English
簡體中文
高壓樹脂轉(zhuǎn)移模塑（HP-RTM）已被用于寶馬（德國慕尼黑）i3和i8車型的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料零件的批量生產(chǎn)，被一些人視為一項新技術(shù)。對其他人來說，這只是早期RTM工藝的現(xiàn)代化，就像25年前用來制造道奇毒蛇零件的那樣。HP-RTM與RTM的區(qū)別是什么？Engel Austria（Schwertberg）輕型復(fù)合材料技術(shù)中心項目管理主管Matthias Mayr指出：“循環(huán)時間比標(biāo)準(zhǔn)RTM快得多。”。這種差異體現(xiàn)在“HP-高壓”中。相比之下，傳統(tǒng)的RTM是“LP-低壓” Mubea Carbo Tech（奧地利薩爾茨堡）位于捷克共和國澤布拉克的最新工廠的項目經(jīng)理Slavko Karas說：“低壓RTM（在10到20巴下注入樹脂）的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)時間為30到60分鐘。”。“它可以低至5分鐘，但只適用于非常小的零件。”
“高壓，”Mayr說，“意味著混合頭中的壓力高達(dá)150巴，模具中的壓力從30巴到120巴，具體取決于零件尺寸和幾何形狀。”自動化也是HP-RTM的關(guān)鍵，但這需要在資本和過程控制方面增加投資。據(jù)設(shè)備供應(yīng)商稱，這項投資確實正在進(jìn)行中。目標(biāo)：集成式輕型結(jié)構(gòu)，循環(huán)時間小于10分鐘。
HP-RTM的內(nèi)容和時間
HP-RTM仍然包括纖維預(yù)制棒、閉合模具、壓機和樹脂注射系統(tǒng)，但后者現(xiàn)在是一個沖擊混合頭，就像20世紀(jì)60年代首次為聚氨酯（PU- polyurethane）泡沫應(yīng)用開發(fā)的那樣。事實上，PU和反應(yīng)注射成型（RIM-reaction injection molding）行業(yè)的計量/混合/注射供應(yīng)商是HP-RTM的早期開發(fā)商之一，包括KraussMaffei（德國慕尼黑）、Hennecke（德國Sankt Augustin）、FRIMO（德國樂天）和Cannon SpA（意大利博羅梅奧）。
結(jié)構(gòu)反應(yīng)注射成型（SRIM-Structural reaction injection molding）使用RIM技術(shù)，但與RTM一樣，將混合樹脂注入模具中的纖維預(yù)制件中。纖維含量較低，通常高達(dá)30重量%。（HP-RTM零件的纖維重量高達(dá)75%。）在其鼎盛時期，SRIM的開發(fā)包括自動化預(yù)制件和模糊兩種工藝之間的界限。
“RTM已經(jīng)存在了幾十年，”克勞斯瑪菲復(fù)合材料業(yè)務(wù)部門負(fù)責(zé)人Erich Fries說。“對我們來說，它總是HP-RTM，因為我們總是在室內(nèi)使用沖擊混合，盡管大多數(shù)使用低壓RTM的公司都使用靜態(tài)和動態(tài)混合器。”
到2005年，RTM已在道奇毒蛇中大量使用，也被Sotira Composites（法國緬因州梅斯萊）廣泛用于OEM，包括與福特汽車公司（美國密歇根州迪爾伯恩）和阿斯頓·馬丁（英國沃里克郡蓋登）的聯(lián)合開發(fā)工作。該過程也在a級要求不太嚴(yán)格的重型卡車中獲得了發(fā)展動力。然后出現(xiàn)了一個轉(zhuǎn)折點。雖然不一定是HP-RTM工藝，但RocTool（法國Le Bourget du Lac和美國北卡羅來納州Charlotte）在2007年JEC上推出了其感應(yīng)加熱模具作為“高速RTM”，并將循環(huán)時間縮短了50%。然后，在2008年，碳纖維生產(chǎn)商東麗（日本東京）在其演講《碳纖維增強塑料：汽車大規(guī)模生產(chǎn)下一步需要什么？》中列出了“更快循環(huán)的RTM”。然而，在所有這些工作之前，是寶馬集團(tuán)，該集團(tuán)在M3和M6車型的碳纖維/環(huán)氧樹脂車頂RTM方面擁有十年的生產(chǎn)經(jīng)驗。
