Lei Feng Fab Academy 2025

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模具制作与铸造 (Molding and Casting) ​

课程概要 ​

本课程介绍模具制作与铸造技术，这是数字制造领域一种功能强大但常被低估的能力。课程涵盖多种模具制作与铸造方法，包括软模具制作、弹性材料与刚性材料铸造、表面处理技术等。学习内容包括各类模具与铸造材料的特性、安全使用方法、混合与倒模技巧、防止气泡形成的策略以及脱模方法。本周作业要求学生设计与制作一个具有光滑表面的模具，并用它来铸造最终产品。

详细的课程内容介绍 ​

1. 模具制作与铸造概述 ​

1.1 技术简介与应用范围 ​

模具制作与铸造是数字制造领域中一项极其强大但常被低估的技术。与激光切割等技术相比，这项技术在业余爱好者中较为陌生，但具有极强的表现力和广泛的应用前景。

1.2 示例展示 ​

课程展示了多个模具制作与铸造的成功案例：

  • Adrian的火车模型：使用不同材料（塑料、蜡烛蜡、混凝土、巧克力）铸造的火车
  • 平衡自行车轮胎制作
  • Amsterdam的Hank学生制作的Tempe模具
  • 桌上足球项目：使用刚性模具制作弹性体模具，再用弹性体模具铸造人物

2. 常见的模具与铸造方法 ​

2.1 注塑成型(Injection Molding) ​

  • 原理：加热塑料颗粒并将其注入模具
  • 关键术语：
    • 螺杆(Screw)：材料进入模具的地方
    • 流道(Runner)：材料到达模腔的通道
    • 浇口(Gate)：熔融材料进入的入口
    • 模腔(Cavity)：形成零件形状的空间
    • 排气孔(Vent)：空气排出的通道
    • 分型线(Parting Line)：模具面之间的边界
    • 飞边(Flashing)：模具部件间被困材料

2.2 嵌入/包覆成型(Insert/Overmolding) ​

  • 原理：将物体放入模具中，然后在其周围铸造材料
  • 应用：为电子产品制作完全贴合的外壳

2.3 真空成型(Vacuum Forming) ​

  • 原理：加热软化片材，通过真空吸附使其变形
  • 应用：产品包装、面具、头盔等
  • 局限性：仅限于片材变形，特征有限

2.4 吹塑成型(Blow Molding) ​

  • 用途：制作瓶子等中空制品
  • 原理：将聚合物吹入模具中

2.5 旋转成型(Rotomolding) ​

  • 原理：在模具中放入材料，然后在所有轴上翻转模具
  • 特点：材料被推到模具表面，而不是形成实心物体

2.6 真空/压力辅助成型 ​

  • 使用压力将材料强制注入模具
  • 使用真空将空气从模具中抽出

2.7 压铸(Die Casting) ​

  • 使用熔融金属进行铸造

2.8 失蜡铸造(Investment Casting) ​

  • 融化蜡质模型，然后铸造

2.9 软工具模具制作(Flexible/Soft Tooling Molding) ​

  • 本课程重点：使用弹性模具进行短期生产
  • 案例：机床控制器、猫形模具制作巧克力猫

3. 模具制作材料与工具 ​

3.1 主要供应商 ​

  • Smooth-On：各种模具制作与铸造材料
  • Dick Blick：艺术用模具材料
  • West Marine：船舶建造材料
  • USG：石膏基材料
  • A-Remco：高温模具材料（用于陶瓷）
  • Protolabs：灵活的代工厂（提供注塑成型服务）

