HP-RTM呈上升趨勢
高壓樹脂轉移模塑（HP-RTM）已被用于寶馬（德國慕尼黑）i3和i8車型的結構復合材料零件的批量生產，被一些人視為一項新技術。對其他人來說，這只是早期RTM工藝的現代化，就像25年前用來制造道奇毒蛇零件的那樣。HP-RTM與RTM的區別是什么？Engel Austria（Schwertberg）輕型復合材料技術中心項目管理主管Matthias Mayr指出：“循環時間比標準RTM快得多。”。這種差異體現在“HP-高壓”中。相比之下，傳統的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理Slavko Karas說：“低壓RTM（在10到20巴下注入樹脂）的標準循環時間為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的關鍵，但這需要在資本和過程控制方面增加投資。據設備供應商稱，這項投資確實正在進行中。目標：集成式輕型結構，循環時間小于10分鐘。
HP-RTM的內容和時間
HP-RTM仍然包括纖維預制棒、閉合模具、壓機和樹脂注射系統，但后者現在是一個沖擊混合頭，就像20世紀60年代首次為聚氨酯（PU- polyurethane）泡沫應用開發的那樣。事實上，PU和反應注射成型（RIM-reaction injection molding）行業的計量/混合/注射供應商是HP-RTM的早期開發商之一，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）。
結構反應注射成型（SRIM-Structural reaction injection molding）使用RIM技術，但與RTM一樣，將混合樹脂注入模具中的纖維預制件中。纖維含量較低，通常高達30重量%。（HP-RTM零件的纖維重量高達75%。）在其鼎盛時期，SRIM的開發包括自動化預制件和模糊兩種工藝之間的界限。
“RTM已經存在了幾十年，”克勞斯瑪菲復合材料業務部門負責人Erich Fries說。“對我們來說，它總是HP-RTM，因為我們總是在室內使用沖擊混合，盡管大多數使用低壓RTM的公司都使用靜態和動態混合器。”
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）的聯合開發工作。該過程也在a級要求不太嚴格的重型卡車中獲得了發展動力。然后出現了一個轉折點。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上推出了其感應加熱模具作為“高速RTM”，并將循環時間縮短了50%。然后，在2008年，碳纖維生產商東麗（日本東京）在其演講《碳纖維增強塑料：汽車大規模生產下一步需要什么？》中列出了“更快循環的RTM”。然而，在所有這些工作之前，是寶馬集團，該集團在M3和M6車型的碳纖維/環氧樹脂車頂RTM方面擁有十年的生產經驗。
減少循環時間、自動化和碳纖維這三個要素是向HP-RTM轉型的關鍵驅動因素。寶馬碳纖維增強塑料技術開發主管Thomas Wolff博士解釋道：“10多年來，寶馬集團一直在M3和M6車型的車頂中使用碳纖維增強材料，出于循環時間、表面質量和工業化的原因，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方面獲得了寶貴的經驗。因此，在我們面臨從小批量生產到完全工業化生產的挑戰時，保持這一過程是有用的。”
Wolff表示，在i3和i8車身部件復雜的幾何結構中，降低成本和縮短周期是寶馬集團面臨的關鍵問題。HP-RTM還提供了生產大型復雜結構部件的潛力，如側架（見圖）。“現在，我們能夠以高質量和高工藝穩定性批量生產這些產品，將碳纖維增強塑料車身部件的制造成本降低約50%。”他指出，與屋頂生產相比，假設邊界條件和工藝鏈相同。
這種結構和幾何復雜性的增加帶來了額外的挑戰。弗里斯說：“現在，我們看到了不同的部分，纖維含量非常高。”。“這會導致模具中產生高壓，但仍必須填充型腔，因此需要高達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用中，但環氧樹脂正在取得進展。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氧樹脂和PU表現出了同等的興趣。”。“這兩種材料體系似乎都有進一步的應用潛力。”
縮短模具循環時間
