浙江大学3D创客中心 Make It Possible

用3D打印制作硅胶肥皂模具

by 工程训练(乙) 第五组 韩婷 干雨霏

饼干、肥皂的模具制作,不同于传统工业的模具制作,由于产品较脆、软、易被破坏,所以使用硅胶,方便脱模。若直接用3D打印技术打印出最后的模具,则不方便脱模。所以把这两项技术结合在一起,较为有效地满足了用于食品和制作肥皂的模具要求。

特点:打印的模型曲面较多,比较柔和。(如有的模型的尖角比较多在制作硅胶模具时效果就会不好)

设备:up系列打印机、小的打磨枪、家用吸尘器(用来抽真空,把硅胶中的气体吸到表面上,容易消除气泡,提高硅胶模具的质量)。在制作硅胶的容器时,利用硬纸板制作还用到了热熔枪。

设计目标:一块具有向日葵浮雕的椭圆形香皂硅胶模

实施方案:
   第一步:3D模型绘制:分几个部分制作向日葵浮雕——向日葵花心、向日葵叶片(样条曲线绘制)(双层)、向日葵叶片的褶皱 、圆角。另外还有皂体的制作、刻字等。

第二步:3D模型打印:包括模型修改及重打、辅助模型(如制模时的外壳和底座)的打印。

第三步:制作浇铸用的外模具:由于模具主体体积较大,因此临时用硬纸板和热熔胶棒做了一个较大的腔。

第四步:浇铸硅胶:把适量的固化剂加入硅胶中,搅拌,将充分搅拌的硅胶倒入模型和外壳中(开始时要先在表面涂一层硅胶),等待硅胶凝固。

 

第五步:脱模:将外模具打开,取出硅胶和向日葵模具,并浇铸皂基,制成肥皂。

可以看看制作视频:点击看视频

 

遇到的问题和经验:

1、3D打印的翘边问题

在第一次打印向日葵浮雕时,开始了3/4分钟,就发现有一边的支撑翘起来了。原因是在加第一层支撑时,有一段打印材料“焦掉”了,且厚度与正常出丝不同,所以没过多久就翘边了。所以我觉得产生翘边的第(1)个可能原因是倾斜了,可能是由于出丝出现问题也可能是平台本身发生了倾斜,所以在进行打印之前要先检查平台是否水平。当时我的解决方案是立即停止打印,以免造成浪费,将刚刚打印的模型铲掉,重新开始。第二次即成功。这是针对偶发情况所作出的解决方案,但是如果真的是由于平台发生倾斜(这时发生翘边的地方一般是同一个地方),一定要及时调整平台水平,否则将会一次又一次失败。

第(2)个原因可能是平台表面预热不均或温差较大,与打印机的质量有关,一般的方案是停止打印重新开始。我观察到其他同学在一次打印3个物体时,处于边缘的那一个零件发生了翘边现象,可能就是因为平台边缘的温度较低,但是中心温度较高。

第(3)个原因:一般使用ABS材料打印大型物件容易翘边,建议大家尽量选择PLA材料。

另外,还可以通过减速打印头移动和加速吐丝速度来控制垫子各条带变得更粗,增加其与低板的接触面。

2、在刚开始使用新料盘的时候,由于料盘质量较大,转动需要的例句比较大要稍微辅助转动料盘,刚开始打印的时候,就出现了由于送料困难导致出丝焦掉了,直接影响了整个模型的制作。解决方案是在刚使用新料盘时要稍微辅助料盘的转动,也要注意没有出现料丝脱出转盘的情况。

3、由于模型内部都是中空的,模型整体密度比较小,所以很容易在制作硅胶模具的时候浮起来。解决方案,可以将模具与容器底粘起来,这样就不会发生模具浮起来甚至模具表面浮出硅胶表面的情况。

4、一开始做了一个立体爱心形状的模型,在硅胶凝固以后发现第一模型浮起来了,第二就算没有浮起来也很难脱模,因为中心大,两边小,除非像制作型砂一样分型,否则就只能抛弃一边,只用一半立体的爱心。由于模型比较小,分型很麻烦,所以只能制作一半的曲面爱心。

