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)

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:2021-03-30
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。

在“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)”中,详细介绍了聚氨酯和模内涂装工艺、一步法工艺的发展历程,以及它们所需的设备情况。下面,将重点介绍一步法工艺所需的材料和模具,以及可能实现的表面设计效果。

材料

一步法工艺使用的基础原料是作为骨架材料的热塑性树脂和作为表面涂层的热固性树脂,此外,根据产品的结构设计,还要用到与表面涂层相匹配的色浆、装饰性薄膜和功能性薄膜。下面分别介绍典型的骨架材料和表面涂层材料。

目前,用于一步法工艺的表面涂层材料仅限于聚氨酯和聚脲。与聚氨酯使用多元醇作为原料不同,聚脲是异氰酸酯与多元氨基聚合物反应形成的聚合物。由于氨基组分的极高反应活性,聚脲反应体系无须使用任何催化剂即可快速固化。聚脲具有优异的使用性能,如耐刮擦、耐候性好、耐化学腐蚀、防水且无VOC排放,作为防护、防腐涂层,已广泛用于建筑、基础设施、轨道交通和石化等行业。聚脲涂层通常使用喷涂或浇注的方法施工,根据工艺条件,可以在相当大的范围内按需控制涂层厚度,从薄(如百微米)到厚(如数毫米),都可以一次施工实现。在喷涂或浇注过程中,特别是在室外施工条件下,聚脲反应体系的快速固化特点无疑是一大优势,几乎可以在成膜的同时完成固化,1min即可达到使用强度。与聚氨酯相比,聚脲的另一个不同之处是具有自动脱模性能,在RIM工艺中,无需使用脱模剂即可脱模,产品表面无需任何后处理即可满足要求。这些优势,使得聚脲在一步法工艺发展的初期成为涂层材料的优选方案。但是,快速固化的特点也使聚脲反应体系在一步法工艺应用中,对工艺条件提出了一定的要求。鉴于聚脲反应体系有限的可加工时间,也称开放时间(即两个反应性组分混合后,混合体系的粘度因化学反应而大幅增加,导致无法流动的时间),混合后的聚脲材料必须以相对大的流量快速注入模腔,以防止出现模腔尚未充满,混合体系已开始固化。然而,对于结构复杂的产品表面,要求涂层材料能以小流量慢速推进的方式注入,以利于模腔排气,从而获得符合设计要求的外观效果。此外,对于超大尺寸或具有超厚涂层的产品,如3D造型的表面效果,涂层材料的用量会相应增加,而选用聚脲作为涂层材料,会给工艺优化带来挑战。为解决“由聚脲材料体系的快速固化特性而可能引起工艺参数优化受限”的问题,聚脲材料供应商们必须从反应性氨基聚醚组分入手,尝试在不影响固化后材料性能的前提下,降低氨基聚醚组分整体的反应活性,以达到延长开放时间的目的,而非像聚氨酯材料体系那样,仅仅通过增减催化剂含量就可以非常灵活地在大范围内精准调控材料体系的开放时间。

一直以来,聚氨酯材料供应商也在不断完善自己的材料体系,以便更好地满足一步法工艺的要求。一步法工艺发展初期,聚氨酯涂层材料因缺乏与热塑性骨架材料注射环节相匹配的快速固化特性以及高效可靠的自脱模功能而使其应用受到限制,现在,这些问题已得到完美解决,聚氨酯材料适应一步法工艺要求的加工性能已成功地通过了实际量产应用的检验。随着聚氨酯材料的不断进步与完善,其使用性能已达到德国汽车行业对内饰件和外饰件的技术要求,加之不受限制的工艺优化特性,使其得到了越来越多的肯定和认可,后续以聚氨酯为涂层材料规划的一步法量产项目的实现指日可待。

