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直接涂层工艺,一步打造高质量表面
2021年12月07日    阅读量:3622    新闻来源:《国际塑料商情》  |  投稿

电动汽车、互联互通和自动驾驶趋势正在激发一种新的汽车制造设计语言的产生。例如,集成了大量传感器元件和照明元件的玻璃状表面汽车外饰件大受欢迎。在汽车内饰件中,搭载了无缝集成的多功能显示屏、控制系统和环境照明元素的大型饰件也深入人心涂料在线coatingol.com。因此,人们对功能高度集成且具有高质量设计的智能塑料部件的需求正在不断增加。

直接涂层工艺,一步打造高质量表面 考腾资讯网

使用聚氨酯(PU)涂层系统的直接涂层(DC)工艺特别适合制造上述部件。与塑料件的后续涂装相比,它的优势在于不仅可用于表面处理,而且可用于集成极其复杂的功能部件特性。它将两种在大规模生产中应用了数十年的技术——热塑性塑料的注塑成型和PU系统的反应注射成型(RIM)结合在了单一的工艺中。


PU涂层部件是在结合了注塑成型和RIM技术的模具中创建的。首先,在第一个模腔中生产热塑性基体,然后将其转移到根据涂层的厚度扩大的第二个模腔。然后,通过RIM混合头将PU系统注射到基体上。最后生成一个PU层约为200μm至数毫米厚的部件。如果使用的是转盘模具或翻板模具,当PU系统在第二个模腔中固化时,另一个基体已经在第一个模腔中生成。这不仅缩短了周期时间,而且提高了生产率。此外,直接涂层工艺在可持续性和经济性方面还具有许多优势。

表面设计的巨大自由


PU涂层系统为部件表面设计提供了非常大的自由度。这些产品可以被制成透明、半透明或纯色,并且具有高耐磨性和耐化学介质性,如油性护肤霜。皮革般的柔软触感以及具有绚丽高光泽的坚硬的防刮擦光学元件均可实现。使用PU涂层的直接涂层工艺优于喷涂的一个主要优势是细部表面结构能够在RIM模腔中精确成型。从宏观上来看,它们可以是边缘凸起等触觉支持和设计元素。从微观上来看,小至纳米结构的超细微粒可以获得特殊的效果,例如:抗反射特性。高光区域可直接毗邻哑光结构。特别是,这种设计方案只能用传统的涂层方法加上极大的努力才能实现,因此是直接涂层工艺的独特之处。

适用于直接涂层工艺的特殊材料


Rühl Puromer GmbH公司和总部位于德国的聚合物制造商科思创(Covestro)是直接涂层工艺的先驱之一。他们彼此独立又相互合作,在材料配方、部件设计、模具设计和技术、机器设备和工艺模拟等方面为这种制造技术打造了重要的基础,并且在这个过程中经常与机器和模具制造商合作。两家公司对热塑性基体和PU涂层的加工方法和原材料系统都进行了精确调整。

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Puroclear是Rühl推出的基于脂肪族异氰酸酯的双组分PU涂层系统,光稳定且颜色稳定,可用于木饰件和钢琴黑饰件等。这一产品系列的反应性针对直接涂层工艺经过了优化,以尽可能缩短固化时间,使RIM的周期时间至少与注塑成型的周期时间相同。因此,这是一种经济有效的制造方法。利用集成在材料中的内脱模功能,该系统还可以自动脱模,该功能已在批量生产中经过了多次测试。因此,该模具不再需要喷涂脱模剂或特殊涂层。这也有助于缩短周期时间和简化工艺流程。这种自脱模PU系统的巨大优势在于它们能够实现部件的无模生产,无需后处理即可获得绚丽表面。此外,单独的脱模剂还可防止直接生成高光表面。

自愈合表面


Puroclear产品系列还包括自愈合的产品,即具有所谓的回流效应。涂层中的表面划痕(例如:由车钥匙或石屑引起)会在短时间内自行愈合(图1)。因此,部件能够更长时间地保持高质量外观和功能。这些PU RIM涂层的耐磨性也有助于提高日常使用的舒适度。这种纯物理原理的自修复效应基于特殊的网络结构。除了化学交联点外,它还包含物理交联点,即基于氢键的所谓硬段微区。后者会在表面损坏后再次形成可逆键,然后与聚合物网络弹性(记忆效应)一起使划痕消失。

