Surface-RTM技術(shù)探析

魏秀賓

摘 要：Surface-RTM技術(shù)具有顯著效益的復(fù)合材料表面升級(jí)技術(shù)，通過(guò)對(duì)surface-RTM的技術(shù)介紹，技術(shù)優(yōu)勢(shì)、涂層材料與設(shè)備的支持狀況進(jìn)行分析，探析技術(shù)的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀，提出進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的建議。

關(guān)鍵字：Surface-RTM;Puroclear? 涂料;CFRP

中圖分類(lèi)號(hào)：TB332 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）06-138-03

Abstract： Surface-RTM technology has significant benefits for the surface upgrade of composites parts， Through the introduction of surface-RTM technology， The analysis of technical advantages， The support conditions of coating materials and equipment， The status of technology development is analyzed， The suggestions for further development are proposed.

Keywords： Surface-RTM; Puroclear?; Coating; CFRP

CLC NO.： TB332 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）06-138-03

1 引言

目前HP-RTM已成為量產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料（CFRP）汽車(chē)部件的主要工藝，CFRP表面涂裝耗費(fèi)的時(shí)間和費(fèi)用在制造成本中占居相當(dāng)大的比重，在經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境保護(hù)需求下，采用模內(nèi)涂裝技術(shù)，即部件脫模后直接作為外飾件，或無(wú)需處理即可噴涂面漆。這種技術(shù)在量產(chǎn)的汽車(chē)行業(yè)，非常具有成本競(jìng)爭(zhēng)力和市場(chǎng)前景。

德國(guó)Krauss Maffei，聯(lián)合多家公司合作開(kāi)發(fā)此項(xiàng)技術(shù)及配套設(shè)備，以無(wú)溶劑型聚氨酯（PU）為表面涂料，采用在HP-RTM閉合模具內(nèi)二次注射方式，使部件獲得無(wú)缺陷的高光澤A級(jí)表面，脫模后可直接使用或直接涂裝面漆。在德國(guó)杜塞爾多夫K展上現(xiàn)場(chǎng)演示了HP-RTM結(jié)合表面涂裝技術(shù)，即surface-RTM技術(shù)，取得了非常積極的反響。

2 Surface-RTM技術(shù)概述

Surface-RTM 是在木材模壓裝飾技術(shù)（CCM）和注射件涂裝技術(shù)（ColorForm）基礎(chǔ)上，結(jié)合CFRP 部件HP-RTM技術(shù)發(fā)展而來(lái)的。

工藝過(guò)程包含兩次液體材料注射，如圖1所示：

（1）纖維預(yù)制體（Preforming）放入HP-RTM模具中，閉合模具，將型腔抽成真空。設(shè)置間隙提升上模，在上模正面用第一套注射系統(tǒng)一次低壓注射自動(dòng)混合的樹(shù)脂，高壓閉模將樹(shù)脂壓入稀松預(yù)制體中，使碳纖維完全潤(rùn)濕。

（2）經(jīng)過(guò)短暫反應(yīng)樹(shù)脂固化。上模設(shè)置間隙提升，使部件下表面與下模表面形成真空空腔，從下模側(cè)面用第二套注射系統(tǒng)二次注射自動(dòng)混合的聚氨酯（PU）涂料。

（3）將上模下壓使PU材料覆蓋整個(gè)部件下表面，PU的厚度取決于部件幾何形狀和纖維層結(jié)構(gòu)。部件脫模即完成CFRP成型與涂裝。

目前CFRP在德國(guó)汽車(chē)行業(yè)已有量產(chǎn)應(yīng)用（BMW i3等），surface-RTM 技術(shù)在多個(gè)部件上展開(kāi)了應(yīng)用預(yù)研，涉及原材料、工藝、涂層材料認(rèn)證等。隨著技術(shù)積累，在產(chǎn)業(yè)化方面將會(huì)有實(shí)質(zhì)性突破。

2015北京SAMPE會(huì)展上Henkel首次在中國(guó)通過(guò)雷丁Roadster R1跑車(chē)頂棚展示了surface-RTM技術(shù)。隨后上海國(guó)際復(fù)材展上CHOMARAT展出了這款部件。

2017年國(guó)內(nèi)企業(yè)自主設(shè)計(jì)研發(fā)的CFRP超跑車(chē)門(mén)外板憑借Surface-RTM技術(shù)榮獲了“年度交通運(yùn)輸領(lǐng)域復(fù)合材料技術(shù)創(chuàng)新一等獎(jiǎng)”。