目前,德国的Panadur、Votteler和Rühl(睿普)公司,均有能力提供用于一步法工艺、符合汽车行业要求的表面涂层材料。3家公司均为典型的德国中小型企业,从员工人数来说,Votteler的规模最大,睿普次之。Panadur成立于2009年,位于德国东部城市Halberstadt,专营以聚脲为基础原料的涂料业务,主要涉足建筑和汽车行业,曾作为合作伙伴参与过多项由克劳斯玛菲主持的ColorForm展会项目和客户项目,同时也为2016年第一个ColorForm的量产项目(生产全新标致3008 SUV的A柱饰条)提供了配套的涂层材料。Votteler是一家在涂料行业享有盛名的供应商,位于斯图加特附近,有着逾百年的历史,主营溶剂型喷涂涂料,应用涵盖家具、汽车、游轮和游艇内饰件等。可查的信息显示,Votteler从2001年开始进入聚氨酯反应注射领域,经过20年的技术积累,目前已有能力提供用于一步法工艺、符合汽车行业要求的聚氨酯表面涂层材料。针对一步法工艺要求的自动脱模性能,除了使用内脱模剂这一解决方案外,Votteler还通过在模具表面制造防粘涂层来实现自动脱模。虽然这一方案已在一步法工艺中得到成功应用,但这种防粘涂层的长期可靠性和使用寿命尚有待量产项目的实际检验。

不同于涂料供应商Panadur和Votteler,睿普是一家聚氨酯组合料的专业供应商。该家族企业创建于1946年,位于法兰克福附近,专营各种用于反应性注射的聚氨酯材料,在汽车轻量化和表面应用方面处于全球领先地位。2018年,睿普在德企之乡太仓设立了全资子公司,为国内客户提供本地化的材料供应和相应的技术服务。凭借在聚氨酯专业领域逾60年的技术积累,睿普可以从材料配方的优化、模具设计、加工工艺以及设备使用和维护方面,全方位、多领域地为客户提供增值服务。睿普不只提供聚氨酯材料,还提供成型技术和完整的解决方案,这也是其核心竞争力的基础。2013年,睿普成功地推出了用于反应性模内涂装工艺CCM的第二代聚氨酯材料:puroclear@自修复涂层,即含有内脱模剂的聚氨酯,并陆续用于多款量产车型,包括奔驰S、E、C系列和GLE,宝马5系、X5和X7,Volvo S90、V90和XC90,Cadillac Escalade和Bentley Bentayga等。这些用于量产项目的聚氨酯材料以可靠高效的自脱模功能,完全满足了一步法工艺的要求。2017年,睿普德国技术中心引入了一步法工艺设备和匹配的试验模具,开始为客户提供全面的服务,包括项目可行性评估、材料认证、制样,以及使用客户的模具制样等,从而进一步巩固了其在一步法工艺技术方面的竞争优势。

在一步法工艺中,表面涂层材料承担着产品的外观颜值和防护功能,如各种色彩效果、3D表面造型、耐刮擦、耐候性和耐化学性等,而作为骨架材料的热塑性树脂,则需要满足产品应用场景的各种核心使用性能要求。适用于一步法工艺的骨架材料首先必须保证与表面涂层之间具有足够的粘接力,能够满足终端应用的技术要求。通常,具有极性表面的热塑性材料与聚氨酯和聚脲的粘接力都很好,如PA、PC、PMMA、ABS、ASA、SAN和TPU等以及它们的共混物如PC/ABS等。但非极性热塑性材料,如PE和PP,由于与涂层材料缺乏足够的粘接力而无法直接用于一步法工艺,但经表面活化处理后,比如采用等离子体或火焰处理后,这些非极性材料与聚氨酯材料的粘接力大幅提升,可用于一步法工艺,睿普多年前参与的一个研发项目也证实了该方法的可行性。然而,如何将表面活化处理工艺合理有效地集成到现有的一步法生产单元中,并在可以接受的时间内完成对注射件表面的活化处理,令注射、表面活化和模内涂装这3个独立的步骤协同运行,尚需要用户与相关的设备厂商共同探讨和实践。