減少循環(huán)時間、自動化和碳纖維這三個要素是向HP-RTM轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵驅(qū)動因素。寶馬碳纖維增強塑料技術(shù)開發(fā)主管Thomas Wolff博士解釋道：“10多年來，寶馬集團(tuán)一直在M3和M6車型的車頂中使用碳纖維增強材料，出于循環(huán)時間、表面質(zhì)量和工業(yè)化的原因，選擇了HP-RTM。”。“在這段時間里，我們在碳纖維增強塑料部件的批量生產(chǎn)方面獲得了寶貴的經(jīng)驗。因此，在我們面臨從小批量生產(chǎn)到完全工業(yè)化生產(chǎn)的挑戰(zhàn)時，保持這一過程是有用的。”
Wolff表示，在i3和i8車身部件復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)中，降低成本和縮短周期是寶馬集團(tuán)面臨的關(guān)鍵問題。HP-RTM還提供了生產(chǎn)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的潛力，如側(cè)架（見圖）。“現(xiàn)在，我們能夠以高質(zhì)量和高工藝穩(wěn)定性批量生產(chǎn)這些產(chǎn)品，將碳纖維增強塑料車身部件的制造成本降低約50%。”他指出，與屋頂生產(chǎn)相比，假設(shè)邊界條件和工藝鏈相同。
這種結(jié)構(gòu)和幾何復(fù)雜性的增加帶來了額外的挑戰(zhàn)。弗里斯說：“現(xiàn)在，我們看到了不同的部分，纖維含量非常高。”。“這會導(dǎo)致模具中產(chǎn)生高壓，但仍必須填充型腔，因此需要高達(dá)110巴的壓力。”他聲稱，雖然使用齒輪泵的低壓機器可以在高達(dá)40巴的壓力下運行，但“我們使用的是高壓軸向活塞泵，可以在200巴下運行。因此，現(xiàn)在每個人都在使用高壓混合和注射頭。”
盡管聚氨酯仍在提供，尤其是在更多的化妝品應(yīng)用中，但環(huán)氧樹脂正在取得進(jìn)展。Mayr說：“在Engel，我們實際上是從PU開始的，但今天我們的客戶對環(huán)氧樹脂和PU表現(xiàn)出了同等的興趣。”。“這兩種材料體系似乎都有進(jìn)一步的應(yīng)用潛力。”
縮短模具循環(huán)時間
寶馬集團(tuán)通過致力于碳纖維和HP-RTM的影響力也體現(xiàn)在推動更具反應(yīng)性、更快固化的樹脂方面。盡管自20世紀(jì)90年代以來，這一領(lǐng)域的工作一直在進(jìn)行，但寶馬集團(tuán)在其最初的復(fù)合材料頂蓋中采用了Hexion（以前是Momentive Specialty Chemicals，仍位于美國俄亥俄州哥倫布市）的快速固化EPIKOTE環(huán)氧樹脂，從而推動了這一領(lǐng)域，以及選擇亨斯邁先進(jìn)材料公司（得克薩斯州伍德蘭和瑞士巴塞爾）的Araldite LY 3585/Hardener XB 3458環(huán)氧樹脂系統(tǒng)作為i3生命模塊，該系統(tǒng)在100°C下可固化5分鐘（寶馬報告稱，其i3和i8零件的固化周期不到10分鐘）。
到2012年，5分鐘固化的EPIKOTE樹脂05475/EPIKURE固化劑05443被與EPIKURE固化試劑05500相同的樹脂取代，注射窗口為1分鐘，在120°C下固化2分鐘。
與此同時，陶氏汽車系統(tǒng)公司（德國施瓦爾巴赫和美國密歇根州奧本山）生產(chǎn)的VORAFORCE 5300環(huán)氧樹脂從2014年的低于90秒的模具周期降至2015年的低于60秒。
Fries警告說：“當(dāng)然，也有固化時間為1分鐘的環(huán)氧樹脂。但它只適用于簡單的扁平部件，而不是復(fù)雜的結(jié)構(gòu)部件。”。他指出，零件實際上是在3到7分鐘內(nèi)生產(chǎn)出來的，這是零件尺寸和幾何形狀復(fù)雜性的函數(shù)。
