图1 康隆FPL系列混合头

随着一种用于环氧树脂快速成型的高压注射技术即康隆（Cannon）的ESTRIM技术的推出，使得以非常短的生产节拍生产出具有复杂形状的、中等尺寸大小的薄壁轻质复合材料部件成为可能。

直到现在，像树脂转移模塑成型（RTM）这样的传统方法仍被用于复合材料部件的模内成型，如环氧树脂基复合材料部件的生产，汽车行业是这些技术的典型应用领域。

RTM工艺的特点是：从一个部件到下一个部件的生产循环时间通常较长（20～30min），这主要受限于以下两个基本因素：

1. 在向模内注入液体配方原料前，有一个长时间的模内制备过程，即需要人工铺放多层不同的增强纤维毡，或是玻纤或碳纤维的增强材料。

2. 配方原料的过慢反应导致了长时间的聚合反应过程。反应时间缓慢的原因，是因为要满足将这些液体原料混合液均匀地填满型腔的工艺要求。然而，一旦液体原料开始混合注入模具中时，反应即开始，其粘度就会逐渐增大，从而影响流动性进而影响填充率。

图2 康隆FPL混合头的功能示意图

到目前为止，由于没有一种较快速的生产方法，使得更多品种的轻量化结构部件或装饰部件的大批量生产的开发速度较为缓慢，因为大批量生产的行业不能接受仍需要依靠繁重的人工操作的冗长的生产步骤。按照汽车行业的快速生产节拍要求，产品的离模周期必须比目前最常用的生产工艺快10倍。

因此，汽车行业正在对用于环氧树脂和碳纤维或其他连续纤维的注射成型工艺的产业化应用表现出浓厚的兴趣。而产业化应用的先决条件是，所用生产工艺必须能够确保典型的从一个部件到下一个部件的生产节拍时间被控制在3min或更短的时间之内。但到目前为止，出于化学原料和纤维基材操作方面的多种原因，这种快速生产方法还没有得以实现。

目前，康隆（Cannon）集团已与亨斯迈先进材料公司联合开发出了一种替代工艺，为该工艺而设计的生产装备和化学配方原料能够克服上述的两个基本问题。实际上，在另一个塑料加工行业，即聚氨酯行业中，康隆（Cannon）和亨斯迈都是世界公认的领先者，凭借在该行业领域积累的丰富经验，两家公司都认识到，快速离模基本上取决于快速注射时间。因此，决定快速离模时间的3个基本参数是：

1. 液体配方原料的黏度，它直接取决于所使用的化学原料和加工温度。

2. 增强材料的浸润性，它取决于增强材料在模内的铺层结构，以及增强纤维毡或纤维织物的固有特性。

3. 液体原料作用在模内表面的压力，逐渐增大的阻力会影响材料的流动性，这是由于黏度的逐渐提高，以及增强材料在模内各处的大量分布。

因此，在液体配方的黏度达到难以控制的状态前，快速填满型腔就显得尤为重要。而已在其他的反应成型工艺如聚氨酯、DCPD和尼龙RIM中成功应用了30多年的高压计量混合技术，已经实现了以前从未有过的生产效率和产品机械性能。因此，现在这一生产方法也被用于环氧树脂的加工生产中。

由康隆推出的这种生产环氧树脂基复合材料的高压注射技术，其创新点在于实现了对多种技术的正确组合，从而满足了汽车行业大规模生产大型复合材料部件的生产节拍要求。这些技术包括：

1. 高压技术：用于对正确配比的环氧树脂组分进行计量、混合，并在闭模内注射成型，它可将成型时间由30min缩短至2～3min，并确保产品获得良好的机械性能和表面外观特征。

2. 自清洁混合头避免了冲洗或对清洁剂的使用，从而具有明显的经济效益和环保优势。此外，由于混合头可长期固定在模具上，因而提高了生产速度，消除了来自注射点的泄漏问题。

