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我为什么认为HP‐RTM是个“坑”?

文章来源:bamstone  2016-04-14

标签:RTM碳纤维宝马

作者:bamstone(刘伟)

常州百思通复合材料有限公司


近几年来,HP‐RTM(高压RTM)工艺炒得火热,在微信朋友圈和业内网站,隔三差五就会冒出一个相关的信息来。

我多次在微信朋友圈或在朋友私下聊天中发表此工艺属于“坑”的观点,总是引来不少业内人士的非议。

作为一个复合材料行业的技术人员,车咕噜话说过太多遍,我觉得似乎有必要将个人观点加以整理,以避免继续“车咕噜”。

有感于从事复合材料专业并能真正得窥门径的人很少,因此将微信朋友圈中发表的一点浅见整理出来,希望能够给打算上这种工艺的企业一个建议,也算给行业发展积点功德。

上文说到的“业内人士的非议”,开头的第一句话,大抵都是:“宝马都在用这个工艺,为什么你说他不好”。

正好,我有位朋友供职于宝马,具他透露,宝马只是在十年前的i3项目中使用了此工艺,后面的i4至i7项目中并没有使用。

至于后面使用的是什么工艺,该友人说,公司严格保密,他也不清楚。

其实也不难理解,如果不是宝马公司已经放弃,怎么可能允许设备开发商大肆推广和向第三方转让?

HP‐RTM应用于碳纤维汽车部件

HP‐RTM应用于碳纤维汽车部件 Source: BMW

HP‐RTM应用于碳纤维汽车部件

HP‐RTM应用于碳纤维汽车部件 Source: BMW

初次看到这个工艺的介绍,我的第一感觉就是,开发这个工艺的公司,应该不是复合材料行业的,倒像一个“用资源改变原理”(引自刘慈欣先生科幻小说《三体》)的重型机械行业的企业。

后来,经过调查了解,果不其然,真是这种情况,迪芬巴赫公司(Dieffenbacher)和克劳斯玛菲公司(KraussMaffei)正是欧洲加工机械领域的翘楚。

KraussMaffei

Source: KraussMaffei

我们不妨来揣摩一下HP‐RTM工艺的出台过程。

当宝马公司打算用碳纤维复合材料来制造i3汽车的车身时,传统的,用来生产碳纤维复合材料的工艺有哪些呢?

大抵上,有以下几种:手糊、真空导入及RTM、预浸料热压罐成型、预浸料模压成型。

长期的金属车身制造,已经使汽车行业形成了定性思维:冲压、焊装、总装、涂装,一共四个生产车间,四大生产工艺。

由于这种习惯思维,对于汽车厂来说,生产线是不能停的,一旦停线就是重大事故。

那么,汽车厂自然会把生产效率列为不能让步的重要条件。

宝马碳纤维部件

Source: BMW

现有的复合材料工艺中,效率最高的,自然是预浸料模压工艺,但是还是不够快。

慢在哪里?树脂固化太慢了。

树脂为什么固化慢?因为预浸料工艺决定了,需要在常温或低温下具有足够的储存时间,如果高温下的固化时间太短,常温储存时间就不够了。

虽然经过十年的技术发展,今天同时解决高温快速固化和低温长期存放开始有了一些可行的解决方案,但是在十年前,还是具有很高的技术难度的。

怎样解决快速固化的问题?

双组分现场混合,不需要储存时间,可以快。

Ok !那就改双组份体系(实际上就是常温或低温固化体系)。

树脂注入速度慢了怎么办?提高注射压力。

树脂的注射压力太高、流速太快会冲跑纤维怎么办?纤维预成型。

注胶方式含胶量太高怎么办?注胶完成后再压一压。

好了,一种新工艺出炉了,叫什么名字好呢?这个工艺跟RTM挺像的,压力高一点,就叫HP‐RTM吧。

写到这里,真的不得不感慨,有钱真是爽啊,想怎么任性都可以。

问题解决不了,直接用钱砸,靠蛮力来解决技术难题;至于费效比,可以先不予考虑。

如果我是中国的“老牛公司”的工程师,没有钱砸,老板就给了我2000块的研究经费,要我把上面介绍的、高大上的烧钱过程山寨一遍,我要怎么干?

买几块碳纤布,花一百块钱,去街上找个补鞋的鞋匠,拿个锥子,帮我把几块碳纤维布,缝成“纤维预成型”。

再花五块钱买把刷子,买点常温下0.5‐5小时能固化的常温固化型环氧树脂,刷到碳纤维上。

找个金属模具,找台液压机,把刷了树脂的碳纤维放到模具上,加温到150度,压2分钟,固化,脱模,搞定收工。

这样,还可以省1000块钱,哥几个搓一顿。

从基础理论上看,我们土掉牙的山寨过程和人家的高大上有区别吗?

