热塑性注射与反应性模内涂装相结合的一体化成型工艺(上)

一步法工艺的发展历程、现状与展望

作者:睿普聚氨酯材料科技(太仓)有限公司 荣海涛 发布时间:2021-03-29
作为一种高度集成、高度自动化的加工工艺,以ColorForm和clearmelt为代表的热塑性注射成型与反应性模内涂装相结合的一体化成型工艺,近年来受到了业内的广泛关注,对该工艺的认同度和接受度日渐提高。随着市场对产品外观和表面品质要求的不断提高,这项工艺的终端应用领域也从最初的汽车行业扩展至消费电子、家电和家居等行业。本文作者依据公开信息,结合自身参与多个相关项目的体验,从设备、材料、模具和应用案例等角度,回顾梳理了该一体化成型工艺的发展历程和现状,分享了对此的理解,展望了今后的发展方向和应用前景,期待与业内同行和用户加强交流,共同推动该工艺在中国的市场化进程。

近年来,热塑性注射成型与反应性模内涂装相结合的一体化成型工艺受到了业内的广泛关注,对该工艺的认同度和接受度日渐提高。Engel的clearmelt和克劳斯玛菲的ColorForm是业内熟知的一体化成型工艺,此外,还有科思创的DC (direct coating) 、科世达的skintec、abatek公司的Polyform 3D、Weidplas公司的ColorFuse、伊之密的ReactPro以及库尔兹的IMD PUR等。所有这些,都是侧重点不同的一体化成型工艺。为方便起见,后文根据情况,或采用各自的工艺名称展开叙述,或一并称之为一步法工艺。

一步法工艺的基本工作原理与传统的双色注射成型工艺类似,都是使用两种材料在一套模具中注射成型一个产品,都需要两台注射成型设备、两种不同的材料以及同一个后模和两个不同的前模。在第一模腔中注射第一种材料,成型后开模,后模连同成型件一起与第二个前模构建第二模腔,注射第二种材料。一步法工艺与双色注射的本质性差异是,第二射是用反应注射成型 (Reaction Injection Molding,简称RIM) 设备和聚氨酯材料来取代注射成型机和热塑性塑料。     

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图1 一步法工艺的工作原理示意图(图片来自KraussMaffei Technologies GmbH)

 

如图 1 所示,首先,通过注射成型工艺成型一个热塑性的骨架 (黑色部分),然后模具旋转,后模连同骨架一起与第二个前模构建成第二膜腔,通过RIM设备注入混合均匀的低粘度双组分聚氨酯液体材料,聚氨酯固化后,即在骨架基材上形成一层透明的涂层 (黄色部分) ,通过添加色浆,还可以获得各种彩色效果。一步法工艺完美地整合了传统的注射成型工艺和成熟的聚氨酯模内涂装工艺各自所拥有的优势,使产品的成型与涂装在同一套模具中以注射成型的节拍得以实现,生产过程高效自动。相比传统的喷涂涂装工艺,这种一体化成型工艺环保无污染,生产环境与注射成型车间相同,极大地节省了物流成本,减少了操作环节、生产占地空间及能耗。根据克劳斯玛菲的测算,在同样条件下,与喷涂工艺相比,使用ColorForm工艺的综合生产成本可降低30%。

一步法工艺不仅拥有成本优势,而且获得的涂层品质高,产品设计空间大、灵活性高。例如,涂层厚度均匀且可控,外观无缺陷,可以获得透明和各种彩色涂层,包括金属漆效果、皮纹外观和软触感,以及各种花纹和几何图案等;产品设计允许在同一表面集成多种颜色和不同的外观效果,以及具有真实外观和触感的3D表面造型、可设计的光泽度和表面自修复功能。另外,一步法工艺还可以非常便利地与IMD/IML等膜片注射工艺相结合,把装饰薄膜和功能薄膜以及真木木皮等嵌入产品,使用高度透明的聚氨酯对产品表面施以双重模内修饰,令产品外观呈现相应的设计效果或功能,例如,色彩丰富的外观、触控表面、背光、透光和氛围灯等效果,甚至目前备受关注的隐藏式开关设计也可以实现。这些特性,也是一步法工艺与智能表面应用的基本契合点。随着智能表面在汽车和其他多个领域的应用越来越多,相信一步法工艺也会有更多的应用可能性和更大的发展空间。