图3 康隆Afros工厂研发室的专用高压环氧树脂计量混合设备随时准备用于模塑试验

3. 组合了闭环控制计量系统的高压注射技术，可确保从一枪到下一枪注射量的高度再现性，从而可成型出高质量标准的产品，避免了不必要的超注，由此所带来的优势是显而易见的，如材料的节省、无泄漏、更清洁的工作环境、无蒸汽从模具中散发出来以及废品率的降低等。

4. 专用预成型设备可快速且高再现性地制备嵌件，从而能够在注射成型前，由人工或采用自动化方式，将嵌件放入模具中，避免了长时间的人工制备过程，提高了压机和混配设备的利用率。

与RTM工艺相比，ESTRIM的生产效率提高了10倍，其结果是：

1. 在使用同样人力的情况下，压机和模具可在每单位时间里（按每天轮班生产计算）生产出10倍以上的产品。

2. 基于已在其他的塑料加工技术领域中成熟应用了40多年的产业化经验，实现了生产线的自动化，使得生产成本和废品率显著降低。

3. 可将多个混合头组装到一台计量设备上，同时满足多副模具的生产需求，从而减少了每个注射点对设备的投资需求，优化了材料配方和计量设备的性能。

正因如此，使得该新的技术可被汽车、交通运输和航空航天业用来生产结构性或装饰性的轻量化复合材料部件，因为其生产效率更加适应了这些行业的装配生产线对时间和物流方面的要求。

据介绍，这种高压技术依靠的是排液泵，这些泵能够达到200bar（约202.9kg/cm2）以上的压力（在混合头喷嘴上测得的数据），从而为解决这一问题提供了理想的解决方案。

图4 使用高压技术处理经过恰当调整的环氧树脂配方，产品脱模时间大大缩短，外观完美无瑕

这些化学组分在储料罐中被加热到要求的温度，然后分别在计量设备的循环回路中保持持续的流动状态，直到进入混合头的内部，从而使其黏度在整个加工过程中保持一致。通过提高温度，便可降低黏度。该混合过程是，在直径小至只有4～5mm的圆柱形混合室中，利用适合的喷嘴，使各反应组分雾化、对喷并混合。当混合室处于非工作状态时，一个精密加工的活塞会将其紧密地密封住，以避免原料组分在不正确的时间混合。利用电脑控制系统，可以精确地确定每个不同模具所需要的液体材料量，并精确地计算出由泵的实际输出量决定的注射时间。当机器的控制系统发出注射指令后，密封混合室的液压操作活塞就立刻动作，以打开混合室。随着混合室的打开，液体组分就经过由压力驱动的雾化喷嘴，实现反应组分在混合室内的雾化对喷：这些化学原料在小型缸式混合腔体中相遇并充分混合，此时其动能会转变成湍流。混合好的液体随后被推入到混合头中的一个L型流道中，这种非线性的流道能够很好地将湍流转变为层流——这是一种理想的灌注条件，它有利于防止空气进入液体配方中。该液体层流通过混合头上的流料嘴头离开混合头。流料嘴的口径与模具注料口的吻合，是在模具的流道上钻出一个孔实现的。因此，所有的混合料都能够快速地进入型腔中而无任何浪费。在注射结束时，控制面板会向液压系统发出信号，以迅速闭合混合头，令其处于待命状态。这种快速运动能够彻底清洁混合室，以清除掉任何残留在混合室壁上的液体。因此，这些混合头不需要采用溶剂或清洁剂进行任何清洗。在每一次注射完成后，既不需要清洗任何可移动的部件，也不需要丢弃任何固定混合器或塑料管。

该注射是一个洁净的操作过程，它允许混合头长期安装在模具上：可定期将这些混合头拆卸下来做常规的保养，或者对压力驱动喷嘴进行清理。

这种通过高压计量泵施加到液体上的正向压力，可在整个注射过程中保持一致：它确保了材料能够快速填满型腔，即使有大量的增强材料对液体的流动带来较大阻力的情况下也同样如此。利用一个安装在型腔壁上的压力传感器（正对着注射孔），可连续监控型腔中的压力。通过对压力曲线的描绘和分析，可以确定适合的流量和填充时间，以很好地适应每个不同模具的需求。

