Surface-RTM技术探析

魏秀宾

摘 要：Surface-RTM技术具有显著效益的复合材料表面升级技术，通过对surface-RTM的技术介绍，技术优势、涂层材料与设备的支持状况进行分析，探析技术的开发现状，提出进一步开发的建议。

关键字：Surface-RTM;Puroclear? 涂料;CFRP

中图分类号：TB332  文献标识码：B  文章编号：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已成为量产碳纤维复合材料（CFRP）汽车部件的主要工艺，CFRP表面涂装耗费的时间和费用在制造成本中占居相当大的比重，在经济效益和环境保护需求下，采用模内涂装技术，即部件脱模后直接作为外饰件，或无需处理即可喷涂面漆。这种技术在量产的汽车行业，非常具有成本竞争力和市场前景。

德国Krauss Maffei，联合多家公司合作开发此项技术及配套设备，以无溶剂型聚氨酯（PU）为表面涂料，采用在HP-RTM闭合模具内二次注射方式，使部件获得无缺陷的高光泽A级表面，脱模后可直接使用或直接涂装面漆。在德国杜塞尔多夫K展上現场演示了HP-RTM结合表面涂装技术，即surface-RTM技术，取得了非常积极的反响。

2 Surface-RTM技术概述

Surface-RTM 是在木材模压装饰技术（CCM）和注射件涂装技术（ColorForm）基础上，结合CFRP 部件HP-RTM技术发展而来的。

工艺过程包含两次液体材料注射，如图1所示：

（1）纤维预制体（Preforming）放入HP-RTM模具中，闭合模具，将型腔抽成真空。设置间隙提升上模，在上模正面用第一套注射系统一次低压注射自动混合的树脂，高压闭模将树脂压入稀松预制体中，使碳纤维完全润湿。

（2）经过短暂反应树脂固化。上模设置间隙提升，使部件下表面与下模表面形成真空空腔，从下模侧面用第二套注射系统二次注射自动混合的聚氨酯（PU）涂料。

（3）将上模下压使PU材料覆盖整个部件下表面，PU的厚度取决于部件几何形状和纤维层结构。部件脱模即完成CFRP成型与涂装。

目前CFRP在德国汽车行业已有量产应用（BMW i3等），surface-RTM 技术在多个部件上展开了应用预研，涉及原材料、工艺、涂层材料认证等。随着技术积累，在产业化方面将会有实质性突破。

2015北京SAMPE会展上Henkel首次在中国通过雷丁Roadster R1跑车顶棚展示了surface-RTM技术。随后上海国际复材展上CHOMARAT展出了这款部件。

2017年国内企业自主设计研发的CFRP超跑车门外板凭借Surface-RTM技术荣获了“年度交通运输领域复合材料技术创新一等奖”。

3 Surface-RTM技术的优势

HP-RTM量产CFRP汽车部件，所用树脂无论是环氧还是聚氨酯体系，表面都无法满足耐候性要求，因此HP-RTM成型的外饰件，无论表面是否达到A级，都要进行涂装。典型涂装包含以下5道工序：

（1）预处理：打磨、清洗、烘干

（2）底涂：中温烘烤、二次打磨、清洗、烘干

（3）面涂：中温烘烤、三次打磨、清洗、烘干

（4）二次面涂：喷涂清漆、中温烘烤

（5）冷却、检验

3.1 surface-RTM替代预处理与底涂，简化面涂

部件脱模后表面呈献无缺陷的A级表面，直接喷涂抗UV面漆即完成部件涂装。

需要展示碳纤维纹路的部件，直接喷涂抗UV高光清漆。

需要整车配色的部件，将与汽车颜色接近的色浆混入注射头直接注入PU材料中，部件脱模后喷一层整车色泽的抗UV面漆。

为了支撑这项技术，德国Rühl PUROMER公司专门开发了PU涂料，牌号为：puroclear?，其对面漆无特殊要求，可以采用汽车常规面漆，与面漆的粘结性能通过了德国标准漆层粘接性能测试（cross-cut test）。

3.2 surface-RTM替代全部涂装工序

这是surface-RTM技术的最大亮点，用PU涂层作为最终面层，实现部件不喷漆直接使用，前提是PU涂层要符合外饰件的认证标准，其中抗UV是一大挑战，这方面Rühl PUROMER公司研发有了积极进展，但还没完成全部外饰认证。