高透明度实现了光和传感器的集成


科思创在Makrolon、Bayblend和Makroblent产品线中为直接涂层工艺开发了特殊的聚碳酸酯(PC)和PC共混物以及用于PU涂层的不含溶剂添加剂的广泛模块化涂层原料,例如:Desmodur系列中的特殊异氰酸酯交联剂和Desmophen系列中的多元醇。PC是一种热门的热塑性直接涂层材料,其优异的机械性能和高透明度满足了当前汽车内饰设计理念的要求,例如:环境照明和无缝集成的大型控制面板。在外饰件中,它简化了与其他道路使用者交流的显示功能的集成以及基于雷达和激光雷达频率的驾驶员辅助系统传感器元件的集成。Rühl开发了适用于此类应用的PU RIM涂层,即使在薄膜较厚的情况下也具有极高的透明度,并且无需牺牲其他汽车相关的特性。因此,它们是理想的合作伙伴,可为透明PC基体提供良好的保护(图2)。


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确保PU和PC之间的粘合强度


一般来说,PC和PU之间的粘合强度极具挑战性,尤其是在老化的影响下。Makrolon和透明的Puroclear牌号本身就有良好的粘合特性,但是,开发合作伙伴Rühl和科思创针对老化之后的长期稳定性进一步提高了粘合强度。为此,他们优化了多种材料组合并通过POSI拉拔测试对它们的粘合强度进行了评估(根据ISO 4624标准)。结果表明,即使是在湿热环境中长期储存而水解老化的样品也符合汽车OEM粘合规范要求(图3)。后续研究还表明,PU系统的自脱模功能还有助于其完成预期任务——轻松脱模并且不会对PU和基体之间的粘合力产生不良影响。


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此外,两家公司都致力于将嵌片注塑工艺(FIM)融入直接涂层工艺。拉伸后的薄膜和装饰印刷薄膜不仅大大拓宽了部件设计的可能性,而且对于功能集成也非常重要。例如,它们可以通过印刷导体路径和背光电路图来体现感应键功能(图4)。注塑成型步骤也可设计为双组分工艺。


 科思创和Rühl通过全面的应用技术支持在整个直接涂层部件开发链中为项目合作伙伴提供支持。其重点是工艺导向的部件设计和模具技术以及直接涂层工艺和部件特性的模拟。PU填充和翘曲的精确模拟对于汽车内饰件中的大型PC饰件获得玻璃效果并无缝集成照明元件和触摸传感器来说至关重要。这种类型的部件必须具有完美的艺术美感并且呈现不同的PU层厚度。因为它们的尺寸很大,并且PC基体和PU系统的收缩率不同,所以很容易翘曲变形。原则上,PU填充工艺和翘曲的模拟应在项目的早期阶段进行,便于从一开始就正确设计部件和模具,避免后期昂贵的调整成本。

填充模拟工具


科思创开发了相应的计算和模拟工具。基于两相CFD(计算流体动力学)模拟的一种新计算方法可用于填充模拟。与传统的注塑成型模拟方法相比,这种方法将PU填充过程中从模具中排出的空气视作独立相而非真空。与以前传统的模拟方法相比,这种方法能够根据涂层和基体中的结构精确确定气泡的形成位置、移动方向以及它们是否留在部件中或到达排气孔(图5)。


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 他们还开发了一种用于翘曲模拟的计算方法。该方法描述了涂层系统在收缩和翘曲情况下的材料特性。PU系统在成型过程中比热塑性基体收缩得更厉害。因此,在设计部件时,一般应将壁厚增量较大的3D结构放置在基体上,以此来保持PU系统均匀的层厚和较小的变形。但是,这在大多数应用中只有在理想情况下才能实现。因此,模拟有助于找到翘曲最小和周期时间最短的最佳层厚比(图6)。


汽车行业对直接涂层工艺的重视


目前,直接涂层工艺主要应用于汽车内饰件。但是,它也被越来越多地用于外饰件,例如:装有可输入密码打开和关闭内饰的触摸面板的立柱饰板等零件。其他潜在的外饰件应用包括:高度集成的扰流元件、雷达罩和令人想起散热器格栅的前围板(标题图)。后者主要用作电动汽车的品牌定位设计元素而不管是否集成光和传感器本体。总的来说,汽车行业越来越多地将直接涂层工艺用作其他大批量生产制造概念的有效替代方案是因为它提供了更高的部件性能和设计自由度。目前,医疗、设备、IT和通信技术也发现了该工艺的优势。


标签:工业涂料辅料与设备涂装应用技术中心汽车漆涂装
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