聚氨酯和模内涂装工艺

聚氨酯材料(PUR)是聚酯多元醇或聚醚多元醇与异氰酸酯反应形成的聚合物。聚氨酯材料具有高度可设计的特性,依据使用的原料和配方,既可以是热固性材料,也可以是热塑性材料;既可以制成软泡、硬泡或自结皮等发泡制品,也可以制成非发泡的弹性体、纤维、涂料和粘合剂等;与玻纤或碳纤亦或天然纤维结合,可以制成强度高、重量轻的复合材料。得益于优异的使用性能和加工性能,聚氨酯广泛地应用于含汽车在内的众多细分市场。

反应注射成型,即RIM工艺,是聚氨酯成型的一个重要途径。与热塑性注射成型的物理过程不同,RIM工艺的核心是两种不含任何溶剂的液体组分通过化学反应固化成型。在RIM工艺中,多元醇和异氰酸酯这两种液体组分首先在混合头内混合均匀,然后从混合头射出,射出的低粘度液体混合物经浇注口进入模具,在模内发生化学反应并固化成型。聚氨酯RIM成型工艺在汽车行业的应用很多,典型的应用如方向盘、座椅、头枕、仪表板及各种类似真皮的包覆件等内饰件,各种减振隔音的软泡制品如发动机罩盖,各种线束、密封,以及保险杠、扰流板等外饰部件。

与热塑性注射成型工艺的二次注射过程相同,通过RIM工艺,可以直接在模内实现聚氨酯与其他基材或骨架材料的二次注射,以复合成型为一个产品。利用聚氨酯的高度可设计性及其他优异性能,完全可以达到改善产品外观或使用性能的目的。在汽车内饰应用方面,一个经典的案例是Recticel公司使用ROM(Reaction injection OverMolding)工艺生产的手套箱盖板。首先,将已成型的注射骨架件定位于后模,合模,并向由骨架与前模构成的模腔内注入双组分的聚氨酯,待聚氨酯固化后开模完成模内涂装。在此过程中,模腔的间隙定义了聚氨酯涂层的厚度,前模表面的皮纹定义了手套箱盖板的外观纹理。采用ROM工艺制成的手套箱盖板,其颜色与车内其他内饰件外观匹配,具有逼真的纹理和质感以及舒适的软触感,外观极具价值感。凭借聚氨酯材料出色的耐刮擦性,产品在整个生命周期内都能保持始终如一的良好外观。下面将要介绍的SkinForm工艺,其技术基础与ROM工艺相关。

如果在ROM工艺中使用透明聚氨酯作为涂层材料,模具表面作镜面抛光处理,则可以在产品表面创造出高光透明的涂层效果。这项应用被克劳斯玛菲称为CCM (Clear Coat Molding) ,亨内基称之为CLEARRIM,瑞士易硕腾公司 (Isotherm AG) 则直接称之为clear coat molding technology,这也是本文重点介绍的一步法工艺的技术基础。

CCM工艺的起源可以追溯到20年前德国睿普公司(Rühl Puromer GmbH,以下简称睿普)同克劳斯玛菲共同开展的一个前瞻性研发项目,最初的应用背景是取代当时广泛用于汽车行业真木内饰件的多道喷涂工艺,以便为行业提供一个生产过程环保、产品低VOC排放的新工艺。2001年,研发成果首次在德国K 展上成功展出,并很快开始尝试用于量产项目。由模内反应性涂装工艺形成的涂层,厚度均匀可控。该生产工艺环保,良品率和生产效率均明显高于多道喷涂工艺,现已成为生产真木内饰件透明涂层的主流方法。CCM工艺的发展,为克劳斯玛菲的ColoForm工艺奠定了坚实的基础。