随着终端市场对一步法工艺关注度的提高,越来越多的热塑性材料供应商,如AKRO-Plastic、科思创、Ineos Styrolution、SABIC和Trinseo等,都不同程度地介入一步法工艺,为此提供热塑性骨架材料。在保证核心使用性能的前提下,如何保证并改善骨架材料与涂层材料的粘接力,是热塑性材料供应商需要应对的首个挑战。热塑性材料同涂层材料的粘接力首先由其化学结构决定,不同种类的热塑性材料,粘接力会有明显的不同。但即使是同类材料,甚至来自同一厂家,因组分设计和加工工艺的差异,以及所用助剂的种类和用量的不同,其在粘接力方面的表现都会有所不同。此外,在选择一步法工艺所需的配对材料时,还需要同时考虑两种材料之间不同的收缩率,二者的收缩率差异越大,涂层厚度越厚,产品变形的程度就越明显。因此,在产品设计和项目可行性评估时,必须考虑这一问题并采取相应的措施。

科思创是最早进入这一应用领域的热塑性材料供应商。早在2007年,科思创的前身、当时的拜耳材料科技就与睿普共同作为合作方,参与了克劳斯玛菲在当年德国K展上的SkinForm工艺演示,提供了PC/ABS骨架材料,用于生产Skoda汽车的车门内饰板。科思创将一步法工艺称为DC,即直接涂层技术。经过10余年持续不懈的研发和经验积累,目前科思创已建立起包括骨架材料、模具设计辅助、加工工艺和终端应用的完整技术平台,在全球多地设有直接涂层技术研发团队和DC工艺设备,并开发出多款适用于一步法工艺的材料,拥有专为反应性模内涂装工艺开发的模流分析软件,可以为客户提供模具设计帮助。位于上海的科思创技术中心成功地将瑞士Isotherm公司的PUR设备与Engel的注射成型机集成为一体化的生产单元并运行一步法工艺,为客户提供含项目可行性评估、材料认证与制样,以及使用客户模具制样的全套服务。与同为材料供应商的睿普一样,科思创不仅提供骨架材料,还提供完整的成型技术和整体解决方案。鉴于一步法工艺本身的特点,各技术环节之间良好和紧密的配合是项目成功的先决条件。作为紧密关联的材料供应商,科思创与睿普两家公司共同验证并确认了多种适用于一步法工艺的材料配对,可以根据应用场景为客户推荐合适的材料组合。在2016年的K展上,该公司展出了全新设计的方向盘盖原型,其高度的功能集成和工艺难度,充分体现了科思创在DC工艺上的经验积累和全面的技术整合能力 (如图5所示) 。

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图5 科思创在2016 K展上展出的方向盘罩盖集成了多个特别适合使用一步法工艺来实现的表面特征,如3D造型,彩色和透明涂层,高光、哑光和皮纹等外观效果,触感的和谐集成,装饰膜和功能膜的有机嵌入,触控表面以及背部氛围灯效果等,左图为方向盘罩盖的局部效果,右图为整体效果(图片来自Covestro Deutschland AG)

模具

同设备和材料一样,模具同属一步法工艺的核心要素。但与设备和材料这两个通用性强、确定性高的要素不同,每个新产品、新项目都需要与之相配的新模具,这是一步法工艺中的一个变量,在一定程度上影响着产品的品质和生产成本,并可能决定项目的成败。合理的模具设计和高品质的模具制造,不仅能保障产品的品质和良率,而且能最大程度地减少浇注口和溢料口处的涂层材料消耗,提高涂层材料的利用率,降低生产成本。

一步法工艺的模具设计与双色注射的模具设计原理基本相同,第一个模腔用于注射热塑性骨架材料,第二个模腔用于表面涂层的注射,两个模腔共用同一个后模。骨架材料在第一个模腔内成型后,开启模具,模具的后模连同骨架一并相对地移至第二个型腔的位置。合模后,骨架与第二个前模构建的模腔即定义了涂层的厚度和造型。单从注射过程看,注射骨架充当了后模的功能。模具前后模的相对移动,可以借助上下或平行移动的机台实现,也可以借助固定旋转的机台实现。使用旋转机台,可以并行完成骨架材料和涂层材料的注射,相应地缩短了节拍时间,更适合大规模的工业化生产。