5、在画图的时候在向日葵叶片上画了一些小的褶皱,也在皂底写了2个英文字母,在solidworks界面上,这些褶皱还有字母都是大小比例相对于整个模型来说是合理的,且清晰可见。但是在最后打印的时候,发现一些孔很模糊,甚至都没有痕迹了。也就是说3D打印时一些小孔会发生缩小(横向和纵向)的情况。于是我在修改时,把孔改大了,改深了,虽然在solidworks界面显得那些孔很大很突兀,但是最后打印出来的效果是比较符合我想要的效果的。由于肥皂模具的制造对配合要求和进度要求都很低,主要还是对美观的要求,所以我们也不需要像打印实际零件的同学一样还要不停的打磨,以实现比较好的配合、装配。个人认为出现这个现象的可能原因主要有三个。(1)精度不高,有时候出丝的宽度可能就和孔的宽度差不多了,所以很难做到留出精确的孔的宽度。(2)由于打印材料是ABS胶,在加热时处于可变形的状态,在冷却时才渐渐硬化,在ABS胶刚刚脱离喷头到真正冷却的这一段时间,还是处于可变形、可“流动”的状态,(这就是为什么要加支撑的一个原因)所以可能就流到那个预留的孔中了。(3)材料从260多度的融化状态到室温的固化状态,由于状态发生了变化,原子、分子排列发生了变化、体积也有可能发生变化。就像水由液态变为固态时,体积也会发生变化。可能ABS胶固化体积会发生膨胀,导致孔也被波及了。

6、在第一次设计向日葵浮雕时,花心厚度设置为15mm(画图时,实际打印时为一半),底层叶片厚度为5mm,上层叶片高度为5mm,厚度为5mm,即为悬空的。最后打印出来,发现花心中间一层是空心的,即第二层叶片与整个模型的接触点只有它与第一层叶片重合的一点点面积,而在去除它下面的支撑时,就把花心的上层给掰出来了,也掰断了几片叶片。解决方案:考虑了一下,如果把第二层叶片不设置为悬空的,即高度为0mm,厚度为10mm,也能出现双层的效果,且效果影响不会特别大,这样也不会再设置一次支撑,强度问题也得到解决了。但是为了以防万一,把整体的长高比减少了一半,即厚度增加了(最然最后出效果的时候觉得浮雕的厚度还是大了一点,影响了美观度)。

7、第一次做模具、做肥皂后,发现,把表面的那些凹凸不平,粗糙都保留了下来。特别是底面由于和支撑直接接触,所以表明不太平整。解决方法:可以用打磨枪稍微打磨一下3D模型,这样制作出来的肥皂就会光滑很多。

在第一次打印向日葵浮雕时,开始了3/4分钟,就发现有一边的支撑翘起来了。原因是在加第一层支撑时,有一段打印材料“焦掉”了,且厚度与正常出丝不同,所以没过多久就翘边了。所以我觉得产生翘边的第(1)个可能原因是倾斜了,可能是由于出丝出现问题也可能是平台本身发生了倾斜,所以在进行打印之前要先检查平台是否水平。当时我的解决方案是立即停止打印,以免造成浪费,将刚刚打印的模型铲掉,重新开始。第二次即成功。这是针对偶发情况所作出的解决方案,但是如果真的是由于平台发生倾斜(这时发生翘边的地方一般是同一个地方),一定要及时调整平台水平,否则将会一次又一次失败。

第(2)个原因可能是平台表面预热不均或温差较大,与打印机的质量有关,一般的方案是停止打印重新开始。我观察到其他同学在一次打印3个物体时,处于边缘的那一个零件发生了翘边现象,可能就是因为平台边缘的温度较低,但是中心温度较高。