一步法工艺溯源

今天大家熟知的一步法工艺,可以追溯到2004年克劳斯玛菲在德国K 展上展出的SkinForm工艺。得益于同时拥有注射成型和反应注射成型技术,克劳斯玛菲率先将热塑性注射成型与反应性注射成型整合到同一工艺步骤中,使得注射件的成型与表面涂装在同一套模具中实现。如图2所示,展会期间,克劳斯玛菲使用睿普的puroskin@发泡聚氨酯材料,在配有平移模具机台的KM 160-750 CX注射成型机上,现场演示了SkinForm工艺,生产的产品为汽车安全带扣罩板。在该部件上,PU发泡涂层的厚度设定在0.8~4.0mm之间,不仅提供了不同舒适度的表面触感,而且耐磨性极高,可以确保良好的表面外观长期保持。实际上,SkinForm工艺可以被认为是对热塑性注射成型与ROM工艺的集成,它将两个完全独立的工序整合到同一模具中予以实现,大大提高了生产效率。鉴于积极的市场反馈,克劳斯玛菲在2007年的K展上展出了第二个SkinForm项目:使用水平旋转的模具机台,现场生产Skoda汽车门饰板,所用基材为PC/ABS,并以3种不同颜色的puroskin@发泡聚氨酯材料,创造了3色的真皮外观和触感表层,辅以激光切边单元,将表面涂装和复杂的后续工序完全整合在一起,形成完整的汽车门饰板自动化生产模块,引起了极大关注。同年,第一个Skinform量产项目问世,产品是一款用于奔驰系列的三维造型的头枕罩盖,其与真皮极其相似的外观和质感以及舒适的软触感,使之与真皮包覆头枕和车内其他内饰件完美地融为一体。随后的两三年间,陆续有多个SkinForm量产项目落地,包括宝马5系的手套箱盖板、John Deere拖拉机的B柱等。

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图2 SkinForm产品表面具有真皮的外观和手感,兼顾产品外观品质与生产成本优势,与类似效果的工艺相比,是性价比最高的选择。从左至右:在2004 K展上展示的安全带扣罩板,在2007 K展上展示的Skoda车门内饰板,以及用于奔驰系列车型的三维头枕罩盖(图片来自Rühl Puromer GmbH)

使用SkinForm工艺对标的产品主要是使用发泡聚氨酯材料为表皮、产品表面具有真皮外观和手感的产品,如ROM产品或者聚氨酯喷涂表皮。用于SkinForm的反应性注射设备与常规的高压发泡机类似,工艺过程必须喷涂脱模剂以保证聚氨酯顺利脱模和连续工艺的实现,这也不可避免地影响了节拍时间,但从产品整体外观品质和生产成本综合评估,在同等条件下,与现有类似效果的工艺相比,SkinForm是性价比最高的选择。

一步法工艺的发展

随着SkinForm的问世和多个量产项目的落地,业内敏锐地意识到这种高效一体化的成型工艺的应用潜力,并将目光聚焦于极有价值感的高光表面应用,如钢琴黑表面,试图通过将高光表面涂装与注射成型整合在一起,来逐步取代不断面临环保压力的喷涂涂装工艺,并利用模内注射成型的特点,完成更多喷涂工艺无法实现的表面设计效果。

2009年,Engel携手亨内基推出了clearmelt工艺,将亨内基的CLEARRIM工艺完全整合到其注射成型单元中。如图3所示,在Engel-Symposium 2009活动期间,该公司使用e-motion 1340/280 T设备,结合装饰性薄膜和透明聚氨酯涂层,生产出了不同颜色和外观效果的汽车内饰件,通过不同装饰膜的切换,极为方便地实现了木纹、碳纤和钢琴黑等不同的外观效果。在2011年的德国FAKUMA展会上,该公司展出了HMI人机界面应用,这是一款集成了触控功能、具有钢琴黑外观的汽车中控台,在注射成型骨架前,先将电容薄膜嵌入模具,在注射环节,薄膜与骨架复合后成型并一同移至第二模腔,注入聚氨酯,完成模内涂装。产品表面涂层均匀平整,无任何熔接痕和流痕。该应用在2013年的广州国际橡塑展上再次得到展出。在2017年的FAKUMA展会上,Engel演示了SUV D柱的生产过程,其亮点是当年亨内基推出的用于快速颜色切换的MULTI-CONNECT技术。每种颜色单元被设计成带有独立混合头的移动模块,切换颜色时,只需在不同的移动模块之间切换即可,这样,无需清洗料桶,就能便利地在线创造不同颜色的彩色涂层。

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图3 clearmelt工艺的应用案例,从左至右:在Engel-Symposium 2009活动期间生产的汽车内饰件,在2011年的德国FAKUMA展会上展出的HMI人机界面应用,在2017年的FAKUMA展会上演示生产的SUV D柱(图片来自ENGEL AUSTRIA GmbH)