正如人类能够使用核能前所能利用的一切能源形式,和原始人点燃的篝火没有区别一样(好像也是科幻作家刘慈欣的观点,利用的都是电子云能级变化产生的能量)。

本质上,都是先利用缝编,制成三维织物;再用常温下储存时间很短的树脂浸渍纤维;最后高温模压成型。

有朋友提出,看到这里,怎么感觉跟30年前用“湿法模压”工艺生产餐用托盘一样啊?

已故复合材料行业的老前辈、老专家朱颐龄教授最先提出,复合材料既是材料同时又是结构,这一点,是有别于以钢为代表的传统材料的。

我的恩师王钧教授更是近一步地明确提出,复合材料应该是材料、结构、工艺三位一体的系统工程。

只有当基体材料、增强材料,在特定的工艺下有机的结合,才能制备出非典型结构和材料一体化的制品,不可能有独立于制品而存在的复合材料。

这种复合材料制品的创造追求的应该是一种具有高的材料和经济效率,各方面指标均衡的系统工程,而HP‐RTM(高压‐树脂传递模塑)这种工艺真正能够提供给我们什么?

复合材料的工艺命名很重要,命名的过程实际上是对工艺的深入阐释。

举个例子,复合材料拉挤(pultrusion)工艺,是牵引机构提供动力,拉着浸渍树脂的纤维进入模具,挤出多余树脂,产生模内成型压力,最后固化、成型,其核心在于“拉”。

热塑性材料“挤出”工艺的源动力在于挤出机,依靠螺杆的旋转驱动材料通过模具熔融并且冷却成型,其核心在于“挤”。

因此,我们不能将复合材料的“拉挤”工艺命名为“挤出”或者“挤拉”。

我们有没有想过,说了这么多遍“HP‐RTM”,这个工艺叫“HP‐RTM”真的合适吗?HP‐RTM成型工艺的源动力是什么呢?是RTM的注入压力吗?

如果答案是肯定的,那么我们应该不需要3600吨的大型压机。直接把模具用其它方式锁模,依靠高压注射就可以了。

但是这样会带来什么问题?纤维含量太低。

所以,真正完成最后临门一脚的,是模压。这个工艺,叫“湿法模压”或者“注入模压”应该更贴切一些。

对于HP‐RTM的命名过程,我不妨大胆地猜度,不外乎有两种情况:

一种情况是命名者对复合材料专业缺乏了解,误认为这种工艺应该归为RTM;

另外一种情况是命名者出于商业考虑,故意使用命名的噱头来博得眼球。

HP‐RTM工艺一直强调他的成型快速,但是每一个复合材料专业的技术人员都应该明白,太快的成型速度必然会带来什么问题——纤维浸渍不良,界面性能不好。

复合材料由基体和增强纤维组成,这两者的界面结合得好不好,极大影响着复合材料的最终性能。

玻璃纤维或碳纤维在生产时,为了对纤维表面进行保护,同时增强界面结合能力,都会在纤维表面涂覆一层以聚合物为主要成分的浸润剂(上浆剂)。

复合材料成型时,需要树脂对纤维充分浸渍并溶解纤维表面的浸润剂(上浆剂),以便与纤维形成化学键,才能获得优良的界面性能。

开发预浸料工艺的技术人员,正是由于深知这个道理,才将浸渍和固化分成两个阶段;为了使树脂能够充分浸渍纤维,不惜凭空为自己增加难度,对树脂提

出“潜伏性”的要求。

全世界的技术人员都在为了提高树脂的“潜伏性”而努力,难道他们会不知道,常温就可以反应的环氧树脂,加热能够快速固化吗?

本文起源于微信朋友圈的一次争执,行文仓促,有不到之处还请大家不吝斧正。


最后总结一下,我为什么认为HP‐RTM是个“坑”:

1. 成也萧何败也萧何,成型速度太快,纤维浸渍时间太短,纤维浸渍不良,复合材料界面性能差。

2. 未取得任何技术上的突破,“外行式”暴力型解决方案,纯粹拿钱砸,“以资源改变原理”,“霸王硬上弓”,毫无美感(科学和艺术应该是相通的)。

3. 费效比太高,设备及模具的一次投入太大,能够接受如此高成本的领域(航空航天)不需要这么快,需要快的领域(汽车)接受不了这么高的生产成本。

4. 宝马公司的实践,其实是证明了这个工艺的不可行,而不是证明了这个工艺的可行性,这也算一个侧面的证据吧。


You can you up,no can no BB,BB了这么半天,你有什么解决方案?免得有人这么问我,我先自己把这句话说出来。

至于解决方案,我也思考了一些,但是还要留着混口饭,我在这里就只简单提出几点主干而不公布详细细节了。

如果想了解细节,可以跟我联系,我们边喝茶边聊:

1、充分利用现有材料、工艺和设备,降低初期投资。

2、打破材料界限,不要干复合材料的就说复合材料好,充分发挥各种材料的优点。不仅复合材料自身需要复合,材料与材料之间也需要复合。

3、针对复合材料本身,借用我的恩师王钧教授的观点,就是应该充分开展材料与材料的再复合、结构与结构的再复合、工艺与工艺的再复合。

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