前言
歐盟針對歐洲的車輛生產商訂出新的目標,2020年必須將碳排放量降低至 95g Co2/km,也就是接下來幾年至2020年間必須降低1/3的排放量。在車輛製造技術中,除了研發新的動力技術、提升能量轉換效率外,輕量化將是達成減碳目標最重要的方法之一。
FRP (Fiber reinforcement plastic )在輕量化零件中在現在扮演了很重要的角色,增強材透過液態的熱固型樹脂浸潤,在化學固化的過程彼此交聯,最終經模具快速成型,形成剛性極強,重量輕,不易疲勞且耐腐蝕的結構材。
根據加入增強材的結構等級分為兩大類,第一類為結構型的增強材,例如: 碳纖布或玻纖布。第二類為半結構型的增強材,例如: 短/長波纖、麻、蜂窩紙板、玻璃氈,等結構性較弱的。
由於聚氨酯(PU)良好的流動性,可以徹底的浸潤至增強材的間隙中,並且容易成型結構複雜的零件。加上PU的材料多元性,廣泛的硬度、耐溫、耐磨/刮、吸震、隔音等多元物性,加工性良好,使得PU成為製造FRP的最有潛力材料之一。
以下就現代的案例與材料應用,一一簡介以PU基質的FRP製程:
RRIM (Reinforced Reaction Injection molding) 短纖強化反應射出成型
A級表面零件的小量生產
製程
將填料(可以是玻纖、碳纖、或是其他礦物, <200um ) 加入反應前的液態POLY,一般可以加至 15~25%左右,透過RIM機台的快速混合反應 (約10秒內),將液態的混料以低壓方式閉模注射進入模具中,經過短時間的固化完成後(1~5分鐘),成品即可脫模。
優勢
- 良好經濟性適於小量生產
- 材料特性使得脫模表面可達A級可作後噴塗
- PU良好流動性適於製造結構複雜零件
- 材料參考: Elastolit ®
樣品案例
SRIM (Structural Reaction Injection Molding) 結構反應射出成型
結合薄膜表面的半結構型複材
製程
以剪裁好的纖維氈半成品 (例如玻纖或天然纖維,如 麻、亞麻、劍麻) 作為增強材,放入模具中,再透過噴塗、開模澆注或是閉模注射PU液態物料達成高效的浸漬。一般填料含量達15-35 重量%。PU正在發泡及熟(固)化的期間,透過閉模加壓成型;或者,透過背泡(back-foaming)方式使PU發泡成型,同時與裝飾表面薄膜相互膠黏。
優勢
- 材料可使用PU foam,達到低密度輕量化目的,拉伸性良好
- PU foam表面可透過在模具中嵌入薄膜成型,達成裝飾效果。
- 流動性好且模壓低,模具成本低
- 適合作車用結構襯裡或承載件
- 參考材料:Elastolit D
樣品案例
Composite spray technology 長玻纖強化噴塗成型
噴塗於薄膜/金屬板的強化複材
製程
透過複材噴塗製程,得以透過開放式模具生產玻纖強化複材或是夾層版。塗層的玻纖含量,可達20重量%。低黏度的液態PU持續噴塗,同時間玻纖紗也持續被切碎成12mm的短玻纖,並從側邊進入PU的噴射路徑而被沾濕,於模具形成一層層的均勻的塗層。最終透過加溫模具完成PU的熟(固)化,而不需要加壓。
優勢
- 適於汽車外飾件,小量生產。例如: 引擎蓋。
- 適於金屬或塑料板的表面噴塗強化,增強其耐碰撞能力。
- 操作性靈活,成品扭轉剛性強
- 相較於傳統GFRP,材料不含溶劑,製程環保
- 表面修飾上靈活,可透過模內噴塗(IMP)或是嵌入模內薄膜再成型。
- 參考材料:Elastocoat ® C
樣品案例
Honeycomb technology 蜂窩板反應噴塗強化
內飾件解決方案-半結構增強芯板
製程
我們將蜂窩紙板作為芯材料,並在其表面噴上長纖維增強,透過PU的浸漬且固化,可以生產輕量化的剛性夾層結構。例如,使用玻璃或天然纖維無規則的纖維氈..等增強材,可以用在規模量產中。在自動化過程中,蜂窩紙板與纖維氈組成的半成品,在其兩側薄薄地噴塗上PU,再將這個半成品置入加溫的模具中,進行閉模壓製成型,PU因受熱固化。由於PU在受熱過程中膨脹,可以充滿模穴中邊緣的間隙,產生緊實無縫的複合材料。PU強大的黏著性,在同一製程中,模具中的鉸鍊或嵌件可以在固化後,牢固地結合成一個集成件。除此之外,此製程還可以應用在不同表層之間與核芯材料(金屬蜂窩板或發泡材)。
優勢
- 適用產品有,汽車和商用車的行李箱地板,後包裹架,天窗,車頂內襯,托盤等半結構件。
- 可使用低密度PU FOAM,達輕量化效果。
- PU良好的流動性可以浸漬表面的纖維外,也與芯板產生強力的黏著。
- 透過溫度快速固化,因此噴塗時間可高達100秒,但可以快速脫模。
- 參考材料: Elastoflex E and Elastolit D foam
樣品案例
RTM (Resin Transfer Molding) 樹脂轉注成型
製程
在RTM製程中,預成型的玻纖或碳纖布(無紡或有紡)會先置入模具中,閉模後,計量並混合好的樹脂會被注入模具中。相較於SRIM,由於纖維交織較複雜,必須等待液態的樹脂將纖維完全浸漬後,聚合反應才能開始。最終,反應固化完成後脫模。
此製程非常適用於生產結構複雜的零件。在高體積比(高於50%)的連續纖維強化下,這些零件可以展現出極強的機械性質,例如剛性及強度,可以取代金屬材料,應用在高負載零件中,例如,機構間或機殼件。藉由纖維的分布情況,重量可以降低至只有相同強度金屬的40%。
優勢
- 增強材的占比大,增強纖維長度長,結構較強
- 樹脂可使用不發泡的PU體系
- PU加工性良好,可以使用內脫模,達到良好的脫模效果
- 可衍伸不同製程,例如 真空輔助RTM,變溫RTM
- 由於樹脂加溫固化特性,浸漬時間相當長,但脫模時間快速
- 適用的纖維長短廣泛
樣品案例
Sandwich technology 夾層板製程
製程
夾層板(三明治)板材包含了定做的發泡材作為芯材,而上下側為強化材表層。製程的概念是,可以透過RTM、噴塗、或是背面發泡的方法,將發泡材成型於兩個結構板材之間,樹脂除了固定上下層狀結構,本身也提供了隔熱、隔音、鋼性增強等性能。
優勢
- 相關研究顯示,比起鋁材可以減經重量40%,比起鋼材可以減輕重量60%
- 低密度閉孔發泡PU擁有良好的壓縮歪
- 擁有良好的黏著性,適用於各種板材間黏著,例如金屬、塑膠。
- 材料多元性強,物性可定制
- 參考材料:Elastolit D
樣品案例
引用出處
引用資料連結:
https://www.basf.com/tw/zh.html