Surface-RTM技術探析

魏秀賓

摘 要：Surface-RTM技術具有顯著效益的復合材料表面升級技術，通過對surface-RTM的技術介紹，技術優勢、涂層材料與設備的支持狀況進行分析，探析技術的開發現狀，提出進一步開發的建議。

關鍵字：Surface-RTM;Puroclear? 涂料;CFRP

中圖分類號：TB332 ?文獻標識碼：B ?文章編號：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已成為量產碳纖維復合材料（CFRP）汽車部件的主要工藝，CFRP表面涂裝耗費的時間和費用在制造成本中占居相當大的比重，在經濟效益和環境保護需求下，采用模內涂裝技術，即部件脫模后直接作為外飾件，或無需處理即可噴涂面漆。這種技術在量產的汽車行業，非常具有成本競爭力和市場前景。

德國Krauss Maffei，聯合多家公司合作開發此項技術及配套設備，以無溶劑型聚氨酯（PU）為表面涂料，采用在HP-RTM閉合模具內二次注射方式，使部件獲得無缺陷的高光澤A級表面，脫模后可直接使用或直接涂裝面漆。在德國杜塞爾多夫K展上現場演示了HP-RTM結合表面涂裝技術，即surface-RTM技術，取得了非常積極的反響。

2 Surface-RTM技術概述

Surface-RTM 是在木材模壓裝飾技術（CCM）和注射件涂裝技術（ColorForm）基礎上，結合CFRP 部件HP-RTM技術發展而來的。

工藝過程包含兩次液體材料注射，如圖1所示：

（1）纖維預制體（Preforming）放入HP-RTM模具中，閉合模具，將型腔抽成真空。設置間隙提升上模，在上模正面用第一套注射系統一次低壓注射自動混合的樹脂，高壓閉模將樹脂壓入稀松預制體中，使碳纖維完全潤濕。

（2）經過短暫反應樹脂固化。上模設置間隙提升，使部件下表面與下模表面形成真空空腔，從下模側面用第二套注射系統二次注射自動混合的聚氨酯（PU）涂料。

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

目前CFRP在德國汽車行業已有量產應用（BMW i3等），surface-RTM 技術在多個部件上展開了應用預研，涉及原材料、工藝、涂層材料認證等。隨著技術積累，在產業化方面將會有實質性突破。

2015北京SAMPE會展上Henkel首次在中國通過雷丁Roadster R1跑車頂棚展示了surface-RTM技術。隨后上海國際復材展上CHOMARAT展出了這款部件。

2017年國內企業自主設計研發的CFRP超跑車門外板憑借Surface-RTM技術榮獲了“年度交通運輸領域復合材料技術創新一等獎”。

3 Surface-RTM技術的優勢

HP-RTM量產CFRP汽車部件，所用樹脂無論是環氧還是聚氨酯體系，表面都無法滿足耐候性要求，因此HP-RTM成型的外飾件，無論表面是否達到A級，都要進行涂裝。典型涂裝包含以下5道工序：

（1）預處理：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

3.1 surface-RTM替代預處理與底涂，簡化面涂

部件脫模后表面呈獻無缺陷的A級表面，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。

需要整車配色的部件，將與汽車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色澤的抗UV面漆。

為了支撐這項技術，德國Rühl PUROMER公司專門開發了PU涂料，牌號為：puroclear?，其對面漆無特殊要求，可以采用汽車常規面漆，與面漆的粘結性能通過了德國標準漆層粘接性能測試（cross-cut test）。

3.2 surface-RTM替代全部涂裝工序

這是surface-RTM技術的最大亮點，用PU涂層作為最終面層，實現部件不噴漆直接使用，前提是PU涂層要符合外飾件的認證標準，其中抗UV是一大挑戰，這方面Rühl PUROMER公司研發有了積極進展，但還沒完成全部外飾認證。

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

4 Surface-RTM關鍵材料的支持狀況

Surface-RTM關鍵材料為表面涂層，目前參與技術開發的項目所用的基本都是德國Rühl公司的puroclear?。

4.1 puroclear? 材料的性能特點

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，按工藝要求可調節開放時間（5-300s）、預熱溫度和固化溫度。

Puroclear? 涂層符合德國汽車工業的嚴格要求，已通過VOC/FOG、耐熱老化、熱光老化測試、氣候變化和太陽能模擬、耐化學性和耐劃傷性等測試。主要特點和性能如下：

基本特點：

①流動性好，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，無需表面處理;

③光穩定、無色透明、透光性類似玻璃（>92%）;

④自脫模性高，次數可達1500次，期間無需外脫模劑。

物理性能：

①自修復性帶來高耐刮傷性和耐磨性（可選）;

②表面硬度可調（邵氏硬度70A-88D）;

③涂層厚度可調，涂層壁厚跨度從1mm - > 100mm;

④顏色可調;

⑤如有需要，允許表面拋光處理。

化學性能：

①對多種塑料，木材、復合材料和金屬材料表面具有優異的附著力;

②具有良好的抗紫外性，耐化學性和耐熱老化性;

③已通過交替性氣候測試;

④排放量比德國汽車工業標準低40%-50%;

⑤具有使用耐久性。

加工特性：

①適用高壓和低壓設備，加工溫度較低（60℃或60℃以上）;

②使用節拍時間短（可短于1min）;

③可用于具有復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無需后期處理;

⑥可在一個工序內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，自愈性材料無疑是一個很好的選擇。用4H鉛筆測試，puroclear?涂層上的劃痕在室溫下短時間內會自動消失。而金屬漆在同樣條件下會留下永久性劃痕。對于沒有抗UV要求的汽車內飾件，自愈性在奔馳S級跑車方向盤有了成功的案例。

使用自愈材料作為汽車外飾件面層，改善CFRP外飾件耐刮傷性能，將成為Surface-RTM技術開發的又一個具有前瞻性的亮點。

5 Surface-RTM設備現狀

目前Krauss Maffei已開發了較為成熟的HP-RTM和surface-RTM注射設備，

樹脂系統和涂料系統混合由兩套RimStar Nano定量配料機配制。RimStar Nano的計量泵是耐磨損的自制單元，通過MK-5/8-2K 80混合頭注入模具。

系統配備真空輔助系統，和高效節能、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計量機和MK-5/8-2K 40混合頭。

surface-RTM技術難點還在于模具設計，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，在兩階段微小開啟過程中模內也抽成真空。通過有選擇的排氣控制，確保涂層不含空氣夾雜物。精密集成的傳感器對最佳模具填充進行監控并在線提供相關的部件質量信息。

該模具配備頂出系統，可用機械手和抓爪系統協助脫模。

6 結論

Surface-RTM技術作為一項模內涂裝前沿技術，相比傳統的CFRP表面噴涂工藝，有著良好的經濟效益和市場前景，目前國內HP-RTM已有產能布局，在此基礎上surface-RTM也有成型CFRP跑車部件的案例，量產經驗有待結合量產項目去進一步積累和完善。

PU涂裝材料puroclear? 其性能已開發較完善，需要同主機廠完善行業認證標準，得到行業認可，目前puroclear?涂料都由德國進口，國內CFRP企業有必要與其他涂料廠家共同開發。

Surface-RTM技術研發建議與主機廠、材料供應商、Krauss Maffei等各方合作，積累足夠的經驗，再進行產品應用推廣。

參考文獻

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[2] Kunststoffe international 2014.3.

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