同一时期,克劳斯玛菲也将自己的CCM工艺与注射成型工艺整合在一起,并在2010年的K展上发布了ColorForm技术,现场演示的是一款工具箱的生产过程。如图4所示,工具箱表面的蓝色高光部分是采用聚脲、通过反应性模内涂装工艺实现的。在2013年的K展上,克劳斯玛菲展示的样件集成了背光功能,通过使用黑色涂层和透明涂层对上下两部分同时进行模内涂装,获得了精准清晰的表面分界线,令模具表面的精细结构和细节完美地复制到产品表面上。尽管涂层材料在模内流动时有分流和重新汇聚的行为,但最终获得的涂层依然均匀平整,无任何熔接痕和流痕。在2016年的K展上,克劳斯玛菲采用当年推出的3组分混合头技术,演示生产了车门内饰板装饰条:色浆作为独立的第三组分同时进入混合头,令快速切换颜色成为可能,无需清洗料桶,即能方便地在线创造出不同颜色的彩色涂层。

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图4 ColorForm应用案例,从左至右:在2010 K展上展示的工具箱,在2013 K展上展示的样件集成了背光功能,在2016 K展上展示的车门内饰板装饰条(图片来自KraussMaffei Technologies GmbH)

自此,Engel和克劳斯玛菲在多个国际性展会上多次展示各自的clearmelt工艺和ColorForm工艺,以及相关的技术创新(如快速在线切换表面涂层颜色)和前瞻性的应用案例,应用也从内饰件扩展至外饰件,从单纯的装饰件扩展至兼具颜值和功能的智能表面。在最能反映行业发展和未来趋势的德国K展上,每年都有不同的一步法工艺展出,常常是多个厂家在不同展台同时献技,这也从另一个侧面折射出市场和业内对一步法工艺的认同不断提升,对后续的应用和发展充满了期待。

2016年,瑞士Weidplas公司开始使用ColorForm工艺为量产的全新标致3008 SUV生产A柱饰条,这一量产项目也为广东泰安模塑科技有限公司(以下简称泰安模塑)决定在国内引入ColorForm工艺和设备提供了积极的参考依据。在2019年的K展上,伊之密携手德国Frimo公司和GK CONCEPT公司推出了低成本的一步法工艺ReactPro,德国库尔兹公司也演示了一步法工艺与薄膜技术完美结合的IMD PUR工艺。

与之前的SkinForm工艺相比,以ColorForm和clearmelt为代表的一步法工艺,其本质区别是所使用的表面涂层材料不同,以及由此引发的对采用第二注射单元的加工设备的要求不同。SkinForm使用发泡类聚氨酯材料,设备的基本结构与普通发泡机无异,产品对标对象是具有真皮外观和软触感的表面。尽管各种产品表面皮纹深浅和外观颜色各有不同,但加工过程中喷涂脱模剂都不会对产品表面带来不可接受的负面影响。而一步法工艺使用的涂层材料为不发泡的聚氨酯,产品对标对象是高光表面,无论透明涂层还是彩色涂层,任何微小的气泡和表面瑕疵都无法接受。为避免液体组分混入气泡,料罐需要施以负压,设备通常配置小流量混合头,以助于注射过程的模腔排气。同时,对计量精度、混合效果、设备各个单独功能环节及其整体稳定性的要求也远高于普通发泡机。目前,可以满足这些要求并已成功用于一步法工艺的设备屈指可数,主要有:亨内基的STREAMLINE和COLOURLINE系列、克劳斯玛菲的RimStar Flex 和 RimStar Nano系列以及瑞士易硕腾公司的PSM 90系列等。此外,由于使用一步法工艺成型的产品对标对象为高光表面,如果在加工过程中喷涂脱模剂,会影响表面光泽度,这是无法接受的。因此,适用于一步法工艺的涂层材料必须自带脱模功能,而高效可靠的自脱模功能,特别是在量产条件下的表现,又直接决定了使用一步法成型项目的成败。

一步法工艺,即注射成型与模内涂装的一体化技术,涉及多个以前互不关联的专业领域,除了热塑性注射成型机和RIM设备外,材料选择和模具技术也对项目的成败起着至关重要的作用。设备、材料和模具这3个独立的基本要素相互作用、相互影响,有效合理的相互配合,是项目成功的基本保障。


有关材料、模具和展望方面的介绍,敬请关注后续报道——热塑性注射与反应性模内涂装相结合的一体化成型工艺(下)。


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