3 Surface-RTM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

HP-RTM量產(chǎn)CFRP汽車(chē)部件，所用樹(shù)脂無(wú)論是環(huán)氧還是聚氨酯體系，表面都無(wú)法滿(mǎn)足耐候性要求，因此HP-RTM成型的外飾件，無(wú)論表面是否達(dá)到A級(jí)，都要進(jìn)行涂裝。典型涂裝包含以下5道工序：

（1）預(yù)處理：打磨、清洗、烘干

（2）底涂：中溫烘烤、二次打磨、清洗、烘干

（3）面涂：中溫烘烤、三次打磨、清洗、烘干

（4）二次面涂：噴涂清漆、中溫烘烤

（5）冷卻、檢驗(yàn)

3.1 surface-RTM替代預(yù)處理與底涂，簡(jiǎn)化面涂

部件脫模后表面呈獻(xiàn)無(wú)缺陷的A級(jí)表面，直接噴涂抗UV面漆即完成部件涂裝。

需要展示碳纖維紋路的部件，直接噴涂抗UV高光清漆。

需要整車(chē)配色的部件，將與汽車(chē)顏色接近的色漿混入注射頭直接注入PU材料中，部件脫模后噴一層整車(chē)色澤的抗UV面漆。

為了支撐這項(xiàng)技術(shù)，德國(guó)Rühl PUROMER公司專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了PU涂料，牌號(hào)為：puroclear?，其對(duì)面漆無(wú)特殊要求，可以采用汽車(chē)常規(guī)面漆，與面漆的粘結(jié)性能通過(guò)了德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)漆層粘接性能測(cè)試（cross-cut test）。

3.2 surface-RTM替代全部涂裝工序

這是surface-RTM技術(shù)的最大亮點(diǎn)，用PU涂層作為最終面層，實(shí)現(xiàn)部件不噴漆直接使用，前提是PU涂層要符合外飾件的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，其中抗UV是一大挑戰(zhàn)，這方面Rühl PUROMER公司研發(fā)有了積極進(jìn)展，但還沒(méi)完成全部外飾認(rèn)證。

因此surface-RTM制造CFRP用作汽車(chē)外飾件時(shí)，仍然需要噴涂抗UV面漆。

4 Surface-RTM關(guān)鍵材料的支持狀況

Surface-RTM關(guān)鍵材料為表面涂層，目前參與技術(shù)開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目所用的基本都是德國(guó)Rühl公司的puroclear?。

4.1 puroclear? 材料的性能特點(diǎn)

Puroclear?材料是脂肪族異氰酸酯（HDI）澆濤體系，為A、B兩組分：puroclear? 3098 IT和puronate? 960/3，按工藝要求可調(diào)節(jié)開(kāi)放時(shí)間（5-300s）、預(yù)熱溫度和固化溫度。

Puroclear? 涂層符合德國(guó)汽車(chē)工業(yè)的嚴(yán)格要求，已通過(guò)VOC/FOG、耐熱老化、熱光老化測(cè)試、氣候變化和太陽(yáng)能模擬、耐化學(xué)性和耐劃傷性等測(cè)試。主要特點(diǎn)和性能如下：

基本特點(diǎn)：

①流動(dòng)性好，具有絢麗3D深度效果和豪華的高光澤表面;

②可直接噴涂面漆，無(wú)需表面處理;

③光穩(wěn)定、無(wú)色透明、透光性類(lèi)似玻璃（>92%）;

④自脫模性高，次數(shù)可達(dá)1500次，期間無(wú)需外脫模劑。

物理性能：

①自修復(fù)性帶來(lái)高耐刮傷性和耐磨性（可選）;

②表面硬度可調(diào)（邵氏硬度70A-88D）;

③涂層厚度可調(diào)，涂層壁厚跨度從1mm - > 100mm;

④顏色可調(diào);

⑤如有需要，允許表面拋光處理。

化學(xué)性能：

①對(duì)多種塑料，木材、復(fù)合材料和金屬材料表面具有優(yōu)異的附著力;

②具有良好的抗紫外性，耐化學(xué)性和耐熱老化性;

③已通過(guò)交替性氣候測(cè)試;

④排放量比德國(guó)汽車(chē)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)低40%-50%;