因此surface-RTM制造CFRP用作汽车外饰件时，仍然需要喷涂抗UV面漆。

4 Surface-RTM关键材料的支持状况

Surface-RTM关键材料为表面涂层，目前参与技术开发的项目所用的基本都是德国Rühl公司的puroclear?。

4.1 puroclear? 材料的性能特点

Puroclear?材料是脂肪族异氰酸酯（HDI）浇涛体系，为A、B两组分：puroclear? 3098 IT和puronate? 960/3，按工艺要求可调节开放时间（5-300s）、预热温度和固化温度。

Puroclear? 涂层符合德国汽车工业的严格要求，已通过VOC/FOG、耐热老化、热光老化测试、气候变化和太阳能模拟、耐化学性和耐划伤性等测试。主要特点和性能如下：

基本特点：

①流动性好，具有绚丽3D深度效果和豪华的高光泽表面;

②可直接喷涂面漆，无需表面处理;

③光稳定、无色透明、透光性类似玻璃（>92%）;

④自脱模性高，次数可达1500次，期间无需外脱模剂。

物理性能：

①自修复性带来高耐刮伤性和耐磨性（可选）;

②表面硬度可调（邵氏硬度70A-88D）;

③涂層厚度可调，涂层壁厚跨度从1mm - > 100mm;

④颜色可调;

⑤如有需要，允许表面抛光处理。

化学性能：

①对多种塑料，木材、复合材料和金属材料表面具有优异的附着力;

②具有良好的抗紫外性，耐化学性和耐热老化性;

③已通过交替性气候测试;

④排放量比德国汽车工业标准低40%-50%;

⑤具有使用耐久性。

加工特性：

①适用高压和低压设备，加工温度较低（60℃或60℃以上）;

②使用节拍时间短（可短于1min）;

③可用于具有复杂几何形状或不同尺寸的组件;

④可覆盖基材表面的凹痕和其他较小缺陷;

⑤无需后期处理;

⑥可在一个工序内获得不同厚度和表面的涂层（同一表面具有亚光和高光）。

4.2 Puroclear? 涂层自修复性能

面漆硬度是为了耐刮伤，金属漆铅笔硬度大约在3H。改善涂层耐刮伤性能，自愈性材料无疑是一个很好的选择。用4H铅笔测试，puroclear?涂层上的划痕在室温下短时间内会自动消失。而金属漆在同样条件下会留下永久性划痕。对于没有抗UV要求的汽车内饰件，自愈性在奔驰S级跑车方向盘有了成功的案例。

使用自愈材料作为汽车外饰件面层，改善CFRP外饰件耐刮伤性能，将成为Surface-RTM技术开发的又一个具有前瞻性的亮点。

5 Surface-RTM设备现状

目前Krauss Maffei已开发了较为成熟的HP-RTM和surface-RTM注射设备，

树脂系统和涂料系统混合由两套RimStar Nano定量配料机配制。RimStar Nano的计量泵是耐磨损的自制单元，通过MK-5/8-2K 80混合头注入模具。

系统配备真空辅助系统，和高效节能、极其精确的温度控制器。

由于PU涂料用量小，因此使用RimStar Nano 4/4计量机和MK-5/8-2K 40混合头。

surface-RTM技术难点还在于模具设计，奥地利Alpex Technologies GmbH是第一代模具制造商，模具采用一种特殊的密封技术，在两阶段微小开启过程中模内也抽成真空。通过有选择的排气控制，确保涂层不含空气夹杂物。精密集成的传感器对最佳模具填充进行监控并在线提供相关的部件质量信息。

该模具配备顶出系统，可用机械手和抓爪系统协助脱模。

6 结论

Surface-RTM技术作为一项模内涂装前沿技术，相比传统的CFRP表面喷涂工艺，有着良好的经济效益和市场前景，目前国内HP-RTM已有产能布局，在此基础上surface-RTM也有成型CFRP跑车部件的案例，量产经验有待结合量产项目去进一步积累和完善。

PU涂装材料puroclear? 其性能已开发较完善，需要同主机厂完善行业认证标准，得到行业认可，目前puroclear?涂料都由德国进口，国内CFRP企业有必要与其他涂料厂家共同开发。

Surface-RTM技术研发建议与主机厂、材料供应商、Krauss Maffei等各方合作，积累足够的经验，再进行产品应用推广。

参考文献

[1] 荣海涛.使用创新型聚氨酯材料与加工技术实现表面升级.现代塑料.2014.8.

[2] Kunststoffe international 2014.3.

[3] RTM工艺实现直接喷漆Josef Renkl， Sebastian Schmidhuber佳工网2014.05.12.