寶馬集團通過致力于碳纖維和HP-RTM的影響力也體現在推動更具反應性、更快固化的樹脂方面。盡管自20世紀90年代以來，這一領域的工作一直在進行，但寶馬集團在其最初的復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環氧樹脂，從而推動了這一領域，以及選擇亨斯邁先進材料公司（得克薩斯州伍德蘭和瑞士巴塞爾）的Araldite LY 3585/Hardener XB 3458環氧樹脂系統作為i3生命模塊，該系統在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，陶氏汽車系統公司（德國施瓦爾巴赫和美國密歇根州奧本山）生產的VORAFORCE 5300環氧樹脂從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：“當然，也有固化時間為1分鐘的環氧樹脂。但它只適用于簡單的扁平部件，而不是復雜的結構部件。”。他指出，零件實際上是在3到7分鐘內生產出來的，這是零件尺寸和幾何形狀復雜性的函數。
Mayr補充道：“HP-RTM的循環時間不僅是固化時間的函數，也是從干織物開始的整個過程的函數。從這個過程中，你可以生成預成型件，將其轉移到模具中，然后開始HP-RTM工藝。”他認為，需要更大的生產工作站和更多的投資來加快整個循環時間。Fries對此表示贊同，并指出“越來越多零件的集成將增加復雜性”，因此，周期時間索賠必須被視為理想的最佳結果。
Mayr表示，整體循環時間仍然是HP-RTM開發的首要任務：“目前，成型不是工藝中時間關鍵的部分。”預成型是一個瓶頸?？椢飳拥那懈?、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，模具護理產品供應商吹噓的模具準備階段之間的模具循環次數只有在理想的加工條件下才能實現，并且在很大程度上取決于模具表面和設計。沃爾夫說，在未來改善工藝循環時間的努力中，“模具清潔等子流程的自動化具有巨大的潛力。”
壓力與預成型件
寶馬集團也認為有必要提高預成型件的滲透性。能夠使樹脂快速而容易地滲透的預成型件應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）的業務經理Sebastien Tailemite建議：“技術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，環氧樹脂的粘度更高，因此必須對其進行加熱才能獲得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成型件，導致纖維沖刷。”。
事實上，如果樹脂粘度高，預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化溫度、壓力和預成型件粘合劑配置，以避免纖維沖刷，同時減少循環時間。作為復合材料的典型代表，豐富的材料和工藝選擇使優化參數變得更加復雜。盡管并非不可逾越，但對于剛剛進入HP-RTM領域的制造商來說，所需的分析似乎令人望而生畏。
然而，寶馬集團已經精通這一優化，因此通過先進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整硬化劑來更好地流動或更快地固化而影響樹脂系統的能力。”他說，這適用于環氧樹脂和PU，盡管后者對寶馬集團已經開發的織物系統提出了一些挑戰。
Fries還指出，需要更好的工藝控制，特別是隨著產量的增長：“你必須有嚴格的工藝控制。20年前不需要這樣做，因為當時的周期太慢了，每年只有1000到4000個零件。但現在，每年有12000到50000個零件，你必須在工具、計量和注射系統之間有一個接口。”。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，我們知道沖刷的風險很高，所以傳感器使我們能夠通過真空或降低產量來管理這一問題。”
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測固化過程的介電傳感系統，如Netzsch（德國塞爾布）的傳感器，正越來越成為標準。
對于預成型件滲透性的挑戰，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成型件上。樹脂在預成型件上流動（而不是通過其長度），然后，當模具閉合時，樹脂被機械地迫使通過預成型件的厚度。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、注射設備和壓力機的供應商。“我們稱之為可變空腔幾何形狀，并在打開和關閉工具時使用可調節密封來保持真空。”他補充說，這種方法對正在試驗的天線罩來說更快，并且能夠產生高質量的表面光潔度。
表面RTM是KraussMaffei對間隙浸漬的稱呼，使用PU基質作為第一步，然后在同一工具中用PU進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。