3.2 常用材料 ​

3.2.1 低温蜡 ​
  • 特点：略高于室温融化
  • 用途：获取印象，修复模具问题
3.2.2 可加工蜡(Machinable Wax) ​
  • 特点：可以机加工达到高分辨率，获得精美的表面
  • 优点：使用后可以重新熔化再利用
3.2.3 硬质泡沫 ​
  • 用途：制作大型模具（如建筑装饰）
  • 注意：需要处理表面防止模具材料渗入
3.2.4 海藻酸盐(Alginate) ​
  • 特点：藻类基生物材料，形成湿润的凝胶模具
  • 主要优势：生物安全，可用于人体部位（如面部、手部）模具
  • 局限：不能重复使用，但可制作一次性铸件
3.2.5 聚氨酯(Urethane) ​
  • 形式：聚氨酯橡胶和聚氨酯塑料
  • 特点：深层固化，高分辨率表面，强度好，尺寸公差好
  • 用途：制作坚韧的橡胶零件和模具
  • 注意：需要良好通风
3.2.6 硅胶(Silicone) ​
  • 品牌推荐：Oomoo
  • 特点：几乎不粘任何物质，非常惰性，不需要特殊通风
  • 与聚氨酯比较：不如聚氨酯坚韧，但更容易使用
  • 应用：制作软材料和模具
3.2.7 高温硅胶 ​
  • 用途：金属铸造（如自定义硬币）
3.2.8 PDMS ​
  • 用途：纳米压印光刻，制作纳米结构模具
3.2.9 乳胶(Latex) ​
  • 建议：一般情况下避免使用
  • 局限：只能在表面干燥，过厚会保持黏性
  • 适用场景：从建筑物上的雕刻等获取印模
3.2.10 石膏基材料 ​
  • 干石(Drystone)：极其便宜（约1美元/磅），环保，易用，表面光滑
  • 水石(Hydrostone)：类似干石，添加了其他材料，强度更好
3.2.11 金属铸造材料 ​
  • Cerro True：低温合金（铋、锡、锑），无害材料
  • 熔点：138°C，可在烤箱级温度下熔化
  • 应用：制作自定义硬币、珠宝
3.2.12 陶瓷材料 ​
  • 供应商：A-Remco
  • 特点：高温材料，可制作陶瓷零件

3.3 食品安全考虑 ​

  • 原则：整个过程的所有步骤都必须食品安全
  • 推荐材料：Smooth-On专门的食品安全材料
  • 应用：制作自定义棒棒糖、巧克力等

3.4 添加剂 ​

  • 纤维：增强材料的拉伸强度
  • 空心玻璃球：使材料更轻
  • 镍或碳颗粒：使材料具有导电性
  • 橡胶颗粒：增加柔韧性
  • 颜料：改变颜色

4. 模具制作与铸造工艺流程 ​

4.1 工作环境准备 ​

  • 需要混乱的工作空间
  • 建议：大桌子，铺纸覆盖，用完后扔掉
  • 注意：保持容器清洁，防止材料固化在盖子上

4.2 材料测试 ​

  • 建议：在制作正式模具前进行小测试
  • 原因：检查材料状态和设置是否正常
  • 方法：使用小混合杯，混合少量材料，观察是否正常固化

4.3 材料混合技术 ​

4.3.1 基本步骤 ​
  • 在容器内搅拌确保材料内部没有分离
  • 按体积或重量倒出材料（取决于具体材料）
  • 清洁容器边缘
  • 彻底混合直到颜色均匀（无条纹）
4.3.2 关键技巧 ​
  • 水平剪切混合而非垂直搅拌（防止空气进入）
  • 沿边缘收集被困材料
  • 混合时间比预期长（完全混合需要几分钟）

4.4 倒模技术 ​

4.4.1 倒模步骤 ​
  • 小心倒入（不要倾倒，防止空气进入）
  • 使用细流倒入（细流可以让气泡在途中破裂）
  • 让材料缓慢扩散穿过模具
4.4.2 固化过程 ​
  • 有些材料在室温下固化，有些需要升高温度
  • 温度影响脱模时间（如使用白炽灯或低温烤箱可加速）
  • 固化时间指示：约30分钟后变热，约1小时后温度回落表示准备好脱模

4.5 防止气泡的策略 ​

  • 水平剪切混合而非搅拌
  • 使用细流倒入
  • 轻轻振动模具帮助气泡上升
  • 手工涂抹薄层树脂到模具表面复杂特征处
  • 使用真空室抽出模具中的空气
  • 使用压力室将树脂强制进入模具
  • 耐心等待，让气泡有时间上浮

4.6 脱模技术 ​

  • 弹性模具优势：可以弯曲取出有悬垂结构的部件
  • 脱模角(Draft Angle)：斜面设计使部件更容易取出
  • 脱模剂：模具释放剂、稀释洗碗液、烹饪喷雾、凡士林、滑石粉

