HP-RTM呈上升趋势
高压树脂转移模塑（HP-RTM）已被用于宝马（德国慕尼黑）i3和i8车型的结构复合材料零件的批量生产，被一些人视为一项新技术。对其他人来说，这只是早期RTM工艺的现代化，就像25年前用来制造道奇毒蛇零件的那样。HP-RTM与RTM的区别是什么？Engel Austria（Schwertberg）轻型复合材料技术中心项目管理主管Matthias Mayr指出：“循环时间比标准RTM快得多。”。这种差异体现在“HP-高压”中。相比之下，传统的RTM是“LP-低压” Mubea Carbo Tech（奥地利萨尔茨堡）位于捷克共和国泽布拉克的最新工厂的项目经理Slavko Karas说：“低压RTM（在10到20巴下注入树脂）的标准循环时间为30到60分钟。”。“它可以低至5分钟，但只适用于非常小的零件。”
“高压，”Mayr说，“意味着混合头中的压力高达150巴，模具中的压力从30巴到120巴，具体取决于零件尺寸和几何形状。”自动化也是HP-RTM的关键，但这需要在资本和过程控制方面增加投资。据设备供应商称，这项投资确实正在进行中。目标：集成式轻型结构，循环时间小于10分钟。
HP-RTM的内容和时间
HP-RTM仍然包括纤维预制棒、闭合模具、压机和树脂注射系统，但后者现在是一个冲击混合头，就像20世纪60年代首次为聚氨酯（PU- polyurethane）泡沫应用开发的那样。事实上，PU和反应注射成型（RIM-reaction injection molding）行业的计量/混合/注射供应商是HP-RTM的早期开发商之一，包括KraussMaffei（德国慕尼黑）、Hennecke（德国Sankt Augustin）、FRIMO（德国乐天）和Cannon SpA（意大利博罗梅奥）。
结构反应注射成型（SRIM-Structural reaction injection molding）使用RIM技术，但与RTM一样，将混合树脂注入模具中的纤维预制件中。纤维含量较低，通常高达30重量%。（HP-RTM零件的纤维重量高达75%。）在其鼎盛时期，SRIM的开发包括自动化预制件和模糊两种工艺之间的界限。
“RTM已经存在了几十年，”克劳斯玛菲复合材料业务部门负责人Erich Fries说。“对我们来说，它总是HP-RTM，因为我们总是在室内使用冲击混合，尽管大多数使用低压RTM的公司都使用静态和动态混合器。”
到2005年，RTM已在道奇毒蛇中大量使用，也被Sotira Composites（法国缅因州梅斯莱）广泛用于OEM，包括与福特汽车公司（美国密歇根州迪尔伯恩）和阿斯顿·马丁（英国沃里克郡盖登）的联合开发工作。该过程也在a级要求不太严格的重型卡车中获得了发展动力。然后出现了一个转折点。虽然不一定是HP-RTM工艺，但RocTool（法国Le Bourget du Lac和美国北卡罗来纳州Charlotte）在2007年JEC上推出了其感应加热模具作为“高速RTM”，并将循环时间缩短了50%。然后，在2008年，碳纤维生产商东丽（日本东京）在其演讲《碳纤维增强塑料：汽车大规模生产下一步需要什么？》中列出了“更快循环的RTM”。然而，在所有这些工作之前，是宝马集团，该集团在M3和M6车型的碳纤维/环氧树脂车顶RTM方面拥有十年的生产经验。
减少循环时间、自动化和碳纤维这三个要素是向HP-RTM转型的关键驱动因素。宝马碳纤维增强塑料技术开发主管Thomas Wolff博士解释道：“10多年来，宝马集团一直在M3和M6车型的车顶中使用碳纤维增强材料，出于循环时间、表面质量和工业化的原因，选择了HP-RTM。”。“在这段时间里，我们在碳纤维增强塑料部件的批量生产方面获得了宝贵的经验。因此，在我们面临从小批量生产到完全工业化生产的挑战时，保持这一过程是有用的。”
Wolff表示，在i3和i8车身部件复杂的几何结构中，降低成本和缩短周期是宝马集团面临的关键问题。HP-RTM还提供了生产大型复杂结构部件的潜力，如侧架（见图）。“现在，我们能够以高质量和高工艺稳定性批量生产这些产品，将碳纤维增强塑料车身部件的制造成本降低约50%。”他指出，与屋顶生产相比，假设边界条件和工艺链相同。