一步法工艺的模具与双色注射模具的最大差异在于第二模腔的设计。在一步法工艺中,第二射使用的是粘度极低的聚氨酯或聚脲材料。为有效防止溢料并保证连续的生产过程,模具的封闭必须在热塑性材料的骨架上完成,而非像双色注射那样,可以通过前后模金属对金属的封闭来实现,这也意味着某些产品的设计无法通过一步法工艺来实现。通过前后模金属之间的封闭,可以有效规避这一限制,目前也有成功的尝试,期待通过量产项目进一步验证这种设计的可靠性。

在欧洲,有多家模具厂商不同程度地参与过一步法工艺的技术开发和市场化进程,具有代表性的是Hofmann和Schöfer两家公司。Hofmann是一家成立于1958年的德国家族企业,现有员工400余人,业务涉及含汽车在内的多个工业领域。Hofmann曾为SkinForm量产项目设计制造过模具,从2009年起,作为合作伙伴参与过多个由克劳斯玛菲主持的ColorForm展会项目和客户项目,同时也为2016年第一个ColorForm的量产项目(全新标致3008 SUV的A柱饰条)提供了配套模具。Schöfer是一家成立于1990年的奥地利家族企业,与Engel总部同在奥地利的小城Schwertberg,现有员工170余人。Schöfer专注于精细和特色模具的设计与制造,同时也使用薄膜注射成型工艺为汽车行业供应内外饰件。2009年,Schöfer为clearmelt技术设计并提供了第一套模具,自此,参与过多个由Engel主持的clearmelt展会项目和客户项目。2012年,Schöfer在自己的技术中心引入clearmelt设备,开始为客户提供全方位的服务,设计并制造适用于一步法工艺的模具。2018年,德国库尔兹公司收购了该公司的部分股权,正式将Schöfer纳入旗下,从此拥有了更多的一步法工艺资源。

泰安模塑是国内引入ColorForm技术和设备的第一家企业,主营模具和汽车内外饰部件的设计与制造,作为克劳斯玛菲的合作伙伴,共同推进了ColorForm在中国的市场化进程。该公司现有克劳斯玛菲2016年推出的紧凑型GXW 650-2000 ColorForm设备,搭载模具旋转机台和3组分混合头,可以快速实现不同涂层颜色之间的切换。泰安模塑拥有成功设计并制造多套ColorForm模具的经验,不仅可以为客户提供全方位的服务,设计并制造适用于一步法工艺的模具,而且有条件使用ColorForm工艺为客户生产高品质的ColorForm产品。

2019年,伊之密开始介入一步法工艺的应用,与德国Frimo公司合作,推出了名为ReactPro的聚氨酯与注射成型一体化的成型设备和工艺。ReactPro工艺的独特之处在于,伊之密与其合作伙伴德国模具设计公司GK CONCEPT推出的低成本InPUR“1+2”模具技术,该技术采用机械手取件的方式,将一步法工艺中第一个环节成型的注射骨架件直接取出并移至第二个模腔中以注射表面涂层,从而取代了ColorForm和clearmelt工艺使用的平移或转台技术。如图6所示,在2019年的广州国际橡塑展上,伊之密现场生产的发动机罩盖样件,通过选择性地利用反应性模内修饰技术,在部件的中间部分创造出了钢琴黑的外观效果。虽然这种设计效果可以借助双色注射、然后使用清漆涂装的方式实现,或者,将发动机罩盖分拆为两部分,分别通过不同的注射或涂装工艺来获得所需的外观,然后在背部通过焊接将它们组装成完整的部件,但缺点是,引入了物理缝隙。因此,无论是产品的外观品质,还是综合生产成本,上述两种方法都无法达到一步法工艺所能达到的水平,也无法100%地满足设计要求。而使用一步法工艺生产该部件面临的挑战是,必须在反应性模内涂装环节,将浇口和溢料端安置在注射骨架件的背部,这在过去未曾有过尝试。在ReactPro工艺中,将注射骨架件取出并放入第二个固定的后模之中,这一过程恰好为PUR混合头在固定后模中的安放提供了便利条件。通过将涂层材料的浇口和溢料端置于注射骨架件的背部,然后从背部注浇涂层材料,真正实现了低成本和高品质的最佳结合。另外,从背部浇注的模具设计,使得产品在出模后无需切除浇口和溢料,这给成型厂商带来了极大的便利。总之,InPUR“1+2”模具技术不仅为采用此类设计的产品提供了最佳解决方案,也为一步法工艺的模具设计拓宽了思路。

