產品設計:矽膠翻模大哉問

介紹

軟性的物質廣泛存在於我們的日常生活中,從電腦用的橡膠底墊到剪刀上符合人體工學的握柄都是。橡膠材料像是聚氨酯、矽膠、氯丁橡膠與乳膠等,從屋頂製作材料到醫療設備等。

矽膠的鑄造讓我們能夠拓展3D列印的可能性,搭配在美術、珠寶材料行以及一般零售店即可取得的材料就能作出可彎曲與可拉伸的物件。

這份文章涵蓋了OXO, Tinta Crayons與Dame Products等公司的案例介紹,闡述三個不同的矽膠翻模產品設計與製造。這些技術包括:

 

1. 為鋪墊類樣件做矽膠土的壓塑成型

2. 蠟或其他硬質材料的兩階段鑄造,適合用來做零件的複製,而矽膠鑄造則是產品生產的中間步驟

3. 包覆成型,用矽膠完全披覆物件原樣

 

這三種技術可以直接使用,或者結合不同技術來製作客製化物件。此外,除了循序漸進的流程外,我們的合作夥伴也提供了工業認證的最佳解決方案來執行這些步驟,而使用Formlabs低應力光固化技術來列印,則是其中非常重要的一個步驟。

五件您將會學到的事:

  • 為您的應用選擇矽膠
  • 如何為鋪墊類樣件作壓塑模具
  • 複製有平面的3D列印物件的最佳方式
  • 如何用包覆成型披覆物件
  • 設計3D列印模具重要特徵的最好方式

關於矽膠:

在這篇文章裡,我們將會談到室溫硫化材料(RTV)在矽膠家族中的應用。矽膠是在分子鏈中包含矽元素的一類聚合物。透過與化學催化劑反應,可以從液態狀(液體矽膠)到富有彈性與拉伸性的固態狀(矽橡膠)。

在鑄造與翻模過程中,RTV矽膠可以捕捉到表面的細節包括浮雕文字。此外,大多數可翻鑄的矽膠並不具化學黏著性,固化後就會脫離3D列印的模具。機械鍵結可以透過翻鑄在類似織品纖維這種高滲透性表面來達到,在某些案例中,可以透過特定的黏合劑來達到化學鍵結。

液態矽膠:液態矽膠通常是雙組份或單組份並有少量催化劑添加,有兩種類型很容易取得。以鉑進行催化的矽膠通常成本較高,不過能有較長期的穩定性,且在完全固化後擁有極低的收縮率。以錫進行催化的矽膠成本則比較低,但較為不穩定,且在完全固化後可能會有較高的收縮率。固化的時間,從10分鐘到數小時都有可能。

矽膠土:這是一種用手均勻混合兩部分的黏土。主要應用包括做珠寶業模具等,而矽膠本身就很好模擬壓塑成型的鋪墊與封填。它的蕭氏硬度大約在40A左右(可參照下方的刻度),硬度類似於橡皮擦。矽膠能夠在20多分鐘內快速固化,且擁有零收縮率。

皮膚、黏膜與食品安全:某些需要與人體或者食物接觸的應用,會需要比其他應用更高的靈敏度。可參照材料供應商所提供的安全數據(materials safety data sheet, MSDS),確保這款矽膠對您的應用安全無虞。

硬度等級:橡膠材料,包含像矽膠等,可形成一系列不同的硬度,從極軟到極堅硬都可以,並以特定的蕭氏硬度標示。較軟的材料以蕭氏硬度A刻度來做衡量,較硬的材料則以蕭氏硬度D刻度來做衡量。

我們與多位Formlabs目前客戶做訪談,以了解他們如何運用雷射光固化3D列印機來做矽膠翻模。一項我們獲得的主要收穫是流程上沒有通用法則,然而,我們的使用者手冊仍可以使用在許多應用上。雖然可能會有例外,不過我們所獲得的建議可以廣泛應用在多數計畫中。

接下來,我們將會談到基本的翻模打樣方法、兩階段脫蠟鑄造法以及矽膠的包覆成型。

方法一:為鋪墊類樣品做快速矽膠翻模

簡介:

公司:OXO

OXO為一家美國品牌,致力於為家庭設計符合人體工學的實用產品,包括許多指標性的廚房小工具設計。OXO的產品開發人員用3D列印來做許多產品的外型和功能性打樣,結合多元的方法來做鋪墊類的橡膠物件打樣是不可或缺的。

