HP-RTM的成长

作者:CompositesWorld Ginger Gardiner 文章来源:AI《汽车塑化》 发布时间:2017-08-25
几十年的发展已使HP-RTM取得了突破!但未来却需要能够适应操作成本、复杂性和工艺控制要求的行业解决方案。

用于宝马i3和i8车型的结构碳纤维增强塑料(CFRP)部件已进入批量生产。对此,一些人将高压树脂传递模塑成型(HP-RTM)视为是新的技术,但另一些人则认为,这只是早期RTM工艺的现代版本,就像25年前用于制造道奇Viper汽车部件的工艺。那么,HP-RTM与RTM的区别是什么?对此,恩格尔奥地利公司(奥地利Schwertberg)轻量化复合材料技术中心项目管理负责人Matthias Mayrs指出:“HP-RTM的循环时间比标准的RTM更快了。”显然,这种差异与“HP.(高压)”有关,相比而言,传统的RTM是“LP.(低压)”。

“低压RTM通常是在10~20bars(约1~2MPa)的压力下注射,标准循环时间30~60min.。虽然低压RTM的循环时间可以短至5min.,但只适合于生产非常小的部件。” Mubea Carbo Tech公司(奥地利Salzburg)的项目经理Slavko Karas说,他负责该公司位于捷克共和国Zebrak的最新生产设施。

“高压意味着混合头中的压力高达150bar(约15MPa)以及模内压力高达30~120bar(3~12MPa),这取决于部件的尺寸和形状。”Mayr说。自动化对于HP-RTM也非常重要,但却对工艺控制提出了增加投资的要求。设备供应商们表示,这项投资的确在实施,其目标是:实现集成的、轻量化的结构与不到10min.的循环时间。

先进的工艺控制:由于复合材料制造商已将HP-RTM工艺整合到自动化的生产线中,因此机器人预成型操作装备(左)发挥了重要作用(图片来自恩格尔)

HP-RTM是什么?何时发展起来?

HP-RTM依然会涉及到一个纤维预成型件、一副闭模、一台压机和一个树脂注射系统,但现在的树脂注射系统是一个喷射混合头,就是康隆(Cannon)(意大利Borromeo)于1960年代为聚氨酯(PU)发泡应用而首次开发的混合头。实际上,为聚氨酯和反应注射成型(RIM)行业提供计量、混合和注射系统的供应商是早期的HP-RTM开发者,包括康隆(Cannon)、克劳斯玛菲(德国慕尼黑)、亨内基(德国Sankt Augustin)以及FRIMO (德国Lotte)等。

结构RIM(SRIM)尽管采用了RIM技术,但却更像是RTM技术,即将混合好的树脂注射到模内的纤维预成型件上,只是其纤维含量较低,典型的纤维含量通常是30%重量百分比。而当纤维重量百分比高达75%时,即被认为是HP-RTM部件。在鼎盛时期,对SRIM的开发涉及了自动化的预成型,此时,两种工艺的生产线概念是模糊的。

“RTM已经存在几十年了。”克劳斯玛菲复合材料业务单元负责人Erich Fries说,“对我们而言,它一直是HP-RTM,因为我们一直采用的是在一个混合室中的喷射混合, 尽管大多数采用低压RTM的公司正在采用静态和动态混合。”

到2005年, RTM已在道奇Viper中得到大量应用。Sotira复合材料公司(法国Meslay du Maine)也将该技术用于广泛的OEMs项目,包括一个与福特汽车公司(美国密歇根州迪尔伯恩)和阿斯顿马丁(英国华威郡Gaydon)合作开发的项目。该工艺还正在引起重型卡车领域的关注,此领域对A级表面的要求不太严格。此后,HP-RTM的发展进入一个转折点。在JEC 2007展会中,RocTool(法国Le Bourget du Lac和美国北卡罗来纳州夏洛特)推出了其感应加热模具以用于“高速RTM”,虽然不一定属于HP-RTM工艺,但该技术却将循环时间缩短了50%。2008年,碳纤维生产商东丽(日本东京)将“快速循环RTM”列入其报告“CFRP: 汽车的大批量生产需要什么?”一文中。