这种结构和几何复杂性的增加带来了额外的挑战。弗里斯说：“现在，我们看到了不同的部分，纤维含量非常高。”。“这会导致模具中产生高压，但仍必须填充型腔，因此需要高达110巴的压力。”他声称，虽然使用齿轮泵的低压机器可以在高达40巴的压力下运行，但“我们使用的是高压轴向活塞泵，可以在200巴下运行。因此，现在每个人都在使用高压混合和注射头。”
尽管聚氨酯仍在提供，尤其是在更多的化妆品应用中，但环氧树脂正在取得进展。Mayr说：“在Engel，我们实际上是从PU开始的，但今天我们的客户对环氧树脂和PU表现出了同等的兴趣。”。“这两种材料体系似乎都有进一步的应用潜力。”
缩短模具循环时间
宝马集团通过致力于碳纤维和HP-RTM的影响力也体现在推动更具反应性、更快固化的树脂方面。尽管自20世纪90年代以来，这一领域的工作一直在进行，但宝马集团在其最初的复合材料顶盖中采用了Hexion（以前是Momentive Specialty Chemicals，仍位于美国俄亥俄州哥伦布市）的快速固化EPIKOTE环氧树脂，从而推动了这一领域，以及选择亨斯迈先进材料公司（得克萨斯州伍德兰和瑞士巴塞尔）的Araldite LY 3585/Hardener XB 3458环氧树脂系统作为i3生命模块，该系统在100°C下可固化5分钟（宝马报告称，其i3和i8零件的固化周期不到10分钟）。
到2012年，5分钟固化的EPIKOTE树脂05475/EPIKURE固化剂05443被与EPIKURE固化试剂05500相同的树脂取代，注射窗口为1分钟，在120°C下固化2分钟。
与此同时，陶氏汽车系统公司（德国施瓦尔巴赫和美国密歇根州奥本山）生产的VORAFORCE 5300环氧树脂从2014年的低于90秒的模具周期降至2015年的低于60秒。
Fries警告说：“当然，也有固化时间为1分钟的环氧树脂。但它只适用于简单的扁平部件，而不是复杂的结构部件。”。他指出，零件实际上是在3到7分钟内生产出来的，这是零件尺寸和几何形状复杂性的函数。
Mayr补充道：“HP-RTM的循环时间不仅是固化时间的函数，也是从干织物开始的整个过程的函数。从这个过程中，你可以生成预成型件，将其转移到模具中，然后开始HP-RTM工艺。”他认为，需要更大的生产工作站和更多的投资来加快整个循环时间。Fries对此表示赞同，并指出“越来越多零件的集成将增加复杂性”，因此，周期时间索赔必须被视为理想的最佳结果。
Mayr表示，整体循环时间仍然是HP-RTM开发的首要任务：“目前，成型不是工艺中时间关键的部分。”预成型是一个瓶颈。织物层的切割、定位和成型需要比模具周期更长的时间。同样，他说，霉菌清洁也是一个问题。尽管将脱模剂混合到树脂中有帮助，但Mayr指出，模具护理产品供应商吹嘘的模具准备阶段之间的模具循环次数只有在理想的加工条件下才能实现，并且在很大程度上取决于模具表面和设计。沃尔夫说，在未来改善工艺循环时间的努力中，“模具清洁等子流程的自动化具有巨大的潜力。”
压力与预成型件
宝马集团也认为有必要提高预成型件的渗透性。能够使树脂快速而容易地渗透的预成型件应该需要更少的润湿时间，并且在模具中建立更少的压力。
另一种选择是降低树脂粘度。Arkema及其Elium液体热塑性聚合物（LTP-liquid thermoplastic polymer）的业务经理Sebastien Tailemite建议：“技术专家建议树脂粘度在50至200厘泊之间，以获得良好的注射速度和浸渍。”。他指出，环氧树脂的粘度更高，因此必须对其进行加热才能获得HP-RTM。Tailemite补充道：“但Elium在室温下是100厘泊，所以你可以在不加热的情况下注射。此外，如果注射压力太高，它可能会移动织物预成型件，导致纤维冲刷。”。