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图6 采用伊之密ReactPro工艺制造的发动机罩盖(正面和背面),从背面可以识别出浇注口和溢料端(图片来自广东伊之密精密机械股份有限公司)

国内另一家涉足一步法工艺模具制造的企业是天津岐塑科技有限公司(以下简称岐塑科技)。作为日本多田精机在华的合资企业,岐塑科技将多田精机创新的“单纯依靠模具成型实现立体花纹”的技术引入中国,借助自身精于表面造型和花纹设计的优势以及对不同材料相互作用和颜色合成的深度理解,推出了µ-touch技术并获得了中国专利授权。如图7所示,该技术结合聚氨酯反应性模内涂装工艺,无需使用膜片即可实现颜色丰富、结构各异且具有清晰立体感的表面效果。在一步法工艺的第一个注射环节,借助模具表面的花纹和精细结构,在成型骨架的同时,即可获得产品设计所要求的花纹和表面结构,如几何图案、碳纤或木纹等效果;在第二个模内涂装环节中,PUR涂层对骨架表面的花纹和结构施以有效保护,同时强化表面真实的立体感。与INS等膜片注射工艺相比,二者各有优势和局限,可以根据产品外观设计和技术要求选择更适合的工艺。µ-touch模具技术与一步法相结合的工艺过程紧凑高效,通过模内涂装这个主动成型环节,可以非常方便地构建某些使用膜片技术难以实现的复杂的表面结构或棱角曲度以及局部的3D立体效果,提高了产品外观设计的自由度。与之相比,膜片借助印刷工艺可以实现多色彩效果,且可以随时通过切换膜片,赋予同一注射产品不同的外观,更有利于产品外观的多样化设计。

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图7 µ-touch模具技术与表面透明涂层相结合的应用案例(图片来自天津岐塑科技有限公司)

一步法工艺可能实现的表面设计效果

下面,结合睿普参与过的3个项目,进一步与大家分享一步法工艺所能达到的与众不同的表面设计效果

采用一步法工艺,许多过去难以实现或完全无法实现的外观设计,可以非常便利地通过相应的模具设计得以实现,无论是各种不同外观效果在同一表面的自由组合,还是具有晶莹剔透水晶般立体效果的3D表面,以及各种使用功能和外观装饰功能集成的智能表面。随着一步法工艺市场化进程的深入,相信会催生一批全新、与众不同的设计理念,并使极度精细复杂的结构化设计得以实现。

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图8 一款汽车中控的局部表面效果(图片来自Rühl Puromer GmbH) 

图8所示是一款汽车中控的局部表面效果,其特点是,表面的一部分是高光效果,另一部分是哑光效果,这两个相邻部分之间有非常清晰的隔断。使用一步法工艺,只需在模具表面相应地制作高光和哑光部分即可,而且隔断部分的宽窄和深浅都可以自由定义。如果使用普通的喷漆工艺,需要采用遮盖方式,分别喷涂高光漆和哑光漆,其难度较大,而且无法达到一步法工艺所能实现的清晰隔断和美观效果。另一种方法是,将部件分成两部分,分别喷涂高光漆和哑光漆,然后通过背部焊接将它们组装成一个产品,这会引入物理缝隙,同样无法达到一步法工艺所能实现的清晰可定义的隔断和美观效果。显然,针对这个样件,一步法工艺无疑是兼具品质优势和综合成本优势的解决方案。该样件的另一个特征是左右分布的两个圆孔。作为涂层材料,聚氨酯具有非常低的粘度和优异的流动性,这使其在反应性模内涂装环节中,不会因孔洞或其他对材料流动有影响的表面造型而形成熔接痕和流痕,同时也无需考虑流长比问题,从而极大地提高了产品表面造型和外观效果的设计自由度。因此,使用聚氨酯模内涂装工艺可以非常便利地实现多种前沿的设计理念。

