最大程度地减少纤维纹路的印出，相比针织纤维毡和纤维编织类产品，其优点更为突出。在模具制作过程中，短切毡可以增加模具的强度和刚度。由于玻纤增强材料的高强度特性，它能够承受模具在使用过程中所受到的各种外力，防止模具发生变形或破裂。
同时，玻纤增强材料还可以改善模具的热稳定性。玻璃纤维具有较高的耐热性，能够在高温环境下保持稳定的性能。在复合材料模具的使用过程中，可能会遇到高温成型工艺或高温工作环境，玻纤增强材料可以确保模具在这些条件下不会因温度变化而发生性能下降或变形。
此外，玻纤增强材料还可以提高模具的尺寸稳定性。由于其与树脂的良好结合性，可以有效地限制树脂在固化过程中的收缩，从而减少模具的尺寸变化，提高模具的精度和稳定性。在模具的长期使用过程中，玻纤增强材料能够保持模具的尺寸精度，确保生产出的复合材料构件具有一致的质量。
2.2 制作工艺参数的控制
2.2.1 环境参数的合理范围
制作模具的温度、湿度等环境条件对模具质量起着至关重要的作用。温度应始终保持在 21~28℃，在这个温度范围内，树脂和胶衣的固化效果最佳，能够确保模具的性能稳定。如果温度过高或过低，都会影响固化过程，导致模具出现缺陷。例如，温度过高可能会使树脂过快固化，产生内应力，从而降低模具的强度和精度；温度过低则会延长固化时间，降低生产效率。
湿度对胶衣和树脂的固化影响也很大，理想的湿度范围为 40~60。当湿度超过 65 时，应等待至合适的生产条件再施工。高湿度环境下，模具胶衣表面容易出现大量针孔和麻点，这不仅会影响模具的外观质量，还会降低模具的强度和耐用性。为了确保模具质量，在制造模具时，应保持制造区高度清洁，并采取有效的除尘与清洁措施。同时，要保证纯净、干燥的气源供给，避免风管中空气带有水或油，以免影响模具胶衣的质量。
2.2.2 固化时间的精准控制
以巴氏硬度为指标，可以有效地说明固化时间对模具质量的影响。当积层的巴氏硬度达到完全固化硬度的 80%~90%时，就可以进行下一铺层。通过记录多个读数并算出平均值，以此作为硬度值，可以消除由于固化时间差异而产生的数据误差。这种方法比依据铺层时间计划表更加准确地判断固化程度，从而确保模具的质量。
固化时间的精准控制对于模具的性能至关重要。如果固化时间过短，树脂无法完全固化，模具的强度和硬度不足，外观无光泽，脱模时容易出现翘曲和变形等问题。相反，如果固化时间过长，不仅会降低生产效率，还可能导致过度交联，使收缩率增加，在树脂与填料间产生较大的内应力，使制品表面发暗起泡，严重时会出现制品破裂。因此，在模具制作过程中，需要根据具体的材料和工艺要求，精准控制固化时间，以确保模具的质量和性能。
3.1 胶衣材料的选择与检验
3.1.1 优质模具胶衣的特点
优质模具胶衣具有诸多性能特点。在耐热方面，例如环氧胶衣（EP）、乙烯基胶衣（VE）、不饱和聚酯胶衣（UP）等不同类型的胶衣有着不同的耐温性能。正常情况下，耐温性能为环氧胶衣＞乙烯基胶衣＞不饱和聚酯胶衣。如果是常温固化的生产工艺，选择乙烯基或者不饱和聚酯胶衣均可满足需求；而对于一些需要加温固化的模具，如热压罐工艺，由于其长时间温度超过 120℃，一般就要考虑用环氧模具胶衣。
在耐磨方面，正常情况下乙烯基和聚酯类的巴氏硬度能达到 40HBa 左右，有些品牌的模具胶衣可高达 45 - 50HBa 之间。有足够的硬度才能在产品脱模过程中起到更好的保护作用，但也不能一味地追求高硬度，因为还要考虑到其韧性强度，只有这两者平衡才能达到最佳的性能。
此外，光亮度也是优质模具胶衣的重要特点之一。胶衣的巴氏硬度不能太低，若低于 30HBa，一般就难于磨出亮度来。而且针眼少的胶衣，光亮度也会更好。同时，光亮度的持久性也很关键，有些模具胶衣刚做出来的时候亮度非常好，但做几件产品之后亮度就迅速下降了，又需要打磨、抛光等处理。
3.1.2 胶衣的质量检验流程
胶衣的质量检验需要严格按照流程进行。首先要检查生产日期，依照胶衣供应商的建议，生产者能够保证胶衣从包装到一特定时间的使用质量。因此，生产者与检查者应经常检验每桶胶衣的生产日期或日期编号，以便确认胶衣是否在有效的使用期内。
其次是检验凝胶时间。每桶模具胶衣的凝胶时间、供应商都有明确规定。检验时，样品应达到标准的测试温度 25℃，加入指定数量的固化剂并混和均匀，记录下从固化到加入到凝胶的时间。正常情况下，模具胶衣的最佳凝胶时间是在 40 - 60分钟。时间太短，不利气泡的排放，针眼会比较多；若时间太长，固化度又会上不来，直接影响其硬度。
最后是检验粘度。需要用 BROOKFIELD 粘度计测试胶衣粘度，胶衣样品的温度为 25℃。选择合适的转子置于样品中，粘度计以低速和高速旋转，记录读数并转化为粘度指标。通过对生产日期、凝胶时间、粘度等指标的严格检验，可以确保使用的胶衣质量符合模具制作的要求。