然而,前述的所有努力,都是宝马集团正在做的工作。“10多年来, 宝马集团一直将CFRP用于其M3和M6车型的车顶,选用 HP-RTM工艺的原因在于其循环时间、表面质量和工业化生产能力方面的优势。”宝马CFRP技术开发负责人Thomas Wolff博士解释道,“在此期间,我们已掌握了CFRP部件批量生产的宝贵经验,因此,在从小批量生产走向完全工业化生产的过程中,确保拥有这项工艺对于我们应对挑战是有用的。”

Wolff介绍说,降低成本和缩短循环时间,是宝马在面对复杂形状的i3和i8车身部件时需要解决的关键问题。HP-RTM还为生产大型、复杂的结构部件提供了可能,如侧框。“现在我们能够以高度的工艺稳定性和高质量水平来批量生产这些部件,可使CFRP车身部件的生产成本降低约50%。”他指出,这是与车顶的生产相比较的结果,假设拥有同样的限制条件和工艺链。

以高产量成型复杂的部件:HP-RTM 已在大型、一体化的CFRP汽车部件的批量生产中得到应用,如这款宝马i8的侧框(图片来自宝马汽车公司)

预成型——一个生产瓶颈:一个宝马i8的侧框预成型件在被送入宝马的HP-RTM加工单元中前,需要接受目测质量检查。宝马表示,针对产率的关键要求是,在树脂注射过程中,要对预成型件有较大的渗透性(图片来自宝马汽车公司)

随着结构与形状复杂性的增加,则提出了额外的挑战。“现在,我们正在审视纤维含量很高的不同的部件。”Fries说,“这导致了高压在模内的集聚,但你仍然必须填充型腔,因此要求压力要达到110bar(约11MPa)。”他声称,采用齿轮泵的低压机器可以运行的压力达40bar(约4MPa)。“我们采用HP轴向柱塞泵,从而能够运行200bar(约20MPa)的压力,所以每家公司现在正在采用HP混合和注射头。”

虽然对聚氨酯(PU)的需求仍然广泛,尤其是在对美观性要求较高的应用领域,但环氧树脂也越来越为人们所接受。“对于恩格尔来说, 我们实际上是从聚氨酯的应用开始的,但今天,我们的客户对环氧树脂表现出了与聚氨酯同样的兴趣。这两种材料系统似乎拥有更多的应用潜力。”Mayr说。

HP-RTM的循环时间不仅取决于树脂的反应速度,还取决于快速的织物切割、预成型、预成型件的嵌入、模具清洁和最终的操作(图片来自恩格尔)

宝马的两名技师在搬运一个固化好的基本完成的侧框(图片来自宝马汽车公司)

缩短的模具循环时间

HP-RTM已成为开发反应更快的、快速固化树脂的触因。尽管在此方面的工作自1990年代以来一直在进行,但宝马集团通过将Hexion公司(以前的Momentive特种化学品公司,仍位于美国俄亥俄州哥伦布)的EPIKOTE快速固化环氧树脂用于其最初的CFRP车顶,以及将亨斯迈先进材料公司(美国德克萨斯州伍德兰市和瑞士巴塞尔)的Araldite LY 3585/Hardener XB 3458环氧树脂系统(据说该材料系统在100℃时可在5min内固化)用于i3的生命模块(宝马表示其i3和i8部件的固化循环时间不到10min.),而推动了这项工作进展。到2012年,5min.固化的树脂EPIKOTE Resin 05475/固化剂EPIKURE Curing Agent 05443被采用固化剂EPIKURE Curing Agent 05500的同样树脂所取代,以满足一种1min.的注射加工窗口和120℃下2min.的固化时间要求。

同时,陶氏汽车系统公司(德国Schwalbach和美国密歇根州Auburn Hills)对其VORAFORCE 5300环氧树脂进行了改良,使得循环时间从2014年的不到90s变成2015年的不到60s。

“当然,1min.即可固化的环氧树脂是存在的。”Fries说, “但它只适合用于一种简单的平部件,而不适合于复杂结构部件。”他警告说,反对“最好的情况”的想法,并指出,部件的实际生产时间在3~7min.,这与部件的大小和复杂性有关。

Mayr对此警告作了补充:“HP-RTM的循环时间不只是固化时间的应变量,而且从干织物开始,是整个工艺过程的应变量。从干织物着手,你会生产出一个预成型件,然后将它放入模具中,启动HP-RTM工艺。”他声称,为了加快整个循环时间,更大的生产单元和更多的投资是必要的。