Mayr補充道：“HP-RTM的循環(huán)時間不僅是固化時間的函數(shù)，也是從干織物開始的整個過程的函數(shù)。從這個過程中，你可以生成預(yù)成型件，將其轉(zhuǎn)移到模具中，然后開始HP-RTM工藝。”他認(rèn)為，需要更大的生產(chǎn)工作站和更多的投資來加快整個循環(huán)時間。Fries對此表示贊同，并指出“越來越多零件的集成將增加復(fù)雜性”，因此，周期時間索賠必須被視為理想的最佳結(jié)果。
Mayr表示，整體循環(huán)時間仍然是HP-RTM開發(fā)的首要任務(wù)：“目前，成型不是工藝中時間關(guān)鍵的部分。”預(yù)成型是一個瓶頸。織物層的切割、定位和成型需要比模具周期更長的時間。同樣，他說，霉菌清潔也是一個問題。盡管將脫模劑混合到樹脂中有幫助，但Mayr指出，模具護(hù)理產(chǎn)品供應(yīng)商吹噓的模具準(zhǔn)備階段之間的模具循環(huán)次數(shù)只有在理想的加工條件下才能實現(xiàn)，并且在很大程度上取決于模具表面和設(shè)計。沃爾夫說，在未來改善工藝循環(huán)時間的努力中，“模具清潔等子流程的自動化具有巨大的潛力。”
壓力與預(yù)成型件
寶馬集團(tuán)也認(rèn)為有必要提高預(yù)成型件的滲透性。能夠使樹脂快速而容易地滲透的預(yù)成型件應(yīng)該需要更少的潤濕時間，并且在模具中建立更少的壓力。
另一種選擇是降低樹脂粘度。Arkema及其Elium液體熱塑性聚合物（LTP-liquid thermoplastic polymer）的業(yè)務(wù)經(jīng)理Sebastien Tailemite建議：“技術(shù)專家建議樹脂粘度在50至200厘泊之間，以獲得良好的注射速度和浸漬。”。他指出，環(huán)氧樹脂的粘度更高，因此必須對其進(jìn)行加熱才能獲得HP-RTM。Tailemite補充道：“但Elium在室溫下是100厘泊，所以你可以在不加熱的情況下注射。此外，如果注射壓力太高，它可能會移動織物預(yù)成型件，導(dǎo)致纖維沖刷。”。
事實上，如果樹脂粘度高，預(yù)成型件的滲透性必須高（即，樹脂很容易通過），并且兩者必須與注射和模具壓力平衡，才能獲得成功的零件。在過去幾年中，許多研究探索了模具填充模擬和優(yōu)化溫度、壓力和預(yù)成型件粘合劑配置，以避免纖維沖刷，同時減少循環(huán)時間。作為復(fù)合材料的典型代表，豐富的材料和工藝選擇使優(yōu)化參數(shù)變得更加復(fù)雜。盡管并非不可逾越，但對于剛剛進(jìn)入HP-RTM領(lǐng)域的制造商來說，所需的分析似乎令人望而生畏。
然而，寶馬集團(tuán)已經(jīng)精通這一優(yōu)化，因此通過先進(jìn)的過程控制尋求更大的靈活性。Wolff說：“我們正在尋找縮短循環(huán)時間的所有可能性。”。“這可能是提供更靈活、更快的溫度變化的工具和機器，也可能是由于在注射過程中通過可變地調(diào)整硬化劑來更好地流動或更快地固化而影響樹脂系統(tǒng)的能力。”他說，這適用于環(huán)氧樹脂和PU，盡管后者對寶馬集團(tuán)已經(jīng)開發(fā)的織物系統(tǒng)提出了一些挑戰(zhàn)。
Fries還指出，需要更好的工藝控制，特別是隨著產(chǎn)量的增長：“你必須有嚴(yán)格的工藝控制。20年前不需要這樣做，因為當(dāng)時的周期太慢了，每年只有1000到4000個零件。但現(xiàn)在，每年有12000到50000個零件，你必須在工具、計量和注射系統(tǒng)之間有一個接口。”。他描述了KraussMaffei對壓力傳感器的集成：“如果我們看到壓力超過100-110巴，我們知道沖刷的風(fēng)險很高，所以傳感器使我們能夠通過真空或降低產(chǎn)量來管理這一問題。”