图5 高压计量混合注射生产的碳纤维增强结构件。该工艺生产效率高，产品质轻、刚性强且外观完美，是实现汽车轻量化、节能环保的新工艺

Cannon Tecnos是康隆（Cannon）集团专注于开发汽车行业专用解决方案的一个业务单元，该公司设计并提供用于复合材料的专用预成型设备已有30多年的历史。在多种不同的应用中，各种类型和含量的纤维，如玻璃纤维、碳纤维、纺纶纤维和天然纤维等，均已得到了成功的处理并精确地铺放到各种大型或小型的模具中。除了全套的模架、压机、操作器和其他专门设计的设备外，这些专用工具是对完整的工业化解决方案的重要补充，其目的是为环氧树脂基复合材料的注射成型提供自动化的高产量解决方案。2001年，宝马公司为其位于德国兰茨胡特的创新技术中心（简称“LITZ”）订购了一台预成型设备，以用于一个全复合材料汽车的开发项目。在与这家具有威望的客户富有成效的合作过程中，康隆（Cannon）为其提供了一台技术先进的预成型设备。现在，这台高技术含量的设备在宝马为其M3和M6车型生产复合材料部件的过程中，负责制备所有的预制件。

这种高压设备在快速注射环氧树脂方面的高效性，也为亨斯迈先进材料公司开辟了广泛的机遇：从广泛的Araldite树脂以及Aradur固化剂和催化剂中，通过选择适合的材料以进行合理的组合，可确保在注射温度条件下获得适宜的黏度并实现高效反应，同时确保材料的黏度增稠特性能满足该新工艺的特定要求。

据康隆（Cannon）集团的产品开发公司负责人Antonio Cossolo介绍，为适应亨斯迈的环氧树脂化学原料的特性和黏度，该公司对高压计量混合设备做了特殊改进，并于2009和2010年期间，在位于意大利米兰附近的Cannon Afros的研发实验室中，利用该设备做了几项试验。考虑到固化剂和树脂完全不同的工艺温度要求，以及化学原料之间的相容性问题，该公司决定，针对固化剂的输送，采用活塞式计量泵而非传统的用于树脂的高压泵。

通过逐步提高配方材料的填充量直到达到一个合适的填充率，使得各项模制试验得以正常运行，并且使用各种不同的增强材料均获得了同样的效果。在成功的板片材试验生产中，树脂/固化剂的混合比率为5:1，树脂加工温度大约在90℃左右，成型周期只有2min。该试制板片材在亨斯迈先进材料公司位于瑞士巴塞尔的TS&D实验室中接受了性能检测，其结果见表所示。

这些数据证实了该项目的成功。该试验样品的机械性能表明，利用ESTRIM技术——一种组合了适当设计的计量设备、模架、预成型设备和辅助设备的技术，能够以高于传统RTM技术10倍的生产效率，生产出环氧树脂基的复合材料结构件。

因此，汽车、交通运输和航空航天工业可以考虑将这种新的生产方式用于结构性或装饰性的轻量化复合材料部件的生产中，因为它们的生产效率几乎能够满足这些行业的装配生产线对时间和物流方面的要求。

作为一站式的供应商，康隆（Cannon）集团为该技术提供完整而可靠的生产线，所有的设备包括：

1. 高压闭环控制的计量注射机和自清洁混合头。

2. 专用预成型设备，可用于嵌件的快速高再现性制备。

3. 专用模具夹具和模具，适用于不同的生产布局。

4. 用于成型预制件的水刀修边设备。

5. 用于化学原料组分的储料罐和分流管路。

6. 该工艺所需要的所有辅助设备。