熱塑性注射與反應(yīng)性模內(nèi)涂裝相結(jié)合的一體化成型工藝
—— 一步法工藝的發(fā)展歷程、現(xiàn)狀與展望

文/睿普聚氨酯材料科技（太倉）有限公司榮海濤

作為一種高度集成、高度自動化的加工工藝，以ColorForm和clearmelt為代表的熱塑性注射成型與反應(yīng)性模內(nèi)涂裝相結(jié)合的一體化成型工藝，近年來受到了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注，對該工藝的認同度和接受度日漸提高。隨著市場對產(chǎn)品外觀和表面品質(zhì)要求的不斷提高，這項工藝的終端應(yīng)用領(lǐng)域也從最初的汽車行業(yè)擴展至消費電子、家電和家居等行業(yè)。本文作者依據(jù)公開信息，結(jié)合自身參與多個相關(guān)項目的體驗，從設(shè)備、材料、模具和應(yīng)用案例等角度，回顧梳理了該一體化成型工藝的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，分享了對此的理解，展望了今后的發(fā)展方向和應(yīng)用前景，期待與業(yè)內(nèi)同行和用戶加強交流，共同推動該工藝在中國的市場化進程。

近年來，熱塑性注射成型與反應(yīng)性模內(nèi)涂裝相結(jié)合的一體化成型工藝受到了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注，對該工藝的認同度和接受度日漸提高。ENGEL的clearmelt和克勞斯瑪菲的ColorForm是業(yè)內(nèi)熟知的一體化成型工藝，此外，還有科思創(chuàng)的DC (direct coating)、科世達的skintec、abatek公司的Polyform 3D、Weidplas公司的ColorFuse、伊之密的ReactPro以及庫爾茲的IMD PUR等。所有這些，都是側(cè)重點不同的一體化成型工藝。為方便起見，后文根據(jù)情況，或采用各自的工藝名稱展開敘述，或一并稱之為一步法工藝。

一步法工藝的基本工作原理與傳統(tǒng)的雙色注射成型工藝類似，都是使用兩種材料在一套模具中注射成型一個產(chǎn)品，都需要兩臺注射成型設(shè)備、兩種不同的材料以及同一個后模和兩個不同的前模。在第一模腔中注射第一種材料，成型后開模，后模連同成型件一起與第二個前模構(gòu)建第二模腔，注射第二種材料。一步法工藝與雙色注射的本質(zhì)性差異是，第二射是用反應(yīng)注射成型(Reaction Injection Molding，簡稱RIM) 設(shè)備和聚氨酯材料來取代注射成型機和熱塑性塑料。

如圖 1 所示，首先，通過注射成型工藝成型一個熱塑性的骨架 (黑色部分)，然后模具旋轉(zhuǎn)，后模連同骨架一起與第二個前模構(gòu)建成第二膜腔，通過RIM設(shè)備注入混合均勻的低黏度雙組分聚氨酯液體材料，聚氨酯固化后，即在骨架基材上形成一層透明的涂層 (黃色部分) ，通過添加色漿，還可以獲得各種彩色效果。一步法工藝完美地整合了傳統(tǒng)的注射成型工藝和成熟的聚氨酯模內(nèi)涂裝工藝各自所擁有的優(yōu)勢，使產(chǎn)品的成型與涂裝在同一套模具中以注射成型的節(jié)拍得以實現(xiàn)，生產(chǎn)過程高效自動。相比傳統(tǒng)的噴涂涂裝工藝，這種一體化成型工藝環(huán)保無污染，生產(chǎn)環(huán)境與注射成型車間相同，極大地節(jié)省了物流成本，減少了操作環(huán)節(jié)、生產(chǎn)占地空間及能耗。根據(jù)克勞斯瑪菲的測算，在同樣條件下，與噴涂工藝相比，使用ColorForm工藝的綜合生產(chǎn)成本可降低30%。