Mayr補充道，定制的壓力傳感器，如Kistler（瑞士溫特圖爾）的壓力傳感器和用于監(jiān)測固化過程的介電傳感系統(tǒng)，如Netzsch（德國塞爾布）的傳感器，正越來越成為標(biāo)準(zhǔn)。
對于預(yù)成型件滲透性的挑戰(zhàn)，第三個也是有點諷刺的解決方案是最近的一種趨勢，即降低注射壓力，以利于通過機械方式將樹脂輸送到整個模腔。高壓壓縮RTM（HP-CRTM），也稱為間隙注射或濕壓縮，包括將樹脂注射到部分封閉的模具和干燥的預(yù)成型件上。樹脂在預(yù)成型件上流動（而不是通過其長度），然后，當(dāng)模具閉合時，樹脂被機械地迫使通過預(yù)成型件的厚度。該方法需要較小的夾緊力和壓力機噸位，因此減少了資本支出。
Fries說，這種間隙不會導(dǎo)致纖維滑動，因為使用了各種纖維夾緊方法，如真空。Radius Engineering（美國猶他州鹽湖城）總裁Dimitri Milovich指出：“我們在1990年為美國空軍演示了間隙注射成型。”Radius Engineering是RTM工具、注射設(shè)備和壓力機的供應(yīng)商。“我們稱之為可變空腔幾何形狀，并在打開和關(guān)閉工具時使用可調(diào)節(jié)密封來保持真空。”他補充說，這種方法對正在試驗的天線罩來說更快，并且能夠產(chǎn)生高質(zhì)量的表面光潔度。
表面RTM是KraussMaffei對間隙浸漬的稱呼，使用PU基質(zhì)作為第一步，然后在同一工具中用PU進(jìn)行二次成型作為第二步，即在間隙中填充一層薄薄的PU，使a級碳纖維外板可以直接從模具中涂漆，而無需額外的表面處理。
另外兩項創(chuàng)新都是基于樹脂的，有望緩解人們對纖維錯位和預(yù)成型件滲透性的擔(dān)憂。第一種是熱塑性RTM（TP-RTM或T-RTM），或Engel所說的原位聚合：將預(yù)成型件放入模具中，關(guān)閉模具，將己內(nèi)酰胺單體注入催化劑和活化劑。然后，由于3-5cps的水性粘度，這些聚合物在約30秒內(nèi)滲透到預(yù)成型件中，并在150°C的模腔中聚合，在2-5分鐘內(nèi)形成固體聚酰胺6（PA6）復(fù)合材料。極低的粘度使樹脂與纖維之間具有良好的分布，并允許高定向纖維含量——高達(dá)65%（體積）。然而，它也會導(dǎo)致模具泄漏問題，因此在模具設(shè)計過程中需要更多的關(guān)注。
KrassMaffei與BASF AG（德國路德維希港）和VolksWagen AG（德國沃爾夫斯堡）在纖維增強B柱中演示了這一過程，循環(huán)時間為5分鐘。Engel自2009年以來一直與Fraunhofer ICT合作開發(fā)這項技術(shù)，目前正在將其原型e-victory 120機器改進(jìn)為第二代系統(tǒng)，而Hennecke和Mahr Metering Systems（德國戈廷根）已經(jīng)開發(fā)出可以將己內(nèi)酰胺輸送到HP-RTM工藝中的計量器/混合系統(tǒng)。
第二項創(chuàng)新是Arkema公司（法國Colombes）的Elium液態(tài)丙烯酸/過氧化物引發(fā)的熱塑性聚合物。Tailemite解釋道：“我們對HP-RTM的Elium粘度進(jìn)行了微調(diào)”，以制造30000至200000件/年的結(jié)構(gòu)部件。他說，注射丙烯酸樹脂和引發(fā)劑不需要加熱，盡管模具確實需要加熱到100°C左右。他補充道，Elium在注射過程中對水分也不敏感，這實際上可以阻止己內(nèi)酰胺的聚合。
該樹脂設(shè)計用于美觀的復(fù)合材料零件（模量≈10-15GPa）和結(jié)構(gòu)零件，玻璃纖維的模量可達(dá)20-45GPa，碳纖維的模量高達(dá)125GPa。然而，據(jù)報道，Elium的韌性比環(huán)氧樹脂高出約50%，吸收的沖擊能量是聚酯的兩倍。另一個關(guān)鍵區(qū)別是，使用Elium基材的結(jié)構(gòu)部件據(jù)說比使用PA6制造的結(jié)構(gòu)部件老化得更好。Tailemite說：“Arkema也生產(chǎn)PA6聚合物產(chǎn)品，所以我們很清楚它的吸濕率為5-10%。隨著老化，這往往會使復(fù)合材料塑化，降低Tg，隨著時間的推移，降低機械性能。”他解釋說，設(shè)計師會考慮到這一點，例如，將零件的厚度增加一倍。