3.2 胶衣喷涂的注意事项与方法
3.2.1 喷涂设备的选择与使用
在模具胶衣喷涂过程中，选择合适的喷涂设备至关重要。目前常用的有手提式多用型喷枪和压送式胶衣喷枪等。固化剂通过手动混合，保证了准确的比例，但喷枪喷出的扇形混合物的分布产生一非常细的雾化效果，喷涂的速度比泵送系统慢，其工作时间受到原料凝胶时间的限制。手提式多用型喷枪体型轻巧，操作容易，维护简便，用途广泛。它可用于喷涂产品胶衣、模具胶衣、外喷型胶衣，也可喷涂树脂、油漆和内外墙装饰涂料，尤其能喷涂添加了聚酯颗粒的胶衣。该类喷枪结构简单，主要由枪体、枪头和料杯三部分组成。使用时需准备一台 8 公斤压力排气量 0.4 立方/分钟以上的空气压缩机，由空压机出口处连接气管至枪体底部接头处拧紧。操作时要根据原材料性能选择合适喷嘴，检查密封圈，在连接处涂上润滑油，将预促进好的胶衣倒入杯内，加入白水搅拌均匀，盖好杯盖，握住枪柄，扣住枪机，调节气量控制阀使原料雾化达到最佳状态进行喷射，停止喷射时将枪头上扬并松开枪机，使用后用清洗液洗净并涂上润滑油以备下次使用。
压送式胶衣喷枪适用于模具胶衣和产品胶衣，具体设备更多详细信息可进一步查询了解。
在使用这些喷枪时，要注意以下技巧：一是确保喷枪与模具的距离合适，避免过近导致胶衣流挂，过远影响喷涂效果；二是要注意喷枪的移动速度，保持均匀稳定，以确保胶衣厚度均匀；三是及时清洗喷枪，防止凝胶堵塞喷枪，尤其是喷嘴一定要清洗干净，可使用丙酮作为清洗剂。
3.2.2 喷涂过程中的厚度控制
胶衣厚度对模具质量有着重要影响。正确控制胶衣厚度能够提高模具的强度、耐久性和外观质量。一般建议模具胶衣厚度为 1mm，分两层喷涂，每层 0.5mm 厚，且每层喷三遍，一遍 0.15mm - 0.17mm。
为了准确控制胶衣厚度，可以使用胶衣湿膜卡尺。在胶衣喷涂后，在湿膜状态下，用卡尺垂直放置胶衣面，相对最大一个粘到胶衣的尺轮就是胶衣的湿膜厚度。通常产品涂层厚度为 400u - 500u，建议分两次喷涂，每层需等待几分钟（或完全固化后）再进行下层胶衣的操作。
在喷涂过程中，要严格按照正确的喷涂方法进行操作。先喷第一遍厚度为 0.15mm - 0.17mm 的模具胶衣，与第一遍成垂直方向喷第二遍胶衣，厚度为 0.15mm - 0.17mm，再按第一遍的方向喷最后一遍胶衣，这样第一层的胶衣厚度就是 0.5mm。为避免龟裂或起皱，应在第一层胶衣固化后，才能喷另一层胶衣。在正常温度下，固化时间为 90 分钟。
此外，在喷涂时还应注意参考喷涂面积对胶衣称重，以计算精确的固化剂添加量。考虑到最佳固化效果，推荐使用固化剂 M50，用量为 1 - 2%（胶衣重量），具体添加量参考温度、模具面积等而定。同时，可加入 2 - 5%苯乙烯以调节树脂胶衣的粘度和补充喷涂过程中发挥损失的苯乙烯。胶衣层的厚度应该精确的控制在 0.3mm - 0.5mm 之间，通常以单位面积所用的胶衣质量来控制，即胶衣的附着在模具上的用量 350 - 550g/㎡，实际用量可能达到 800g/㎡，这样便能达到上述厚度的要求。如果室内温度低于 15℃或湿度超过 80%，将不能进行胶衣喷涂作业。喷涂完毕，胶衣可常温固化（大约需要 1.5 小时），也可放置于加温间（60 摄氏度 45 分钟即可）加快固化。使用胶衣卡尺，检查湿膜厚度是否满足预期的要求。
4.1 铺层材料的选用与质量控制
4.1.1 模具树脂的要求与检验
模具树脂在复合材料模具铺层中起着关键作用。要求具有较高的热变形温度和低收缩率。热变形温度高，能确保模具在高温环境下仍能保持稳定的尺寸精度，避免因温度变化而产生变形，影响模具的质量和使用寿命。例如，在一些高温成型工艺中，热变形温度高的模具树脂能够承受较高的温度而不发生软化或变形，保证模具的形状和尺寸精度。
低收缩率特性可以减少因树脂固化收缩而产生的内应力。在模具制作过程中，树脂固化收缩是不可避免的，但如果收缩率过大，会导致模具内部产生较大的应力，从而引起模具变形、开裂等问题。通过选用低收缩率的模具树脂，可以有效降低这种风险，提高模具的质量和稳定性。
在质检方面，要像对模具胶衣那样进行严格的质量检验。首先是材料贮存期的检查，确保模具树脂在有效使用期内。根据不同的树脂类型和生产厂家，模具树脂的贮存期会有所不同，但一般来说，生产者应按照树脂供应商的建议，对每一批模具树脂进行检查，确认其生产日期或日期编号，以保证在使用时树脂的性能稳定。
其次是对每一批进行混合测试。混合测试可以检验模具树脂与其他铺层材料的相容性和混合效果。例如，在与玻纤增强材料混合时，要确保树脂能够充分浸润玻纤，形成良好的结合，以提高铺层的强度和刚度。混合测试可以通过实际的铺层操作来进行，观察树脂与玻纤的混合情况，是否存在分层、气泡等问题。