事实上，如果树脂粘度高，预成型件的渗透性必须高（即，树脂很容易通过），并且两者必须与注射和模具压力平衡，才能获得成功的零件。在过去几年中，许多研究探索了模具填充模拟和优化温度、压力和预成型件粘合剂配置，以避免纤维冲刷，同时减少循环时间。作为复合材料的典型代表，丰富的材料和工艺选择使优化参数变得更加复杂。尽管并非不可逾越，但对于刚刚进入HP-RTM领域的制造商来说，所需的分析似乎令人望而生畏。
然而，宝马集团已经精通这一优化，因此通过先进的过程控制寻求更大的灵活性。Wolff说：“我们正在寻找缩短循环时间的所有可能性。”。“这可能是提供更灵活、更快的温度变化的工具和机器，也可能是由于在注射过程中通过可变地调整硬化剂来更好地流动或更快地固化而影响树脂系统的能力。”他说，这适用于环氧树脂和PU，尽管后者对宝马集团已经开发的织物系统提出了一些挑战。
Fries还指出，需要更好的工艺控制，特别是随着产量的增长：“你必须有严格的工艺控制。20年前不需要这样做，因为当时的周期太慢了，每年只有1000到4000个零件。但现在，每年有12000到50000个零件，你必须在工具、计量和注射系统之间有一个接口。”。他描述了KraussMaffei对压力传感器的集成：“如果我们看到压力超过100-110巴，我们知道冲刷的风险很高，所以传感器使我们能够通过真空或降低产量来管理这一问题。”
Mayr补充道，定制的压力传感器，如Kistler（瑞士温特图尔）的压力传感器和用于监测固化过程的介电传感系统，如Netzsch（德国塞尔布）的传感器，正越来越成为标准。
对于预成型件渗透性的挑战，第三个也是有点讽刺的解决方案是最近的一种趋势，即降低注射压力，以利于通过机械方式将树脂输送到整个模腔。高压压缩RTM（HP-CRTM），也称为间隙注射或湿压缩，包括将树脂注射到部分封闭的模具和干燥的预成型件上。树脂在预成型件上流动（而不是通过其长度），然后，当模具闭合时，树脂被机械地迫使通过预成型件的厚度。该方法需要较小的夹紧力和压力机吨位，因此减少了资本支出。
Fries说，这种间隙不会导致纤维滑动，因为使用了各种纤维夹紧方法，如真空。Radius Engineering（美国犹他州盐湖城）总裁Dimitri Milovich指出：“我们在1990年为美国空军演示了间隙注射成型。”Radius Engineering是RTM工具、注射设备和压力机的供应商。“我们称之为可变空腔几何形状，并在打开和关闭工具时使用可调节密封来保持真空。”他补充说，这种方法对正在试验的天线罩来说更快，并且能够产生高质量的表面光洁度。
表面RTM是KraussMaffei对间隙浸渍的称呼，使用PU基质作为第一步，然后在同一工具中用PU进行二次成型作为第二步，即在间隙中填充一层薄薄的PU，使a级碳纤维外板可以直接从模具中涂漆，而无需额外的表面处理。
另外两项创新都是基于树脂的，有望缓解人们对纤维错位和预成型件渗透性的担忧。第一种是热塑性RTM（TP-RTM或T-RTM），或Engel所说的原位聚合：将预成型件放入模具中，关闭模具，将己内酰胺单体注入催化剂和活化剂。然后，由于3-5cps的水性粘度，这些聚合物在约30秒内渗透到预成型件中，并在150°C的模腔中聚合，在2-5分钟内形成固体聚酰胺6（PA6）复合材料。极低的粘度使树脂与纤维之间具有良好的分布，并允许高定向纤维含量——高达65%（体积）。然而，它也会导致模具泄漏问题，因此在模具设计过程中需要更多的关注。
KrassMaffei与BASF AG（德国路德维希港）和VolksWagen AG（德国沃尔夫斯堡）在纤维增强B柱中演示了这一过程，循环时间为5分钟。Engel自2009年以来一直与Fraunhofer ICT合作开发这项技术，目前正在将其原型e-victory 120机器改进为第二代系统，而Hennecke和Mahr Metering Systems（德国戈廷根）已经开发出可以将己内酰胺输送到HP-RTM工艺中的计量器/混合系统。