行業(yè)買盤
汽車制造商是否在購買HP-RTM機器？“是的，”克勞斯瑪菲的弗里斯說。“寶馬i3和i8的所有設(shè)備都使用我們的計量機器，其他原始設(shè)備制造商也紛紛效仿。”他表示，該公司正在與全球制造商進(jìn)行談判，這些制造商現(xiàn)在包括一級供應(yīng)商。
“它開始了，”Engel的Mayr說。“我們向?qū)汃R集團(tuán)蘭茨胡特工廠出售了一臺大型夾緊裝置，向英國華威大學(xué)出售了一套1700噸的v-duo裝置，并向一家墨西哥汽車行業(yè)供應(yīng)商出售了第三臺機器。”他表示，其他機器已經(jīng)售出，更多項目正在籌備中，包括今年夏天開始的一個項目和2016年第一季度的另一個項目。
Arkema正在與多個合作伙伴建立一條HP-RTM生產(chǎn)線，將Elium用于汽車零部件。Tailemite表示，“我們計劃在2016年初運行這條生產(chǎn)線，目前正在全球五家原始設(shè)備制造商進(jìn)行試驗。”這包括原始設(shè)備制造商測試Elium零件的A級表面、機械性能、耐化學(xué)性和抗疲勞性，以及碰撞模擬測試。他解釋道：“在汽車領(lǐng)域，新技術(shù)需要經(jīng)過幾年的測試才能得到驗證。”。“例如，有機片材于20世紀(jì)90年代推出，第一部分在過去兩年剛剛投入批量生產(chǎn)。我們已經(jīng)開始了這項測試，以便為五年后的項目做好準(zhǔn)備。”原始設(shè)備制造商的反饋是，熱塑性RTM確實將在2020年后投入使用。
然而，所有人都認(rèn)為HP-RTM還有很長的路要走。Mayr說：“在注塑成型中很容易找到工具制造商，但在HP-RTM和原位工藝中還不是這樣。”。“模具更復(fù)雜，需要在腔體周圍采用不同的密封概念。你還必須適應(yīng)如何插入預(yù)成型件，并確保其完全浸漬。”
Fries說，零件工程也是一個必須解決的需求。“在汽車領(lǐng)域，沒有多少人熟悉如何避免設(shè)計黑金屬，或者如何設(shè)計一個既能提供高性能又能在預(yù)成型和浸漬方面生產(chǎn)的零件。”
Wolff指出，“許多要求都是新的，目前還沒有任何最先進(jìn)的解決方案，因此與供應(yīng)商建立強有力的合作伙伴關(guān)系對于獲得最佳和最經(jīng)濟(jì)的選擇至關(guān)重要。”，與不同供應(yīng)商的合作范圍將擴大，以開發(fā)新的解決方案并推動HP-RTM技術(shù)的發(fā)展。
邁爾說：“現(xiàn)在這個行業(yè)有很多不同的觀點。”。“我們來自注塑，所以我們的觀點是大規(guī)模生產(chǎn)，幫助我們的客戶達(dá)到注塑工藝的自動化水平和批量。”注塑/RIM確實是HP-RTM祖先和承諾的重要組成部分，但它能實現(xiàn)嗎？也許一個很有說服力的指標(biāo)是SGL Benteler（Ried im Innkreis，奧地利）和Mubea Carbo Tech都安裝了HP-RTM系統(tǒng)，這兩家公司都得到了大型鋼鐵汽車零部件制造商的支持。
Mubea Carbo Tech汽車銷售主管Joachim Siegmann表示：“我們已經(jīng)成功地從碳纖維增強塑料汽車零部件的小批量生產(chǎn)過渡到了工業(yè)化生產(chǎn)。”。他認(rèn)為HP-RTM只是一系列過程中的一個，這些過程可以實現(xiàn)提供最高級別功能集成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。Siegmann的同事Karas總結(jié)道：“Mubea看到了碳纖維的未來，而且它確實在發(fā)生。”
《HP-RTM for serial production of cost-effective CFRP aerostructures》