⑤具有使用耐久性。

加工特性：

①適用高壓和低壓設(shè)備，加工溫度較低（60℃或60℃以上）;

②使用節(jié)拍時(shí)間短（可短于1min）;

③可用于具有復(fù)雜幾何形狀或不同尺寸的組件;

④可覆蓋基材表面的凹痕和其他較小缺陷;

⑤無(wú)需后期處理;

⑥可在一個(gè)工序內(nèi)獲得不同厚度和表面的涂層（同一表面具有亞光和高光）。

4.2 Puroclear? 涂層自修復(fù)性能

面漆硬度是為了耐刮傷，金屬漆鉛筆硬度大約在3H。改善涂層耐刮傷性能，自愈性材料無(wú)疑是一個(gè)很好的選擇。用4H鉛筆測(cè)試，puroclear?涂層上的劃痕在室溫下短時(shí)間內(nèi)會(huì)自動(dòng)消失。而金屬漆在同樣條件下會(huì)留下永久性劃痕。對(duì)于沒(méi)有抗UV要求的汽車(chē)內(nèi)飾件，自愈性在奔馳S級(jí)跑車(chē)方向盤(pán)有了成功的案例。

使用自愈材料作為汽車(chē)外飾件面層，改善CFRP外飾件耐刮傷性能，將成為Surface-RTM技術(shù)開(kāi)發(fā)的又一個(gè)具有前瞻性的亮點(diǎn)。

5 Surface-RTM設(shè)備現(xiàn)狀

目前Krauss Maffei已開(kāi)發(fā)了較為成熟的HP-RTM和surface-RTM注射設(shè)備，

樹(shù)脂系統(tǒng)和涂料系統(tǒng)混合由兩套R(shí)imStar Nano定量配料機(jī)配制。RimStar Nano的計(jì)量泵是耐磨損的自制單元，通過(guò)MK-5/8-2K 80混合頭注入模具。

系統(tǒng)配備真空輔助系統(tǒng)，和高效節(jié)能、極其精確的溫度控制器。

由于PU涂料用量小，因此使用RimStar Nano 4/4計(jì)量機(jī)和MK-5/8-2K 40混合頭。

surface-RTM技術(shù)難點(diǎn)還在于模具設(shè)計(jì)，奧地利Alpex Technologies GmbH是第一代模具制造商，模具采用一種特殊的密封技術(shù)，在兩階段微小開(kāi)啟過(guò)程中模內(nèi)也抽成真空。通過(guò)有選擇的排氣控制，確保涂層不含空氣夾雜物。精密集成的傳感器對(duì)最佳模具填充進(jìn)行監(jiān)控并在線(xiàn)提供相關(guān)的部件質(zhì)量信息。

該模具配備頂出系統(tǒng)，可用機(jī)械手和抓爪系統(tǒng)協(xié)助脫模。

6 結(jié)論

Surface-RTM技術(shù)作為一項(xiàng)模內(nèi)涂裝前沿技術(shù)，相比傳統(tǒng)的CFRP表面噴涂工藝，有著良好的經(jīng)濟(jì)效益和市場(chǎng)前景，目前國(guó)內(nèi)HP-RTM已有產(chǎn)能布局，在此基礎(chǔ)上surface-RTM也有成型CFRP跑車(chē)部件的案例，量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)有待結(jié)合量產(chǎn)項(xiàng)目去進(jìn)一步積累和完善。

PU涂裝材料puroclear? 其性能已開(kāi)發(fā)較完善，需要同主機(jī)廠完善行業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，得到行業(yè)認(rèn)可，目前puroclear?涂料都由德國(guó)進(jìn)口，國(guó)內(nèi)CFRP企業(yè)有必要與其他涂料廠家共同開(kāi)發(fā)。

Surface-RTM技術(shù)研發(fā)建議與主機(jī)廠、材料供應(yīng)商、Krauss Maffei等各方合作，積累足夠的經(jīng)驗(yàn)，再進(jìn)行產(chǎn)品應(yīng)用推廣。

參考文獻(xiàn)

[1] 榮海濤.使用創(chuàng)新型聚氨酯材料與加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)表面升級(jí).現(xiàn)代塑料.2014.8.

[2] Kunststoffe international 2014.3.

[3] RTM工藝實(shí)現(xiàn)直接噴漆Josef Renkl， Sebastian Schmidhuber佳工網(wǎng)2014.05.12.