RIM增强技术在汽车上的应用

发布时间:2010-07-13
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图1 RRIM工艺示意图

近年来,反应注射成型(Reaction Injection Molding,简称“RIM”)工艺以其投资成本低、生产方式灵活的特点而在汽车零部件生产中得到了广泛应用。作为RIM工艺的必要补充,RIM 增强技术则通过聚氨酯基体与增强材料的复合,不仅保持了RIM 工艺的基本优点,同时还提高了材料的热稳定性、强度和其他力学性能,因此自20世纪80年代以来,RIM 增强技术在汽车制造业中得到了迅速发展和广泛应用。

RIM 增强技术包括增强反应注射成型技术(Reinforced Reaction Injection Molding,简称“RRIM”)和结构反应注射成型(Structural Reaction Injection Moulding,简称“SRIM”)技术。RRIM是利用高压冲击使两种单体物料及短纤维增强材料得以混合,混合材料在模腔内经快速固化反应后形成制品。SRIM又称为垫增强反应注射成型,其成型特点是,先在模具内铺垫上由玻璃纤维无规组成的非编织毡,再以反应注射成型工艺注射物料得到制品。与普通的增强反应注射成型工艺相比,SRIM工艺的特点是纤维长,充填量大,一般可高达60%~70%,因此增强效果更好,适用于汽车结构件的制造。

RRIM工艺特点

通常,RRIM工艺所使用的原材料包括树脂体系和增强材料两类。其中,应用最多的树脂材料是聚氨酯、不饱和聚酯树脂和环氧树脂。在汽车塑料零件上,尤以聚氨酯最为常见。聚氨酯是由聚醚和异氰酸酯两个组分组成的,这两个组分在常温下均为液态,它们是通过计量泵或计量缸来计量和输送的。常用的增强材料有云母、玻璃纤维粉、硅石灰、玻璃微珠、硫酸钡等。通常,为了改善增强材料与树脂的粘接强度,需要采用增强偶联剂对上述增强材料进行表面处理。


图2 RRIM常用的缸式计量及混合设备

为了将增强材料添加到树脂组份中,需要采用混合设备使它们得到充分混合。通常是将两种材料分别计量好,然后将它们放入一个容器内,经一定时间的搅拌,使增强材料和树脂达到良好的混合状态。

当添加了一定比例的增强材料后,原料的粘度被大大提高,磨损性也显著增加,此时如果采用高压计量泵进行加工,很可能会在极短的时间内使其损坏。一般,需要采用经硬化过的计量缸,并且混合头也需要经过特殊的硬化处理。

为了提高原料的流动性,改善产品的充模性能,可以在原料中添加一定比例的压缩气体,如氮气、二氧化碳或空气等,从而使原料在被注入到模具中后,可以利用气体压力的释放来辅助原料充模,最终获得质量较高的制品。在此,所使用的充气装置被称作核化装置。

相对于普通的RIM工艺,RRIM工艺中所使用的模具往往具有更高的模内压力,因此RRIM模具材料必须具有较高的硬度,以确保模具的使用寿命。

总的说来,采用RRIM工艺生产制品具有如下特点:

● 产品设计自由度大,可以生产大尺寸部件;

● 成型压力低(0.35~0.7MPa),比注塑工艺的压力低很多;

● 反应成型时无模内应力;

● 随着增强材料的加入,制品的耐磨性和耐热性可得到提高;

● 制品的收缩率低,尺寸稳定性好;

● 制品表面质量好,可进行在线喷漆。

基于上述特点,使得采用RRIM工艺制造的车身外饰零件具有足够的潜力来替代金属零件,而且使用的面在逐渐增多。


图3 德国大众的CROSS POLO挡泥板

SRIM工艺特点

SRIM工艺所使用的原材料多为双组份的聚氨酯材料,其增强材料主要是玻璃纤维毡,它是通过热压的方式成型或者预成型的。

由于使用玻璃纤维毡作为增强材料,因此SRIM工艺无须在树脂材料中添加增强材料,其采用的设备仍然是标准的RIM计量混合设备,即采用高压计量泵的高压浇注机。玻璃纤维毡的预成型则采用热压成型设备。

通常,经玻璃纤维毡增强的SRIM制品可获得更大的机械强度,因此而使得SRIM工艺更多地被用于汽车结构件的制造,例如衣帽架、仪表板骨架、门板骨架等。由于其模具的制造成本相对较低,因此在批量相对较小的场合应用较多。

一般,采用SRIM工艺生产的制品具有上述RRIM制品的大部分特点,如成型压力低,制品的收缩率低等。但是,由于玻璃纤维毡的存在,制品的表面一般比较粗糙,不能用于外观件上。


图4 TOURAN前围隔音垫

应用案例

2001年中期,通用汽车公司开发出了一种新型的被称作“Protec”的6.5ft(1ft=30.48cm)长的RIM复合材料车厢和车尾门系统,作为 Chevrolet Silverado皮卡车的选配件。与传统的采用热压成型塑料衬里的钢制车厢所不同的是,整个Protec车厢单元是用复合材料制成的。其中,车厢中的挡泥板和车尾门外板均采用了RRIM技术制造而成,所用的增强材料为云母。此外,单件式的车厢和车尾门内侧是用50%长玻纤增强聚氨酯(SRIM)复合材料制造而成。在车厢和车尾门内部,还喷涂了一层黑色的 “溅射漆”,从而使部件外表获得了坚韧、细粒状的表面纹理,同时具有抗紫外线功能。据介绍,采用SRIM和RRIM复合材料后,使得整车重量减轻了约50lb(1lb=0.4536kg),仅车尾门就比钢制产品轻了15lb。

2004年,通用汽车公司在其DENALI 皮卡上,采用了由RRIM工艺制成的挡泥板,据说相对于SMC材料的挡泥板而言,其重量减轻了30%;相对于金属挡泥板而言,其重量则减轻了50%。此外,目前正在欧洲生产的德国大众CROSS POLO车的挡泥板也采用RRIM工艺生产。


图5 BUICK备胎盖

在大众汽车公司的GOLF A5及TOURAN等欧版车型中,在发动机舱和车身之间有一块层隔音零件, 通常叫做前围隔音垫。它由两层组成,一层为2.5~3mm厚的RRIM聚氨酯隔音层,所采用的增强材料是密度和硬度相对较高的硫酸钡(BaSO4)。在RRIM聚氨酯的后面还添加了一层平均30mm厚的软质聚氨酯泡沫,局部达到40mm。在吸音和隔音材料的共同作用下,使发动机的噪音被很好地阻挡在座舱系统之外。

在通用汽车公司的BUICK车型中,衣帽架和备胎盖均采用SRIM工艺制造而成。对于这类形状和结构都相对比较简单的零件,一般不需要予成型玻璃纤维毡。其中,备胎盖的浇注采用的是普通的RIM机器,先将一张玻璃纤维毡加热后,放入模腔内,然后RIM机器将液体物料浇到玻璃纤维毡上。当浇完PU原料后,将模具完全合拢,材料在模内反应固化后即成型出制品。

近年来,RRIM和SRIM工艺在欧洲及北美的汽车零部件制造领域中得到了广泛应用,其制品在强度方面完全可以和金属材料加工的制品相媲美,而在重量上又比金属制品轻很多,因此很好地满足了汽车轻量化的发展趋势,在汽车制造业中具有广泛的应用潜力。

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