第二项创新是Arkema公司（法国Colombes）的Elium液态丙烯酸/过氧化物引发的热塑性聚合物。Tailemite解释道：“我们对HP-RTM的Elium粘度进行了微调”，以制造30000至200000件/年的结构部件。他说，注射丙烯酸树脂和引发剂不需要加热，尽管模具确实需要加热到100°C左右。他补充道，Elium在注射过程中对水分也不敏感，这实际上可以阻止己内酰胺的聚合。
该树脂设计用于美观的复合材料零件（模量≈10-15GPa）和结构零件，玻璃纤维的模量可达20-45GPa，碳纤维的模量高达125GPa。然而，据报道，Elium的韧性比环氧树脂高出约50%，吸收的冲击能量是聚酯的两倍。另一个关键区别是，使用Elium基材的结构部件据说比使用PA6制造的结构部件老化得更好。Tailemite说：“Arkema也生产PA6聚合物产品，所以我们很清楚它的吸湿率为5-10%。随着老化，这往往会使复合材料塑化，降低Tg，随着时间的推移，降低机械性能。”他解释说，设计师会考虑到这一点，例如，将零件的厚度增加一倍。
行业买盘
汽车制造商是否在购买HP-RTM机器？“是的，”克劳斯玛菲的弗里斯说。“宝马i3和i8的所有设备都使用我们的计量机器，其他原始设备制造商也纷纷效仿。”他表示，该公司正在与全球制造商进行谈判，这些制造商现在包括一级供应商。
“它开始了，”Engel的Mayr说。“我们向宝马集团兰茨胡特工厂出售了一台大型夹紧装置，向英国华威大学出售了一套1700吨的v-duo装置，并向一家墨西哥汽车行业供应商出售了第三台机器。”他表示，其他机器已经售出，更多项目正在筹备中，包括今年夏天开始的一个项目和2016年第一季度的另一个项目。
Arkema正在与多个合作伙伴建立一条HP-RTM生产线，将Elium用于汽车零部件。Tailemite表示，“我们计划在2016年初运行这条生产线，目前正在全球五家原始设备制造商进行试验。”这包括原始设备制造商测试Elium零件的A级表面、机械性能、耐化学性和抗疲劳性，以及碰撞模拟测试。他解释道：“在汽车领域，新技术需要经过几年的测试才能得到验证。”。“例如，有机片材于20世纪90年代推出，第一部分在过去两年刚刚投入批量生产。我们已经开始了这项测试，以便为五年后的项目做好准备。”原始设备制造商的反馈是，热塑性RTM确实将在2020年后投入使用。
然而，所有人都认为HP-RTM还有很长的路要走。Mayr说：“在注塑成型中很容易找到工具制造商，但在HP-RTM和原位工艺中还不是这样。”。“模具更复杂，需要在腔体周围采用不同的密封概念。你还必须适应如何插入预成型件，并确保其完全浸渍。”
Fries说，零件工程也是一个必须解决的需求。“在汽车领域，没有多少人熟悉如何避免设计黑金属，或者如何设计一个既能提供高性能又能在预成型和浸渍方面生产的零件。”
Wolff指出，“许多要求都是新的，目前还没有任何最先进的解决方案，因此与供应商建立强有力的合作伙伴关系对于获得最佳和最经济的选择至关重要。”，与不同供应商的合作范围将扩大，以开发新的解决方案并推动HP-RTM技术的发展。
迈尔说：“现在这个行业有很多不同的观点。”。“我们来自注塑，所以我们的观点是大规模生产，帮助我们的客户达到注塑工艺的自动化水平和批量。”注塑/RIM确实是HP-RTM祖先和承诺的重要组成部分，但它能实现吗？也许一个很有说服力的指标是SGL Benteler（Ried im Innkreis，奥地利）和Mubea Carbo Tech都安装了HP-RTM系统，这两家公司都得到了大型钢铁汽车零部件制造商的支持。
Mubea Carbo Tech汽车销售主管Joachim Siegmann表示：“我们已经成功地从碳纤维增强塑料汽车零部件的小批量生产过渡到了工业化生产。”。他认为HP-RTM只是一系列过程中的一个，这些过程可以实现提供最高级别功能集成的复杂结构。Siegmann的同事Karas总结道：“Mubea看到了碳纤维的未来，而且它确实在发生。”
《HP-RTM for serial production of cost-effective CFRP aerostructures》