5. 安全注意事项 ​

5.1 材料安全 ​

  • 每种材料都有安全数据表(SDS)
  • 阅读安全数据表了解危害等级和正确使用方法
  • 不同材料危险等级：
    • 硅胶(Oomoo)：办公室友好
    • 聚氨酯：需要通风（类似油漆）
    • 其他材料：可能需要化学通风橱和个人防护设备

5.2 通风要求 ​

  • 硅胶：一般不需要特殊通风
  • 聚氨酯：需要通风良好的房间或户外使用
  • 高危材料：需要化学通风橱

5.3 个人防护 ​

  • 即使是非危险材料也会弄脏衣物
  • 建议：穿戴围裙、手套、护目镜
  • 避免材料接触眼睛、口腔

5.4 废物处理 ​

  • 不要直接倒掉树脂
  • 最佳处理方法：混合剩余材料，让其固化后再处理
  • 固化形式更惰性，对环境影响更小

6. 模具制作方法 ​

6.1 3D打印模具 ​

  • 适用打印机：立体光刻(SLA)树脂打印机
  • 优势：可获得精美表面
  • 注意点：可能需要脱模剂防止硅胶粘附到树脂上

6.2 机械加工模具 ​

  • 材料：可加工蜡
  • 优势：
    • 可获得高表面质量（取决于加工时间和精度）
    • 适合高体积生产
    • 可以重复使用材料
6.2.1 加工技术 ​
  • 粗加工：水平切削，快速切削速度
  • 精加工：使用更小的步进值获得更好的表面
  • 多方向精加工：在两个方向上进行精加工以获得更平滑的表面
6.2.2 工具选择 ​
  • 平底铣刀：平底，适合粗加工和平面
  • 球头铣刀：圆底，适合曲面
  • 工具长度考虑：
    • 短刀柄：不能深入
    • 长窄刀：可进入深口袋，但易断裂，需慢速加工
6.2.3 碰撞避免 ​
  • 考虑刀具完整形状（切削刃、刀柄、夹头、Z轴）
  • 检查刀具与模具形状，防止碰撞
  • 使用脱模角帮助避免碰撞

6.3 软件选择 ​

  • ShopBot工具：VCarve Pro
  • Fusion 360：集成CAM功能
  • SolidWorks：具有塑料模拟
  • FreeCAD：有工具路径功能
  • MODs：可读取STL文件创建工具路径

7. 本周项目流程 ​

7.1 基本流程 ​

  • 设计模具（注意正负关系）
  • 制作刚性模具（通过3D打印或机械加工）
  • 在刚性模具中铸造弹性体
  • 在弹性体模具中铸造最终产品

7.2 设计考虑 ​

  • 不要过于贪心（不要太大，或特征尺寸变化太大）
  • 考虑制作方法限制（打印分辨率或加工步进）
  • 尽早开始模具制作（制作时间通常是瓶颈）

7.3 进阶选项 ​

  • 多部分模具：通过嵌套模具部件创建复杂几何形状
  • 嵌入成型：将电子元件嵌入材料中
  • 金属铸造：制作自定义硬币或珠宝
  • 食品安全应用：制作食品模具（确保全过程食品安全）

作业要求 ​

个人作业 ​

  1. 设计并制作一个具有光滑表面的模具
    • 可以选择3D打印或机械加工方法
    • 表面必须平滑（机械加工需要细步进，3D打印需要高分辨率）
    • FDM打印机需要后处理才能达到要求
  2. 使用模具铸造最终产品
    • 从刚性模具到弹性体模具，再到最终产品
    • 材料推荐：Oomoo硅胶、Hydrostone、Drystone
  3. 记录整个过程
    • 设计思路
    • 制作过程
    • 成品展示与评估

小组作业 ​

  1. 测试实验室中的模具与铸造材料
    • 查看每种材料的安全数据表
    • 进行小型测试铸造
    • 记录材料性能和使用体验
  2. 确保实验室展示不同的技术和材料
    • 3D打印和机械加工的模具对比
    • 各种铸造材料的应用（包括Serro True金属铸造）
    • 食品安全材料应用（如适用）

学习资源 ​

  1. 材料供应商
  2. 技术指南
  3. 材料安全信息
  4. 工具与加工资源
  5. DIY材料配方

本课程结合理论知识与实践技能，通过亲手设计和制作模具，学生将掌握模具制作与铸造的基本技术，为将来的创新项目打下基础。