這項案例研究來自調酒搖杯的杯墊設計。OXO的工程師要為物件之間做防水密封性功能樣件。測試多款現有的矽膠後,他們決定用矽膠土壓塑翻模。Castaldo Quick-Sil是模擬防水墊的理想選擇。事實上,壓塑翻模是在鋪墊類製造中模具設計很好的一個例子。

材料與設備:

  • McMaster-Carr產品8595K12 Quick-Sil 物件A與B
  • Formlabs透明樹脂
  • 脫模器具
  • 桌上型夾鉗

逐步教學:

1. 用透明樹脂列印兩件式模具:大部分的應用,推薦使用50微米的層厚度;如果需要製作文字或者浮雕,可以使用25微米的層厚度。您可以旋轉物件,讓重要的內部結構或表面處不長支撐材。

 

2. 清洗並二次固化模具,並移除支撐材:用IPA將物件清洗乾淨,直到物件表面不會黏黏的。我們建議透明樹脂使用60度的溫度光固15分鐘。這有助於支撐材痕跡的打磨,讓模具可以精確地吻合桌面夾鉗。

 

3. 應用脫模器具:大部分的脫模噴霧都適用於內層表面噴塗。

 

4. 混合A與B:用手揉合等量的A和B劑。矽橡膠在大約90秒後就會開始固化,因此要盡量在最短的時間內將矽橡膠結合以確保均勻的顏色––盡量在一分鐘之內完成。

5. 將矽膠塞入模具:矽膠要緊密壓實到兩邊的模具中,確保完整呈現所有細節與縫隙。可以多用些矽膠土無妨,多餘的土會溢到模具外面。

6. 使用桌上型夾鉗擠壓模具:模具應該朝垂直分模線的方向做擠壓。注意:壓塑成型的模具要施加壓力,分模面才會完整接觸。將桌上型夾鉗和緩地闔上,直到模具無法再更密合。矽橡膠在20分鐘左右會完全固化。

7. 樣件取模:您可以使用Formlabs鏟刀或者一字螺絲起子將模具撬開。

8. 修整並完成物件:在兩個半模接合的地方通常會有一些殘餘的材料,我們建議可以使用鋒利的筆刀來去除。

9. 準備下次翻鑄:一般模具可以重複使用好幾次。並從第三步驟開始再次應用模具。

 


最佳做法

  1. 樹脂選擇:可以使用高韌性樹脂或透明樹脂。我們建議使用透明樹脂來製作一個易於觀察樹脂填充的模子。然而,高韌性樹脂對於桌上型夾鉗的壓力有更高的耐受性。我們建議用50微米層厚度來達到表面特徵平滑度與列印速度之間的平衡。在成型平台上適當擺放您的物件,讓重要的內部結構不要有支撐材痕跡。外表拋光可以達到良好的透度效果。
  2. 對準特徵:模具四角的圓柱凸出與凹陷可用來作為對準的特徵,確保模具兩側之間正確對齊。我們的合作夥伴建議增加1mm的空隙便於對齊。像這個杯墊這種環狀對稱的物體中,對齊特徵點的形狀和位置是相同的,所以杯墊外型轉90度或180度都不受影響。如果是不規則的形狀,只能以單一角度將模具合併的狀況,可以用鎖鑰策略來做。
  3. 斜切翹點:在模具邊緣加上倒角,可以更容易將模具撬開。您可以使用Formlabs隨機附贈工具組中的刮鏟或者一字螺絲起子來將它撬開。
  4. 模具設計:您首要考慮的點是模具的分模線,或是兩個模具要如何組合在一起,以及兩個模具要如何分開。我們在OXO的夥伴建議要考慮物件最終將如何被製作,包括去除材料分界的毛邊。在這個案例中,他將杯墊外部的硬角當作是方便定義分模線的位置。

有趣的是,脫模角度在模具製造的過程中不是一個特別重要的點。請注意,墊圈內部的草皮不需要自己的分模線。因為矽橡膠在脫模過程可以大幅變形,包含些微的倒凹等許多角度都可以操作。

 

方法二:兩階段脫蠟鑄造法

簡介:

公司:Tinta Crayons, Print My Ride

Tinta Crayons是一間位於澳洲的蠟筆公司,是由兩位孩童的媽媽創立。他們自行研發了無毒環保的蠟配方,並使用了矽膠翻模來小量製作奇形怪狀、表面細緻的蠟筆。

他們的製作過程先透過Formlabs一般樹脂列印成品(母模)。接下來透過在母模上翻製一個矽膠托盤,接著再將蠟澆注到這個矽膠托盤中做出複製蠟件。


敞口翻製法非常適合用來翻製有一邊是平坦面的物件,這個方法可以延伸到脫蠟鑄造外的其他成品,像是混凝土或者兩塊式環氧樹脂。跟完全封閉的模具不一樣的是,這個方法適用於固化過程會發熱、會收縮或膨脹的翻鑄材料,例如可鑄泡棉。

針對下列的流程說明,我們採訪了來自Print Your Ride的Formlabs大使Matt Schmotzer,他採用同樣的做法來為他在底特律的家中製作廚房背牆瓷磚。

材料與設備:

  • 兩劑式液態矽膠(Smooth的OOMOO 30)
  • Formlabs灰色樹脂
  • 脫模離型劑
  • 蠟、混凝土、樹脂或其他最終用途的材料

逐步教學:

1. 用一般樹脂列印母模。這是您的成品設計,並且將會用其他材料來翻製他。建議使用50微米的層厚度來列印。並避免紋路細緻的表面有支撐材的痕跡。

2. 以IPA充分清洗物件。任何表面殘留的黏性都會影響矽膠翻模的過程。

 

3. 建構模具的外殼。為矽膠模具製作容器普遍會選用上塗料的中纖板。在這個案例中,我們簡單使用現成的塑料容器,無孔且擁有平坦底部的容器即可。

4. 擺放模具並使用脫模劑。首先。將脫模劑噴灑在模具容器的內部與外殼。我們是使用Smooth-On brand通用型脫模劑。將母模擺放在容器內部,並將細節面朝上,將脫模劑輕輕噴灑在母模上,大約十分鐘後就會全乾。

 

5. 準備矽膠:依包裝說明混合矽橡膠。像手持式電動研磨機之類的震動設備可用來除去泡沫。

6. 將矽膠倒入容器:緩緩地將混合好的矽橡膠倒入容器盒中。先瞄準盒子底部為主,接下來矽膠會逐漸上升到3D列印主模的輪廓。覆蓋主模至少1公分以上。固化的過程,根據不同的矽膠種類,大概需要一個小時到一天來完成。

 

7. 將矽膠脫模:當固化完成後,將矽膠從容器中取出並將3D列印的母模取下。這個像製冰盒的模具就可以用來灌注最終成品。

8. 翻製您的物件:再次提醒,可以先用脫模劑輕輕噴灑在矽膠模具上,並等待10分鐘讓它乾。接著將成品的材料(蠟、混凝土或其他)倒入空腔使其固化即可。

9. 為下一次翻模鑄造做準備:這個矽膠模具可以使用許多次。回到第八步驟並重複接下來的流程。

 

最佳做法

  1. 樹脂選擇:像灰色樹脂這樣的一般樹脂可以印出非常精緻的細節。矽膠則可以捕捉到包含層紋等細緻的紋路。50微米的層厚度提供了細緻平滑表面與列印速度之間的平衡,25微米的層厚度則更適合需要高度美觀的應用。
  2. 脫模:這在兩個階段中都是非常重要的,像是製作矽膠模具、灌注最終成品時。Smooth-On品牌的通用型脫模劑適用於大多數的應用。
  3. 脫模角度:Matt為磁磚物件的垂直面特徵用了大約兩度的脫模角度。矽膠翻模成型法還算滿寬容的,90度以及輕微倒凹也都可以應用。若您計劃要多次使用這個模具,可以試著減低在取出成品時對母模造成的彎曲與拉伸,或者尋找擁有較高撕裂強度的矽橡膠。

方法三:矽膠包覆成型法(二次注塑成型)製作客製化Beta樣品

介紹:

公司:Dame Products

Dame Product是一家位於布魯克林的公司,專為健康照護產業設計產品。他們的產品線融合了複雜的人體工學造型,並包覆上不刺激皮膚的亮色矽膠層,團隊在生產過程採用了矽膠的包覆成型法來封裝內部機構,並為客戶做beta階段打樣。

Dame Product工程師透過輪流使用三或四台SLA 列印機製作模具,一天就可以製作數十個矽膠包覆成型的設備。當其中一個樣品的矽橡膠還在固化時,則可以將另一個做脫模,並為下一次裝填做準備。完成與清理脫模後的樣品可以同時進行。

當樣件返回公司時,beta設備的矽膠薄層將被去除,而內部機構會被再次用在新的beta階段樣品。

建議的材料與設備:

  • Formlabs透明樹脂
  • Formlabs鏟刀與單斜刀(Formlabs工具組中有提供)
  • 兩劑式的醫療級RTV液態矽膠:建議蕭氏硬度大約在20-40左右
  • 注射器
  • 環氧樹脂匣
  • 環氧樹脂槍
  • 混合噴嘴
  • 攪拌棒
  • C型夾鉗
  • 要封裝的硬體

選配的材料與設備

  • 矽膠染料
  • 震動設備
  • 凡士林
  • 布膠帶

逐步教學

1. 使用Formlabs透明樹脂:建議使用50微米的層厚度。將物件適當擺放,讓重要的內部表面免除支撐材的痕跡。

2. 清洗與固化模具,並移除支撐材:將物件以IPA做徹底地清洗直到表面不再沾黏。透明樹脂的部分我們建議用60度去固化15分鐘。這有助於將物件表面拋光至高度透明的表面。

3. 至少提前一小時準備矽膠:分別用A與B劑去填充環氧樹脂匣,使用各別的注射器去填充液體。直立擺放至少一小時到一天的時間讓矽膠排出空氣。另外,也可以在A或B側的樹脂匣加入染劑並充分融合。

 

4. 使用脫模劑(選擇性):用小刷子在模具內部塗抹薄薄一層凡士林。這個矽膠包覆成型技術沒有脫模劑也是容許的。

 

5. 定向內部物件:將模具上的對齊銷釘有助於物件的定位。

6. 將模具合上,並用手將其壓緊:透過模具的外部來檢查硬件的擺放位置與對其方式。若硬件看起來似乎沒有對其,可以重複第五與第六步驟。

7. 壓緊模具:先從軸心方向或垂直於分模線的方向開始壓緊。可以再次檢查對齊的方向,因為壓緊的過程中內部的物件可能會偏移。作為一個選擇性的步驟,Dame Product團隊發現到,在壓制前將邊緣用布膠帶封起來有助於減少在RTV模具製作過程的材料溢出或毛邊的狀況。

 

8. 組裝環氧槍:將樹脂匣插入噴槍中並擰緊混合噴嘴。這個步驟從噴嘴擠出少量液體確保混合適當。

 

9. 將矽膠注入模具:將混合噴嘴的前端置入模具的開口,輕輕擠壓板機。觀察矽膠流入模具中,並持續灌注,直到模具被充滿且矽膠從氣孔中跑出。若在你停下來後矽膠仍持續進入模具中,這可能是因為氣泡仍持續沈澱或者材料從分模線中滲出。在第一次填充後再添加幾次。填充完成後,將震動裝置(如手持式電動研磨機)置於模具表面,有助於排除氣泡。

10. 等待十分鐘:Dame Product所使用的矽膠大概需要10分鐘來完整固化並形成橡膠外殼。可以參照矽膠材料的說明來取得建議固化時間。固化時間是個修整物件的好時機。

 

11. 將樣品脫模:切除模具外圍所有多餘的矽膠,接著用Formlabs所附的刮刀或一字螺絲起子將分模線撬開。矽膠在模具通風孔形成的牽絲也要注意。花點時間來分別修整它們,好讓他們不要殘留在模具中並拉動矽膠脫離物件。修整毛邊也會對完整取出物件有幫助。

12. 修剪、完成還有清潔物件:一般來說,總是會有毛邊需要用Formlabs的單斜刀或刀片來修整。如果有任何因為氣泡而造成的空隙,您可以再補上一些液態矽膠並使其固化。在由Beta測試人員處理之前,樣品應該使用符合工業準則的清洗方式清洗。

 

13. 為下一次的鑄造準備模具:母模可以重複使用數次,不過您可能會需要使用尖銳的物像是迴紋針或者鑽頭之類的來清理通風孔。接著就可以從步驟四再次開始。

 

最佳做法:

  1. 樹脂選擇:透明樹脂的視覺陣列呈現很適合模具的填充以及內部的硬體校準。五們建議用50微米的層厚度來在表面平滑度與列印速度之間取得平衡。您可將您的做適當的擺放,好讓模具內部沒有支撐材。
  2. 準備模具:若內部有殘留的樹脂,可能會干擾矽膠樹脂的翻鑄效果。請用IPA徹底地清洗模具以確保第一批鑄件順利完成。雖然大致上整個流程是不需要用到脫模劑的,不過添加少許的凡士林可以協助整個脫模的流程。提醒您,如果脫膜劑使用得過厚,這可能會影響到翻鑄的效果以及其表面的細緻度。
  3. 準備矽膠:以這個應用來說,會需要用到環氧槍將矽樹脂注入模具中,A部分與B部分會在噴嘴中混合。要填充實,通常會垂直地置放空的環氧樹脂匣(Dame團隊3D列印了一個支架),接著用注射器來轉換A跟B矽膠,從較大的容器中轉移到環氧樹脂匣中。至於矽膠的脫氧,Dame團隊將它轉移到環氧樹脂匣中並靜置一天,而不是直接將其在真空室中主動脫氧。如果您有在A或B矽膠中增添有機矽膠染料,即可取得已上色的矽橡膠。
  4. 定位銷:模具的示意圖中顯示的小型突起處是用來定位的定位銷,可用來定位與限制物件,並設定矽膠層的厚度。Dame Product的工程師使用的是2mm的定位銷。試著讓所有的定位銷都指向圖畫的方向或者垂直於模具的主要面。銷角偏離這個這個位置越遠,越可能折斷且可能會讓模具難以打開。當要決定矽膠的厚度時,試著將1.5mm設為最小值。將厚度最小值設為2mm通常會比較可靠,而1mm則可以被使用在外層小面積上。請注意,這些定位銷通常表面會有一些小的孔洞。若需要時,可以塗上小量的液態矽樹脂並固化
  5. 通風孔:將矽膠填入到密閉空間時,空氣會被排出,因此通風孔會以細窄的通道形式結合進模具中。通常一般會將通風孔設在模具最後填充的地方。不過Dame團隊分享了他們覺得更好的作法。當設計模具時,可以思考看看空氣可能會滯留的地方,並將通風孔連結到這些點。即使已經施加壓力,氣泡還是有可能會在急彎處、角落以及兩個氣流前端連接時形成。氣泡可能會造成翻模後成品的孔洞。可以將通風的管道設計在模具分型線,或者結合在模具中(可參考上方的圖片)。避免將排氣孔設計成貫穿兩個或多個模具。如果所需的通風孔道較長,底部的孔徑可以較小(相較於翻鑄件),出口時再將孔徑放大。有關迭代您3D列印模型的注意事項:若您總是在同一個地方產生氣泡,試著在模具此處加上通風孔。
  6. 模具填充:Dame Product使用了環氧槍與樹脂匣並設計合適的模具入口,還搭配混合噴嘴。對於複雜的形狀,填充的方向非常重要。您可以嘗試從物件最高的部分開始填充,並考慮所形成的氣流走向。在所示的例子中—Dame的Eva II—我們所需處理的是結構分支的幾何問題。最合適的填充方式是從物件主體最高的部分開始,而最窄小的分支結構則最後填充。等到矽膠從所有通風孔跑出來後才結束填充。如果有某些區域填充的速度過快,您可以先用手指將其塞住,直到剩下的部分也被填充為止。
  7. 修整、完成與清潔:脫模時需要特別注意的地方是卡在通風孔的矽膠。小心不要猛力將模具拉開,因為通風孔的連接處是橡膠表面可能會被撕裂的地方。通常您可以在物件處於半脫模的狀態時,用鋒利的刀片去修整毛邊。

 

準備生產

Dame Product團隊有特別強調3D列印的打樣模具與產品實際生產的模具之間的差別。首先,實際應用的模具是用機械加工的金屬製成。第二,定位銷通常是位於模具分型線內部的平面上,且是設計用來縮回與退出模具的,因此包覆成型的列印層才不會有凹陷與坑洞。

結論

像樹脂翻鑄這樣混合的技術正在擴展3D列印容易取得的材料與設備。像是此篇文章所提到的方法都是可以直接使用的,也可以擷用部分來做客製化的應用。

這些方法的多元運用描述如下:

  1. 若您要您要複各面的結構與表面細節,您可以用「冰盤」方法,來製作一個兩邊的矽膠模具。我們的「為珠寶製作RTV模具白皮書」中就有提到這項技術。
  2. 如果您要打樣一個握把或手柄,可以將部分的包覆成型設計到單一的物件上。因物件並不是完整封裝的,您可能需要在目標的幾何上加上一些特徵,進一步將矽膠固定在正確的位置。可用液態的矽膠或者矽膠土來達到這個動作。
  3. 如果要做比較小、精緻的細節,可以使用熔模脫蠟鑄造法。

    若想了解更多關於3D列印的資訊,歡迎聯繫台灣天馬02-25377638。
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