根据Mayr的说法,总的循环时间仍然是重中之重。他说:“目前,成型不是工艺时间的敏感部分。”实际上,预成型是一个瓶颈。裁切、配置以及织物层的构成等比成型周期花费的时间更长。类似的,模具的清洁也是一个问题。尽管将脱模剂混入到树脂中是有帮助的,但Mayr指出,模具保养产品的供应商们吹嘘的在模具准备期期间的模具循环数,只能在理想的加工条件下才能实现,而且更多地取决于模具的表面和设计。Wollf说,未来改善加工循环时间的努力在于实现各个子程序的自动化,像模具的清洁就有很大的潜力。

压力与预成型

宝马集团还看到了对提高预成型件渗透性的需求。一个允许树脂快速而轻易渗入的预成型件,需要的浸润时间较短,且模内集聚的压力较低。

另一个选择是降低树脂的黏度。“技术专家们推荐的树脂黏度在50~200cps之间,从而可以获得良好的注射速度和浸渍性。”阿科玛的业务经理Sebastien Taillemite建议说,并介绍了其Elium液态热塑性聚合物(LTP)。他指出,环氧树脂拥有较高的黏度,因此必须被加热以满足HP-RTM的应用需求。“但Elium在室温下的黏度是100cps,因此无需加热即可进行注射。而且,如果注射压力太高,它可能会引起织物预成型件的移动,这样获得的纤维是失效的。”Taillemite补充道。

的确,预成型件的渗透性必须很高以确保树脂易于流通。如果树脂黏度高,为获得一个成功的部件,注射与模具压力这两者之间必须是平衡的。在过去的几年里,诸多的研究已对模具填充模拟以及最佳的温度、压力和预成型粘结剂的配置进行了探索,以避免在缩短循环时间的同时发生纤维失效。

典型的复合材料,其材料与工艺选择的丰富性使得优化参数更加困难。虽然不是不可逾越的,但所需要的分析对于刚刚进入HP-RTM竞争领域的制造商而言似乎是令人畏惧的。

然而,宝马集团早已精通了这一优化方法,并因此而开始寻求通过先进的工艺控制而变得更加灵活的方法。“我们正在寻找所有能够缩短循环时间的可行方案。”Wolff说,“这可以是由工装和机器提供的更灵活的且更快的温度变化,或者是在注射过程中,通过动态调整固化剂而影响树脂系统,使其具有更好的流动性或更快的固化时间。”他说,这既适用于环氧树脂又适用于聚氨酯,尽管聚氨酯已对宝马集团开发的织物系统带来了一些挑战。

此图显示的是宝马i8侧框的预成型操作(图片来自宝马汽车公司)

Fries指出,随着产量的增加,需求变得更大。“你必须对工艺进行密切控制,这在20年前是不需要的,因为那时循环过程非常慢,一年只能生产1000~4000个部件。但现在,每年可以生产12000~50000个部件,所以必须在工装、计量设备和注射系统之间拥有一个界面。”他介绍了克劳斯玛菲的一体化压力传感器:“如果我们看到压力超过100~110bar(约10~11MPa),我们就知道存在较高的失效风险。因此,这些传感器允许我们利用真空或者通过减少流量来对此进行管理。”

Mayr补充道,用订制化的压力传感器(比如由Kistler公司(瑞士温特图尔)提供的)以及介电传感系统(比如由Netzsch公司(德国塞尔布)提供的)去监控固化过程,正日益成为标准。

另外,应对预成型件渗透性挑战的解决方案,即为降低注射压力而出现的最新趋势是,支持用机械的方式促使树脂流遍模具型腔。高压加压的RTM(简称“HP-CRTM”),也就是众所周知的间隙注射(gap injection)或湿法加压(wet compression),涉及将树脂射入到一副部分闭合的模具中。树脂流过干的预成型件(而不是通过其长度),然后随着模具的闭合,树脂在机械力的压迫下,通过预成型件厚度这一短距离。这种方法需要的锁模力和压机吨位较小,因此而减少了资金投入。

