廖運炫臺灣大學：機械工程學研究所王中旻Wang, Chung-MinChung-MinWang2007-11-282018-06-282007-11-282018-06-282005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/61120電鑄快速模具技術與其他快速模具技術相較有表面精度佳、模仁壽命長、可製作微細特徵等優點，其模仁之機械性質最接近傳統鋼模，是相當具有潛力的快速模具技術，然而電鑄快速模具技術因受到電鑄之物理限制，在製作具有高深寬比特徵之模仁時，其製作時間相當冗長，甚至無法製作，失去快速模具“快速”與“成本”之優勢。 因此本研究提出一種複合式電鑄模具之技術，將模仁結構拆解為NC加工部分與電鑄製作部份，模仁中不易電鑄製作之部分利用NC加工之方式做出其特徵後，置入已做導體化之電鑄母模孔穴中進行電鑄，在電鑄的過程中NC工件會逐漸與電鑄部分結合，形成高深寬比之模仁結構，此種製程結合NC與電鑄的優點，相較以往單純使用電鑄製造快速模具，大幅度降低了開模的時間與成本，且獲得優異的產品精度。 研究的結果證實，利用複合式電鑄模具技術可提供電鑄製模技術更大的應用彈性，增加其商業應用價值。Rapid Tooling (RT) by using various back-up filler materials to reinforce the electroformed metallic thin shell resulted from rapid prototype has been proved feasible. However, electroforming on the prototype consisting high aspect ratio features is time consuming. Besides, it usually leads to distortion of the electroformed part. In this thesis an approach by integrating the Numerical Control (NC) machining with electroforming for RT purpose of the part having high aspect ratio features is proposed. Portions of the part that are difficult to be electroformed such as concaves, slots, vertical side walls, etc. are determined in advance based on the analysis of the CAD model. They are manufactured by CNC machining on the same electroformed material. They are inserted into the electroless plating RP model, and are jointed with each other during the following rotary-cathode electroforming process. Various parts having high aspect ratio features are taken to verify the proposed approach. It is found that the molds of acceptable accuracy are obtained. The NC part is closely joint with the electroformed shell. Analysis of the operations involve in mold making shows that the proposed approach can greatly shorten the time required in manufacturing the mold.目 錄 0.2 中文摘要 I 英文摘要 II 目錄 III 圖目錄 VI 表目錄 X 第一章 緒論 1 1-1 研究動機 1 1-2 文獻回顧 2 1-3 研究動機與目的 10 1-4 本文內容 11 第二章 製程相關技術介紹 12 2-1 快速原型技術 12 2-1-1 快速成型加工原理 12 2-1-2 快速成型加工程序 13 2-2 Stereo Lithography Apparatus(SLA)製程 14 2-3 無電鍍技術簡介 15 2-3-1 無電鍍之原理 15 2-3-2 無電鍍與電鍍比較之優缺點 16 2-3-3 無電鍍銀與無電鍍鎳 17 2-4 電鍍與電鑄技術 18 2-4-1 電鍍與電鑄之定義 19 2-4-2 電鑄技術 24 2-4-3 傳統模具製造技術 28 第三章 複合式電鑄模具介紹 31 3-1 複合式電鑄模具製程步驟說明 31 3-2 複合式電鑄模具製程實例說明 33 3-2-1 汽車照後鏡製程應用 34 3-2-2 白板筆筆蓋製程應用 37 3-3 複合式電鑄模具製程技術特點 42 第四章 實驗方法與驗證 44 4-1 實驗設備 44 4-2 實驗規劃 46 4-2-1 實驗步驟 47 4-3 實驗驗證 50 4-3-1 電鑄母模製作 50 4-3-2 製作NC植入件 51 4-3-3 電鑄母模導體化處理 52 4-3-4 電鑄製程 59 4-4 實驗結果 70 第五章 實驗結果討論 71 5-1 實驗設計 71 5-2 三次元量床尺寸量測 73 5-3 電鑄層與NC件結合性之觀察分析 76 5-3-1 試片微觀組織觀察分析 77 5-4 複合式電鑄模具技術效益評估 81 第六章 結論與未來展望 83 