圖1 一步法工藝的工作原理示意圖（圖片來自KraussMaffei Technologies GmbH）

一步法工藝不僅擁有成本優(yōu)勢，而且獲得的涂層品質(zhì)高，產(chǎn)品設(shè)計空間大、靈活性高。例如，涂層厚度均勻且可控，外觀無缺陷，可以獲得透明和各種彩色涂層，包括金屬漆效果、皮紋外觀和軟觸感，以及各種花紋和幾何圖案等；產(chǎn)品設(shè)計允許在同一表面集成多種顏色和不同的外觀效果，以及具有真實外觀和觸感的3D表面造型、可設(shè)計的光澤度和表面自修復(fù)功能。另外，一步法工藝還可以非常便利地與IMD/IML等膜片注射工藝相結(jié)合，把裝飾薄膜和功能薄膜以及真木木皮等嵌入產(chǎn)品，使用高度透明的聚氨酯對產(chǎn)品表面施以雙重模內(nèi)修飾，令產(chǎn)品外觀呈現(xiàn)相應(yīng)的設(shè)計效果或功能，例如，色彩豐富的外觀、觸控表面、背光、透光和氛圍燈等效果，甚至目前備受關(guān)注的隱藏式開關(guān)設(shè)計也可以實現(xiàn)。這些特性，也是一步法工藝與智能表面應(yīng)用的基本契合點。隨著智能表面在汽車和其他多個領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，相信一步法工藝也會有更多的應(yīng)用可能性和更大的發(fā)展空間。

聚氨酯和模內(nèi)涂裝工藝

聚氨酯材料（PUR）是聚酯多元醇或聚醚多元醇與異氰酸酯反應(yīng)形成的聚合物。聚氨酯材料具有高度可設(shè)計的特性，依據(jù)使用的原料和配方，既可以是熱固性材料，也可以是熱塑性材料；既可以制成軟泡、硬泡或自結(jié)皮等發(fā)泡制品，也可以制成非發(fā)泡的彈性體、纖維、涂料和粘合劑等；與玻纖或碳纖亦或天然纖維結(jié)合，可以制成強度高、重量輕的復(fù)合材料。得益于優(yōu)異的使用性能和加工性能，聚氨酯廣泛地應(yīng)用于含汽車在內(nèi)的眾多細分市場。

反應(yīng)注射成型，即RIM工藝，是聚氨酯成型的一個重要途徑。與熱塑性注射成型的物理過程不同，RIM工藝的核心是兩種不含任何溶劑的液體組分通過化學(xué)反應(yīng)固化成型。在RIM工藝中，多元醇和異氰酸酯這兩種液體組分首先在混合頭內(nèi)混合均勻，然后從混合頭射出，射出的低黏度液體混合物經(jīng)澆注口進入模具，在模內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并固化成型。聚氨酯RIM成型工藝在汽車行業(yè)的應(yīng)用很多，典型的應(yīng)用如方向盤、座椅、頭枕、儀表板及各種類似真皮的包覆件等內(nèi)飾件，各種減振隔音的軟泡制品如發(fā)動機罩蓋，各種線束、密封，以及保險杠、擾流板等外飾部件。

與熱塑性注射成型工藝的二次注射過程相同，通過RIM工藝，可以直接在模內(nèi)實現(xiàn)聚氨酯與其他基材或骨架材料的二次注射，以復(fù)合成型為一個產(chǎn)品。利用聚氨酯的高度可設(shè)計性及其他優(yōu)異性能，完全可以達到改善產(chǎn)品外觀或使用性能的目的。在汽車內(nèi)飾應(yīng)用方面，一個經(jīng)典的案例是Recticel公司使用ROM（Reaction injection OverMolding）工藝生產(chǎn)的手套箱蓋板。首先，將已成型的注射骨架件定位于后模，合模，并向由骨架與前模構(gòu)成的模腔內(nèi)注入雙組分的聚氨酯，待聚氨酯固化后開模完成模內(nèi)涂裝。在此過程中，模腔的間隙定義了聚氨酯涂層的厚度，前模表面的皮紋定義了手套箱蓋板的外觀紋理。采用ROM工藝制成的手套箱蓋板，其顏色與車內(nèi)其他內(nèi)飾件外觀匹配，具有逼真的紋理和質(zhì)感以及舒適的軟觸感，外觀極具價值感。憑借聚氨酯材料出色的耐刮擦性，產(chǎn)品在整個生命周期內(nèi)都能保持始終如一的良好外觀。下面將要介紹的SkinForm工藝，其技術(shù)基礎(chǔ)與ROM工藝相關(guān)。