Fries表示,这一间隙不会引起纤维的滑动,因为各种各样的纤维夹紧方法都得到了应用,如真空。“我们在1990年向美国空军演示了间隙注射成型。”作为RTM工装、注射装备和压机的供应商,Radius Engineering 公司 (美国犹他州盐湖城) 总裁 Dimitrije Milovich指出,“我们称其为‘可变的型腔形状(Variable Cavity Geometry)’,并采用了一个可调节的密封,以便在我们打开和闭合模具的情况下保持真空状态。”他补充道,这种方法对于天线罩的试制是较快的,而且有能力生产出一个高质量的表面。

“表面RTM”是克劳斯玛菲对间隙浸渍的命名,第一步是采用一种聚氨酯基体材料,接着作为第二步在同一模具中采用聚氨酯进行包覆成型——也就是说,间隙被一薄层聚氨酯充满,从而直接从模具中即可制成一种A级表面的可喷涂碳纤维增强外饰板而无需额外的表面处理。

结构部件是HP-RTM 的专长,但供应商们还追求A级表面的解决方案。对此,克劳斯玛菲的表面RTM工艺利用了间隙浸渍(提高预成型件浸润性的一个策略)和包覆成型工艺的优势(图片来自克劳斯玛菲)

另外两项基于树脂的创新,显示出了能够减缓对“纤维错位和预成型件渗透性” 的担忧。第一个是热塑性塑料的RTM(简称“TP-RTM ”或“T-RTM”),或者就是恩格尔称之为的“原位聚合”:一个预成型件被放入模具中,模具闭合,一种己内酰胺单体与一种催化剂和活化剂一起被射入,然后在大约30s内渗入预成型件——凭借3~5cps的水一般的黏度,以及在150℃的模具型腔内的聚合,能够在2~5min.内变成固态的聚酰胺6(PA6)复合材料。相当低的黏度使得实现完美的树脂-纤维分布以及允许高达65%的定向纤维含量成为可能。然而,这也引发了模具的渗漏问题,并因此而要求在模具设计过程中考虑更多因素。

克劳斯玛菲与巴斯夫(德国路德维希港)和大众汽车公司(德国沃尔夫斯堡)在5min.的循环时间内生产出了一种纤维增强的B柱,从而证明了这一工艺。恩格尔,这家自2009年以来就与Fraunhofer ICT一起研究这项技术的公司,正在精心地将其原型e-victory 120机器转变成第二代的生产系统,而亨内基与Mahr Metering Systems(德国哥廷根),已经开发了计量/混合系统,这些系统能够将己内酰胺送入HP-RTM 加工中。

第二个创新是阿科玛(法国科隆布)的Elium液态丙烯酸/过氧化物引发的热塑性聚合物。“我们为HP-RTM而精心调整了Elium的黏度。” Taillemite解释说,为了按照每年30000甚至高达200000的产量制造结构部件,丙烯酸树脂和引发剂的注射不要求加热,尽管模具被加热到大约100℃。他补充道,Elium在注射过程中对湿气不敏感(据说湿气会中断己内酰胺的聚合反应)。该树脂是为生产美观的复合材料部件(模量≈10~15GPa)以及结构部件而设计的,这些结构部件采用玻璃纤维可实现20~45GPa的模量,采用碳纤维可实现125GPa的模量。然而,据说Elium的韧性相比环氧树脂要高出约50%,而且可以吸收的冲击能是聚酯的两倍。此外,采用Elium基体材料的结构部件要比采用PA6的具有更好的抗老化性。“阿科玛也生产PA6聚合物产品。”Taillemite说, “所以我们很了解它的吸湿量是5%~10%。随着老化,这趋向于塑化复合材料和降低玻璃化转变温度,以及随着时间的推移而降低力学性能。”他解释说,对此,设计师们考虑到了这一点,比如通过将部件厚度增加一倍来解决这一问题。

工业化的大宗购买

汽车制造商们在购买HP-RTM机器吗? “是的。”克劳斯玛菲的Fries说,“所有用于宝马i3和i8的设备都采用了我们的计量机器,而且其他的OEMs已经在跟进。”他说,该公司正在与全球的制造商洽谈,包括一级供应商。

“这是开始。”恩格尔的Mayr说,“我们向宝马集团的兰茨胡特工厂销售了一台大锁模力的生产单元,向英国的华威大学销售了一台1700-MT v-duo生产单元,而第三台设备卖给了一家墨西哥的汽车供应商。”他说,其他的机器已经被销售出去,而且更多的项目正在酝酿中,包括一个于2015年夏季开始的项目以及将与2016年第一季度开始的项目。