第(3)个原因:一般使用ABS材料打印大型物件容易翘边,建议大家尽量选择PLA材料。

另外,还可以通过减速打印头移动和加速吐丝速度来控制垫子各条带变得更粗,增加其与低板的接触面。

8、当整个模具的外延部分太大、或者太厚时,发现会比较难脱模,因为很难使模具变形,所以可能把底面削掉一点,这样用得上力一点。

9、如果直接制作一块向日葵形状的香皂,可能比较硌手,所有我打算加一个皂底,浮雕只是作为一个装饰的作用。如果先做一块向日葵的浮雕再在下面用胶水粘贴一个皂底第一时间较长,第二大小不太好控制,所以我在绘图时,直接同时绘制了一块完整的肥皂形状的模型。在制作容器时,由于我的肥皂比较大,直接用3D打印出容器壁和底需要较长的时间和较多的材料,所以在老师的建议下,我直接用纸盒子做了一个容器。

10、我的纸盒容器由于粘合面比较多,所以一开始发现硅胶有点露出来了,所以我又用胶枪强化了一下粘合面,又用透明胶带绑住,保证硅胶不会漏出。前面一个小组的硅胶过了两天才稍微凝固了一下,而他们的硅胶是漏的,我觉得可能原因是它们的硅胶在重力的作用下,不断流出,整个硅胶液体处于流动的状态,虽然流动速度非常慢,但是由于凝固的速度也非常慢,所以对凝固造成影响,所以过了3天才差不多完成了凝固。

11、我们发现一次同时打印多个零件,比分开来打来得省时,因为不用重新设置喷头高度,喷头也不需要重新加热。但是喷头每加一层要行走的面积要比单个打的面积相乘要多(因为零件之间摆放有空隙),这就提示我们不要把零件摆放得太开,但也不能太近,到时候难以分离。

12、前面的实习同学制作了一些模具,我们发现,一些尖角的地方制作效果不是很好。所以我在设计的时候,尽量避免尖角(尤其是小角度的),且每一个垂直面之间都加了圆角。

13、在做试验模具时,发现固化剂可能加太多了,造成硅胶模具的气泡过多。

 

心得体会


   我们做的是肥皂模具,和同小组的其他同学相比要求要低了很多,比如他们要考虑配合的问题,还有运动副的要求等等,但是我们基本没有这一类的要求。我们也主要是自己创造,不像他们要对原零件进行测量,“逆向”出模型。所以我们有很多时间思考一些别的问题,也比较迅速得学习了整个流程。    这次也没有用到扫描,希望以后有机会还能做更多的要求更高的”逆向工程”。
   前两年3D打印就开始流行。觉得非常神奇,也没有想到3D打印其实并不像普通的平面打印那样简单,有很多要考虑的东西,当然,有一部分原因是3D打印技术刚刚开始发展,还没有成熟到平面打印的那个程度,在以后的日子里,3D打印技术一定会发展得更加成熟,也会走下象牙塔,渐渐融入更多人的生活。我也很想自己制作一台3D打印机,了解更多它的内部结构,认识它的不足,思考改进方案。
   其实3D打印我觉得分为两种用途。一种就是我们这一些制造肥皂的同学所做的,用于设计。很多东西不做成实体,不触摸一下,感受一下,单单从本身就是平面的电脑平面来观察,是很难有实际的感受的。而3D打印就提供了这样一个快速的途径,让我们把脑子里的东西迅速得变成实体(模型),当我们脑子里有这样的一个世纪概念以后,才能进行相应的修改和完善。而以前这些步骤可能需要通过更麻烦的方法、精度更低的方法来完成。第二种就是其他乙组的同学所做的:逆向工程。虽然涉及到知识产权的问题,但是想想看:可能我们花几天的时间,就把一样商店里买来的东西给“复制”出来,那样东西可能相当复杂,可能凭我们现有的只是很难自己设计出来,那是多么的酷啊!这也可以激发我们的探究兴趣。
   这两天的加强学习,也让我认识到,自己的知识非常有限。逆向工程是一个需要一个很完整的知识体系才能做得好的工种。这次我们做的肥皂模具,高度上都是平面构成的,因为不会用solidworks画空间曲面,造成我们能设计的东西相当有限。另外我们只是单纯的打印,对3D打印机的结构也没有进行深入的了解。这次实习,我发现自己对逆向工程和3D打印很感兴趣,以后会自己创造机会,去深入了解和参与到它们之中!

 

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