德国库尔兹公司开发的IMD PUR工艺,是模内转印工艺IMD与聚氨酯反应性模内涂装工艺相结合的双重表面修饰工艺,也可以认为是嵌合膜片的一步法工艺。该工艺将IMD和PUR反应性注射工艺的优势集于一体,在一个连续的生产过程中,先通过常规的IMD工艺完成注射件的2D表面装饰,随后以此为后模,在第二模腔内注入聚氨酯材料,以实现具有纵深感的3D表面效果。如图9所示,在2019年的德国K展上,库尔兹首次展出了IMD PUR工艺,利用一台集成了亨内基PUR设备的Engel Duo 2460/900注射成型机,对一个汽车前面板进行了双重表面装饰,展示了IMD PUR工艺所能达到的与众不同的设计效果。一年后,Engel通过主题为live e-xperience的线上展会,演示了IMD PUR工艺。Engel选取同一面板,使用睿普第二代聚氨酯表面涂层材料,以更短的节拍时间完成了这一连续的生产过程。该前面板具有单一图像设计,呈现黑色到蓝色的渐变效果,内部结构从PUR涂层深处浮现,充分彰显出精致奢华的外观设计与现代科技感的完美结合。

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图9 库尔兹在2019 K展上首次展出的IMD PUR案例(图片来自LEONHARD KURZ Stiftung & Co. KG)

图10所示是通过一步法工艺/Polyform 3D技术实现的功能集成样件,它集成了带有触觉反馈功能的触控开关、显示屏以及高度可设计的表面效果,属智能表面的HMI应用。用于生产演示的原型机由瑞士abatek公司和瑞士易硕腾公司联合开发,该原型机也为后续量产宾利SUV的车钥匙提供了技术基础。一定程度上讲,该样件与前两个案例有相似之处:其表面分为高光区和哑光区,二者之间有清晰的分界线,触控开关处构成明显突起的3D效果,这些,通过使用一步法工艺可以非常便利地实现:采用印刷技术,将白色的标识部分和黑色的底色准确定位于TPU薄膜上,先通过背部注射使骨架材料与印有开关标识的TPU薄膜复合在一起,再作为一个整体进入第二膜腔,注入透明聚氨酯,从而在TPU薄膜表面形成具有造型和保护功能的涂层。聚氨酯涂层的自修复功能和表面整体防水特性,进一步强化了这种保护功能。随着智能表面在汽车和多个领域应用的增多,相信一步法工艺会有更大的应用空间。事实上,各种市场反馈也证实了这一发展趋势。

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图10 采用晶莹剔透的聚氨酯涂层,可以轻松地赋予表面高光或哑光效果,涂层造型和厚度可以按需设定,以获得满意的深度效果。睿普的puroclear@自修复涂层材料依靠自修复功能,提供了高度的耐刮擦性。该样品全封闭、无缝隙,防水并满足耐候要求(图片来自Rühl Puromer GmbH)

结语

无论是汽车、消费电子,还是家用电器,亦或家居,几乎在日常生活的每个领域,消费者对产品外观的要求都越来越高,产品的外观品质直接影响着消费者的购买欲望和购买决策,而这正是一步法工艺的优势和切入点。个性化的表面设计,色彩丰富、科技感强、外观简洁且功能强大,这些,都可以通过一步法工艺实现。作为一个技术层面上已经相当成熟,商业上尚处于市场化初期阶段的新工艺,一步法工艺后续的发展和应用前景值得期待。智能表面在汽车和多个领域应用的与日增多,将直接推动一步法工艺的市场化进程。一步法工艺的应用重点将不再是取代喷漆涂装,而是更多地发挥其表面可设计和功能可集成的优势,将HMI人机交互解决方案作为未来的应用重点,例如,实现氛围灯背光设计的平滑表面,使用触摸和手势即可操控的人机界面,拥有时尚外观和隐藏操作功能的家用电器等。有理由相信,一步法工艺将迎来广阔的发展空间。 


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