另外兩項創新都是基于樹脂的，有望緩解人們對纖維錯位和預成型件滲透性的擔憂。第一種是熱塑性RTM（TP-RTM或T-RTM），或Engel所說的原位聚合：將預成型件放入模具中，關閉模具，將己內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秒內滲透到預成型件中，并在150°C的模腔中聚合，在2-5分鐘內形成固體聚酰胺6（PA6）復合材料。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65%（體積）。然而，它也會導致模具泄漏問題，因此在模具設計過程中需要更多的關注。
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，循環時間為5分鐘。Engel自2009年以來一直與Fraunhofer ICT合作開發這項技術，目前正在將其原型e-victory 120機器改進為第二代系統，而Hennecke和Mahr Metering Systems（德國戈廷根）已經開發出可以將己內酰胺輸送到HP-RTM工藝中的計量器/混合系統。
第二項創新是Arkema公司（法國Colombes）的Elium液態丙烯酸/過氧化物引發的熱塑性聚合物。Tailemite解釋道：“我們對HP-RTM的Elium粘度進行了微調”，以制造30000至200000件/年的結構部件。他說，注射丙烯酸樹脂和引發劑不需要加熱，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酰胺的聚合。
該樹脂設計用于美觀的復合材料零件（模量≈10-15GPa）和結構零件，玻璃纖維的模量可達20-45GPa，碳纖維的模量高達125GPa。然而，據報道，Elium的韌性比環氧樹脂高出約50%，吸收的沖擊能量是聚酯的兩倍。另一個關鍵區別是，使用Elium基材的結構部件據說比使用PA6制造的結構部件老化得更好。Tailemite說：“Arkema也生產PA6聚合物產品，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，設計師會考慮到這一點，例如，將零件的厚度增加一倍。
行業買盤
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的所有設備都使用我們的計量機器，其他原始設備制造商也紛紛效仿。”他表示，該公司正在與全球制造商進行談判，這些制造商現在包括一級供應商。
“它開始了，”Engel的Mayr說。“我們向寶馬集團蘭茨胡特工廠出售了一臺大型夾緊裝置，向英國華威大學出售了一套1700噸的v-duo裝置，并向一家墨西哥汽車行業供應商出售了第三臺機器。”他表示，其他機器已經售出，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年初運行這條生產線，目前正在全球五家原始設備制造商進行試驗。”這包括原始設備制造商測試Elium零件的A級表面、機械性能、耐化學性和抗疲勞性，以及碰撞模擬測試。他解釋道：“在汽車領域，新技術需要經過幾年的測試才能得到驗證。”。“例如，有機片材于20世紀90年代推出，第一部分在過去兩年剛剛投入批量生產。我們已經開始了這項測試，以便為五年后的項目做好準備。”原始設備制造商的反饋是，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。”。“模具更復雜，需要在腔體周圍采用不同的密封概念。你還必須適應如何插入預成型件，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。“在汽車領域，沒有多少人熟悉如何避免設計黑金屬，或者如何設計一個既能提供高性能又能在預成型和浸漬方面生產的零件。”
Wolff指出，“許多要求都是新的，目前還沒有任何最先進的解決方案，因此與供應商建立強有力的合作伙伴關系對于獲得最佳和最經濟的選擇至關重要。”，與不同供應商的合作范圍將擴大，以開發新的解決方案并推動HP-RTM技術的發展。
邁爾說：“現在這個行業有很多不同的觀點。”。“我們來自注塑，所以我們的觀點是大規模生產，幫助我們的客戶達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，但它能實現嗎？也許一個很有說服力的指標是SGL Benteler（Ried im Innkreis，奧地利）和Mubea Carbo Tech都安裝了HP-RTM系統，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：“我們已經成功地從碳纖維增強塑料汽車零部件的小批量生產過渡到了工業化生產。”。他認為HP-RTM只是一系列過程中的一個，這些過程可以實現提供最高級別功能集成的復雜結構。Siegmann的同事Karas總結道：“Mubea看到了碳纖維的未來，而且它確實在發生。”
《HP-RTM for serial production of cost-effective CFRP aerostructures》