如果在ROM工藝中使用透明聚氨酯作為涂層材料，模具表面作鏡面拋光處理，則可以在產(chǎn)品表面創(chuàng)造出高光透明的涂層效果。這項應(yīng)用被克勞斯瑪菲稱為CCM (Clear Coat Molding) ，亨內(nèi)基稱之為CLEARRIM，瑞士易碩騰公司 (Isotherm AG) 則直接稱之為clear coat molding technology，這也是本文重點介紹的一步法工藝的技術(shù)基礎(chǔ)。

CCM工藝的起源可以追溯到20年前德國睿普公司（Rühl Puromer GmbH，以下簡稱睿普）同克勞斯瑪菲共同開展的一個前瞻性研發(fā)項目，最初的應(yīng)用背景是取代當(dāng)時廣泛用于汽車行業(yè)真木內(nèi)飾件的多道噴涂工藝，以便為行業(yè)提供一個生產(chǎn)過程環(huán)保、產(chǎn)品低VOC排放的新工藝。2001年，研發(fā)成果首次在德國K 展上成功展出，并很快開始嘗試用于量產(chǎn)項目。由模內(nèi)反應(yīng)性涂裝工藝形成的涂層，厚度均勻可控。該生產(chǎn)工藝環(huán)保，良品率和生產(chǎn)效率均明顯高于多道噴涂工藝，現(xiàn)已成為生產(chǎn)真木內(nèi)飾件透明涂層的主流方法。CCM工藝的發(fā)展，為克勞斯瑪菲的ColorForm工藝奠定了堅實的基礎(chǔ)。

一步法工藝溯源

今天大家熟知的一步法工藝，可以追溯到2004年克勞斯瑪菲在德國K 展上展出的SkinForm工藝。得益于同時擁有注射成型和反應(yīng)注射成型技術(shù)，克勞斯瑪菲率先將熱塑性注射成型與反應(yīng)性注射成型整合到同一工藝步驟中，使得注射件的成型與表面涂裝在同一套模具中實現(xiàn)。如圖2所示，展會期間，克勞斯瑪菲使用睿普的puroskin@發(fā)泡聚氨酯材料，在配有平移模具機臺的KM 160-750 CX注射成型機上，現(xiàn)場演示了SkinForm工藝，生產(chǎn)的產(chǎn)品為汽車安全帶扣罩板。在該部件上，PU發(fā)泡涂層的厚度設(shè)定在0.8～4.0 mm之間，不僅提供了不同舒適度的表面觸感，而且耐磨性極高，可以確保良好的表面外觀長期保持。實際上，SkinForm工藝可以被認為是對熱塑性注射成型與ROM工藝的集成，它將兩個完全獨立的工序整合到同一模具中予以實現(xiàn)，大大提高了生產(chǎn)效率。鑒于積極的市場反饋，克勞斯瑪菲在2007年的K展上展出了第二個SkinForm項目：使用水平旋轉(zhuǎn)的模具機臺，現(xiàn)場生產(chǎn)Skoda汽車門飾板，所用基材為PC/ABS，并以3種不同顏色的puroskin@發(fā)泡聚氨酯材料，創(chuàng)造了3色的真皮外觀和觸感表層，輔以激光切邊單元，將表面涂裝和復(fù)雜的后續(xù)工序完全整合在一起，形成完整的汽車門飾板自動化生產(chǎn)模塊，引起了極大關(guān)注。同年，第一個Skinform量產(chǎn)項目問世，產(chǎn)品是一款用于奔馳系列的三維造型的頭枕罩蓋，其與真皮極其相似的外觀和質(zhì)感以及舒適的軟觸感，使之與真皮包覆頭枕和車內(nèi)其他內(nèi)飾件完美地融為一體。隨后的兩三年間，陸續(xù)有多個SkinForm量產(chǎn)項目落地，包括寶馬5系的手套箱蓋板、John Deere拖拉機的B柱等。

圖2 SkinForm產(chǎn)品表面具有真皮的外觀和手感，兼顧產(chǎn)品外觀品質(zhì)與生產(chǎn)成本優(yōu)勢，與類似效果的工藝相比，是性價比最高的選擇。從左至右：在2004 K展上展示的安全帶扣罩板，在2007 K展上展示的Skoda車門內(nèi)飾板，以及用于奔馳系列車型的三維頭枕罩蓋（圖片來自Rühl Puromer GmbH）