6-1 結論 83 6-2 未來展望 84 參考文獻 85 附表一 88 圖 目 錄 圖1-1 Rapid Electroforming Tooling製程 2 圖1-2 引伸用電鑄模具設計流程 3 圖1-3 引伸用電鑄模仁製程 4 圖1-4 電鑄製作之放電加工電極 5 圖1-5 應用電鑄於微快速模具之研發流程圖 6 圖1-6 將ABS施以無電鍍鎳處理而變形 7 圖1-7 鋁金屬組件之斷面 9 圖1-8 組件之間隙放大圖 9 圖1-9 間隙與鑄層厚度之結合關係 9 圖1-10 汽車照後鏡電鑄母模 10 圖1-11 白板筆筆蓋電鑄母模 10 圖2-1 快速原型加工程序 13 圖2-2 SLA加工原理示意圖 14 圖2-3 SLA製程之流程圖 15 圖2-4 無電鍍後與無電鍍前 16 圖2-5 電鑄現象的模型示意圖 20 圖2-6 電鑄系統架構與陰、陽極作用示意圖 21 圖2-7 導體與非導體之電鑄流程示意圖 25 圖3-1 複合式電鑄模具開發流程 32 圖3-2 汽車照後鏡電鑄芯模 33 圖3-3 白板筆筆蓋電鑄母模 33 圖3-4 照後鏡之CAD model 34 圖3-5 內側具有高深寬比之定位穴 34 圖3-6 照後鏡模仁CAD model 34 圖3-7 RP電鑄母模 34 圖3-8 RP電鑄母模 35 圖3-9 NC加工件 35 圖3-10 電鑄母模導體化處理後置入NC加工件 35 圖3-11 組合件置入電鑄槽中進行電鑄 35 圖3-12 電鑄件自快速原型電鑄模取下 36 圖3-13 在電鑄件背部植入強化背材，並埋入冷卻水道 36 圖3-14 快速模具組成爆炸圖 36 圖3-15 市售之白板筆 37 圖3-16 白板筆蓋特徵 37 圖3-17 白板筆筆蓋之CAD model 38 圖3-18 內部具有高深寬比結構 38 圖3-19 筆蓋之電鑄母模 38 圖3-20 利用NC加工製作不易電鑄之部分 38 圖3-21 電鑄母模導體化處理後置入NC加工件 39 圖3-22 組合件置入電鑄槽中進行電鑄，產生電鑄薄殼 39 圖3-23 電鑄件自快速原型電鑄模取下 39 圖3-24 電鑄薄殼剖面圖 39 圖3-25 電鑄薄殼剖面 40 圖3-26 在電鑄件背部植入強化背材，並埋入共型冷卻水道 40 圖3-27 NC加工之筆蓋公模 40 圖3-28 快速模具組成爆炸圖 41 圖4-1 電鑄實驗設備 44 圖4-2 筆座CAD model 46 圖4-3 CAD model剖面 46 圖4-4 複合式電鑄快速模具開發流程 47 圖4-5 ABS電鑄母模 48 圖4-6 利用NC加工製作不易電鑄之部分 48 圖4-7 電鑄母模導體化處理後置入NC加工件 48 圖4-8 組合件置入電鑄槽中進行電鑄，產生電鑄薄殼 48 圖4-9 電鑄件自快速原型電鑄母模取下 49 圖4-10 電鑄模仁薄殼 49 圖4-11 電鑄模仁薄殼剖面 49 圖4-12 ABS電鑄模仁 50 圖4-13 NC加工之鎳金屬 51 圖4-14 化學鎳導體化流程 52 圖4-15 模型進行粗化處理 54 圖4-16 粗化前與粗化後 54 圖4-17 敏化處理 55 圖4-18 活化(1)處理 56 圖4-19 加熱化學鍍鎳液 57 圖4-20 化學鍍鎳處理 57 圖4-21 不完整的導體化鍍層 57 圖4-22 附著性不佳的導體化鍍層 57 圖4-23 硝酸移除不良鍍層(1) 58 圖4-24 硝酸移除不良鍍層(2) 58 圖4-25 優良的導體化鍍層 58 圖4-26 導體化前與導體化後 58 圖4-27 陰極夾具與電鑄母模 64 圖4-28 電鑄三小時後 65 圖4-29 電鑄經過18小時後 66 圖4-30 電鑄經過40小時後 66 圖4-31 (a)永久性原型件 (b)消耗性原型件 67 圖4-32 電鑄件脫模前 69 圖4-33 電鑄件與電鑄母模 69 圖4-34 鎳電鑄金屬薄殼 69 圖4-35 NC件與電鑄鎳薄殼形成之高深寬比結構 69 圖5-1 ABS電鑄母模 71 圖5-2 NC植入件 71 圖5-3 電鑄母模導體化後與置入NC件，並裝置夾具 72 圖5-4 進行電鑄製程 72 圖5-5 電鑄件與母模脫模 72 圖5-6 脫模後之電鑄件 72 圖5-7 T型電鑄件成品圖(1) 73 圖5-8 T型電鑄件成品圖(2) 73 圖5-9 MITUTOYO三次元量床 74 圖5-10 三次元量床量測 74 圖5-11 量測面示意圖 75 圖5-12 量測點資料分布 75 圖5-13 軟體建構量測面 75 圖5-14 結合介面觀察試片 76 圖5-15 結合介面觀察試片(研磨後) 76 圖5-16 數位工具顯微鏡 77 圖5-17 WEDM後表面 77 圖5-18 試片研磨後表面 77 圖5-19 接合線示意圖(黃色虛線) 77 圖5-20 垂直接合處(A) 78 圖5-21 垂直接合處(B) 78 圖5-22 垂直接合處(A) 78 圖5-23 接合界面(C) 78 圖5-24 掃描式電子顯微鏡(SEM) 79 圖5-25 SEM組織觀察(1) 79 圖5-26 SEM組織觀察(2) 79 表 目 錄 表2-1 電鑄液種類及所得電鑄品的機械性質 22 表4-1 電鑄設備規格表 45 表4-2 化學鎳導體化溶液組成 52 表4-3 氨基磺酸鎳電鑄液組成與操作條件 59 表5-1 垂直度量測結果 74 表5-2 複合式電鑄模具製作工時 82 表5-3 傳統模具技術製作工時 825241560 bytesapplication/pdfen-US電鑄快速模具快速原型無電鍍高深寬比ElectroformingRapid ToolingRapidPrototypeElectroless PlatingHigh Aspect Ratiothesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/61120/1/ntu-94-R92522726-1.pdf