阿科玛正在与几家合作伙伴一起构建一条HP-RTM生产线,以采用Elium去生产汽车部件。“我们正在计划于2016年初开始运行这条生产线。”Taillemite说, “而且目前正在与5家全球化的OEMs进行试验。”这包括OEMs测试Elium部件的A级表面、力学性能、抗化学和抗疲劳性,以及冲击测试。“在汽车行业中,一项新的技术在生效以前,需要经过几年的测试过程。”他解释说,“为了在5年的时间里为一个项目做好准备,我们已经开始了这项测试。”反馈是,热塑性的RTM将在2020年以后得到应用。

然而,所有人都同意HP-RTM仍有很长的路要走。“找到注射成型方面的模具制造商是容易的,但对于HP-RTM以及原位工艺而言却并非如此。”Mayr说,“模具更加复杂,而且要围绕型腔的需要而采用不同的密封概念。你还必须要适应如何去置入预成型件,并确保它能够完全得到浸润。”

部件的设计也是需要的,Fries说:“在汽车行业, 并非许多人都熟悉如何去避免设计‘黑色金属’,或者如何去设计一个能提供高性能但同时在预成型和浸渍方面又是可生产的部件。”

Wolff指出,许多要求都是全新的,而且目前还没有任何体现最高水平的解决方案,因此与供应商之间结成强大的合作伙伴关系对于获得最好的以及最经济的选择是非常重要的。他确信,与不同供应商之间的合作伙伴范围将得到扩展,以开发新的解决方案。

“到目前为止,在此行业中有许多不同的观点。”Mayr说,“我们来自注塑成型领域,所以我们的观点是大批量生产,并帮助我们的客户实现自动化以及注塑成型工艺的很多规格。”注射成型/RIM的确是HP-RTM的系谱及其承诺的一个重要部分,但它能做好吗? 可能一个有说服力的案例是在西格里-本特勒(奥地利Ried im Innkreis)和Mubea Carbo Tech安装的HP-RTM系统,这两者都得到了大型钢铁汽车配件制造商的支持。“我们已经完成了CFRP汽车部件从小批量向工业化生产的过渡。” Mubea Carbo Tech的汽车销售负责人Joachim Siegmann说。他认为在一系列可实现复杂结构以提供最高等级的功能集成性的工艺中,HP-RTM是简单的一种。Siegmann的合伙人Karas总结说:“Mubea看到了碳纤维的未来,而且它实际上正在发生。”

 

HP-RTM:热固性还是热塑性?

“由于可回收性,使得汽车行业正在对热塑性塑料有所需求。”克劳斯玛菲的Fries说,“而且,每年生产超过20万个HP-RTM部件也是相当困难的。在这一点上,采用热固性塑料的RTM是不适合的。”他说,如果1min.的循环时间是可行的,那么这个选择就是热塑性塑料。“热塑性塑料可采用注塑成型,且不存在修饰和成型后操作,基本的材料成本也比环氧树脂和聚氨酯要便宜。”恩格尔奥地利公司的Mayr发现,恩格尔原位工艺的循环时间并不太短,“但热固性塑料需要采用胶粘剂以及(或者)紧固件以形成组装件。热塑性塑料的优点是能够在第二步操作中实现包覆成型,或者实施热焊接。”Fries进一步介绍道:“你可以采用RTM成型加强件,然后注塑包覆成型出作为附件的肋、轴套和嵌入件等。”

“注塑成型是比较简单的。”Mayr反对道, “但并不是很好地适用于结构部件,这是目前我们在HP-RTM方面的关注重点。”他还指出,注塑成型的部件尺寸有限。“为了制造像车顶一样的拥有美观表面的大型部件,机器会变得非常大,因为需要如此大的锁模力。”Mayr还声称,注塑成型对于实现A级表面的部件不一定是更好的选择。Fries则主张:“RTM将始终是一种解决方案,但并不适合于每一种汽车。所以你必须审视混合设计,拥有高性能的部件可采用RTM,而性能较低的部件应该采用有机板成型。”所谓的有机板成型,是在一个一体化的模压成型以及背部注射(包覆成型)工艺中,采用PA6或类似的热塑性预浸料作为一种订制的料坯。

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