使用SkinForm工藝對標(biāo)的產(chǎn)品主要是使用發(fā)泡聚氨酯材料為表皮、產(chǎn)品表面具有真皮外觀和手感的產(chǎn)品，如ROM產(chǎn)品或者聚氨酯噴涂表皮。用于SkinForm的反應(yīng)性注射設(shè)備與常規(guī)的高壓發(fā)泡機類似，工藝過程必須噴涂脫模劑以保證聚氨酯順利脫模和連續(xù)工藝的實現(xiàn)，這也不可避免地影響了節(jié)拍時間，但從產(chǎn)品整體外觀品質(zhì)和生產(chǎn)成本綜合評估，在同等條件下，與現(xiàn)有類似效果的工藝相比，SkinForm是性價比最高的選擇。

一步法工藝的發(fā)展

隨著SkinForm的問世和多個量產(chǎn)項目的落地，業(yè)內(nèi)敏銳地意識到這種高效一體化的成型工藝的應(yīng)用潛力，并將目光聚焦于極有價值感的高光表面應(yīng)用，如鋼琴黑表面，試圖通過將高光表面涂裝與注射成型整合在一起，來逐步取代不斷面臨環(huán)保壓力的噴涂涂裝工藝，并利用模內(nèi)注射成型的特點，完成更多噴涂工藝無法實現(xiàn)的表面設(shè)計效果。

2009年，ENGEL攜手亨內(nèi)基推出了clearmelt工藝，將亨內(nèi)基的CLEARRIM工藝完全整合到其注射成型單元中。如圖3所示，在ENGEL-Symposium 2009活動期間，該公司使用e-motion 1340/280 T設(shè)備，結(jié)合裝飾性薄膜和透明聚氨酯涂層，生產(chǎn)出了不同顏色和外觀效果的汽車內(nèi)飾件，通過不同裝飾膜的切換，極為方便地實現(xiàn)了木紋、碳纖和鋼琴黑等不同的外觀效果。在2011年的德國FAKUMA展會上，該公司展出了HMI人機界面應(yīng)用，這是一款集成了觸控功能、具有鋼琴黑外觀的汽車中控臺，在注射成型骨架前，先將電容薄膜嵌入模具，在注射環(huán)節(jié)，薄膜與骨架復(fù)合后成型并一同移至第二模腔，注入聚氨酯，完成模內(nèi)涂裝。產(chǎn)品表面涂層均勻平整，無任何熔接痕和流痕。該應(yīng)用在2013年的廣州國際橡塑展上再次得到展出。在2017年 的FAKUMA展 會 上，ENGEL演示了SUV D柱的生產(chǎn)過程，其亮點是當(dāng)年亨內(nèi)基推出的用于快速顏色切換的MULTICONNECT技術(shù)。每種顏色單元被設(shè)計成帶有獨立混合頭的移動模塊，切換顏色時，只需在不同的移動模塊之間切換即可，這樣，無需清洗料桶，就能便利地在線創(chuàng)造不同顏色的彩色涂層。

圖3 clearmelt工藝的應(yīng)用案例，從左至右：在Engel-Symposium 2009活動期間生產(chǎn)的汽車內(nèi)飾件，在2011年的德國FAKUMA展會上展出的HMI人機界面應(yīng)用，在2017年的FAKUMA展會上演示生產(chǎn)的SUV D柱（圖片來自ENGEL AUSTRIA GmbH）

同一時期，克勞斯瑪菲也將自己的CCM工藝與注射成型工藝整合在一起，并在2010年的K展上發(fā)布了ColorForm技術(shù)，現(xiàn)場演示的是一款工具箱的生產(chǎn)過程。如圖4所示，工具箱表面的藍色高光部分是采用聚脲、通過反應(yīng)性模內(nèi)涂裝工藝實現(xiàn)的。在2013年的K展上，克勞斯瑪菲展示的樣件集成了背光功能，通過使用黑色涂層和透明涂層對上下兩部分同時進行模內(nèi)涂裝，獲得了精準清晰的表面分界線，令模具表面的精細結(jié)構(gòu)和細節(jié)完美地復(fù)制到產(chǎn)品表面上。盡管涂層材料在模內(nèi)流動時有分流和重新匯聚的行為，但最終獲得的涂層依然均勻平整，無任何熔接痕和流痕。在2016年的K展上，克勞斯瑪菲采用當(dāng)年推出的3組分混合頭技術(shù)，演示生產(chǎn)了車門內(nèi)飾板裝飾條：色漿作為獨立的第三組分同時進入混合頭，令快速切換顏色成為可能，無需清洗料桶，即能方便地在線創(chuàng)造出不同顏色的彩色涂層。

自此，ENGEL和克勞斯瑪菲在多個國際性展會上多次展示各自的clearmelt工藝和ColorForm工藝，以及相關(guān)的技術(shù)創(chuàng)新（如快速在線切換表面涂層顏色）和前瞻性的應(yīng)用案例，應(yīng)用也從內(nèi)飾件擴展至外飾件，從單純的裝飾件擴展至兼具顏值和功能的智能表面。在最能反映行業(yè)發(fā)展和未來趨勢的德國K展上，每年都有不同的一步法工藝展出，常常是多個廠家在不同展臺同時獻技，這也從另一個側(cè)面折射出市場和業(yè)內(nèi)對一步法工藝的認同不斷提升，對后續(xù)的應(yīng)用和發(fā)展充滿了期待。

2016年，瑞 士Weidplas公司開始使用ColorForm工藝為量產(chǎn)的全新標(biāo)致3008 SUV生產(chǎn)A柱飾條，這一量產(chǎn)項目也為廣東泰安模塑科技有限公司（以下簡稱泰安模塑）決定在國內(nèi)引入ColorForm工藝和設(shè)備提供了積極的參考依據(jù)。在2019年的K展上，伊之密攜手德國Frimo公司和GK CONCEPT公司推出了低成本的一步法工藝ReactPro，德國庫爾茲公司也演示了一步法工藝與薄膜技術(shù)完美結(jié)合的IMD PUR工藝。

與之前的SkinForm工藝相比，以ColorForm和clearmelt為代表的一步法工藝，其本質(zhì)區(qū)別是所使用的表面涂層材料不同，以及由此引發(fā)的對采用第二注射單元的加工設(shè)備的要求不同。SkinForm使用發(fā)泡類聚氨酯材料，設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)與普通發(fā)泡機無異，產(chǎn)品對標(biāo)對象是具有真皮外觀和軟觸感的表面。盡管各種產(chǎn)品表面皮紋深淺和外觀顏色各有不同，但加工過程中噴涂脫模劑都不會對產(chǎn)品表面帶來不可接受的負面影響。而一步法工藝使用的涂層材料為不發(fā)泡的聚氨酯，產(chǎn)品對標(biāo)對象是高光表面，無論透明涂層還是彩色涂層，任何微小的氣泡和表面瑕疵都無法接受。為避免液體組分混入氣泡，料罐需要施以負壓，設(shè)備通常配置小流量混合頭，以助于注射過程的模腔排氣。同時，對計量精度、混合效果、設(shè)備各個單獨功能環(huán)節(jié)及其整體穩(wěn)定性的要求也遠高于普通發(fā)泡機。目前，可以滿足這些要求并已成功用于一步法工藝的設(shè)備屈指可數(shù)，主要有：亨內(nèi)基的STREAMLINE和COLOURLINE系列、克勞斯瑪菲的RimStar Flex 和 RimStar Nano系列以及瑞士易碩騰公司的PSM 90系列等。此外，由于使用一步法工藝成型的產(chǎn)品對標(biāo)對象為高光表面，如果在加工過程中噴涂脫模劑，會影響表面光澤度，這是無法接受的。因此，適用于一步法工藝的涂層材料必須自帶脫模功能，而高效可靠的自脫模功能，特別是在量產(chǎn)條件下的表現(xiàn)，又直接決定了使用一步法成型項目的成敗。

圖4 ColorForm應(yīng)用案例，從左至右：在2010 K展上展示的工具箱，在2013 K展上展示的樣件集成了背光功能，在2016 K展上展示的車門內(nèi)飾板裝飾條（圖片來自KraussMaffei Technologies GmbH）

一步法工藝，即注射成型與模內(nèi)涂裝的一體化技術(shù)，涉及多個以前互不關(guān)聯(lián)的專業(yè)領(lǐng)域，除了熱塑性注射成型機和RIM設(shè)備外，材料選擇和模具技術(shù)也對項目的成敗起著至關(guān)重要的作用。設(shè)備、材料和模具這3個獨立的基本要素相互作用、相互影響，有效合理的相互配合，是項目成功的基本保障。

有關(guān)材料、模具和展望方面的敘述，請見下一期的PT《現(xiàn)代塑料》。