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(cāng)）有限公司 榮海濤

作為一種高度集成、高度自動(dòng)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(lái)受到了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注，對(duì)該工藝的認(rèn)同度和接受度日漸提高。隨著市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品外觀和表面品質(zhì)要求的不斷提高，這項(xiàng)工藝的終端應(yīng)用領(lǐng)域也從最初的汽車行業(yè)擴(kuò)展至消費(fèi)電子、家電和家居等行業(yè)。本文作者依據(jù)公開(kāi)信息，結(jié)合自身參與多個(gè)相關(guān)項(xiàng)目的體驗(yàn)，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(duì)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(qiáng)交流，共同推動(dòng)該工藝在中國(guó)的市場(chǎng)化進(jìn)程。

在上一期PT《現(xiàn)代塑料》刊登的“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”一文中，我們?cè)敿?xì)介紹了聚氨酯和模內(nèi)涂裝工藝、一步法工藝的發(fā)展歷程，以及它們所需的設(shè)備情況。下面，將重點(diǎn)介紹一步法工藝所需的材料和模具，以及可能實(shí)現(xiàn)的表面設(shè)計(jì)效果。

材料

一步法工藝使用的基礎(chǔ)原料是作為骨架材料的熱塑性樹(shù)脂和作為表面涂層的熱固性樹(shù)脂，此外，根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還要用到與表面涂層相匹配的色漿、裝飾性薄膜和功能性薄膜。下面分別介紹典型的骨架材料和表面涂層材料。

目前，用于一步法工藝的表面涂層材料僅限于聚氨酯和聚脲。與聚氨酯使用多元醇作為原料不同，聚脲是異氰酸酯與多元氨基聚合物反應(yīng)形成的聚合物。由于氨基組分的極高反應(yīng)活性，聚脲反應(yīng)體系無(wú)須使用任何催化劑即可快速固化。聚脲具有優(yōu)異的使用性能，如耐刮擦、耐候性好、耐化學(xué)腐蝕、防水且無(wú)VOC排放，作為防護(hù)、防腐涂層，已廣泛用于建筑、基礎(chǔ)設(shè)施、軌道交通和石化等行業(yè)。聚脲涂層通常使用噴涂或澆注的方法施工，根據(jù)工藝條件，可以在相當(dāng)大的范圍內(nèi)按需控制涂層厚度，從?。ㄈ绨傥⒚祝┑胶瘢ㄈ鐢?shù)毫米），都可以一次施工實(shí)現(xiàn)。在噴涂或澆注過(guò)程中，特別是在室外施工條件下，聚脲反應(yīng)體系的快速固化特點(diǎn)無(wú)疑是一大優(yōu)勢(shì)，幾乎可以在成膜的同時(shí)完成固化，1 min即可達(dá)到使用強(qiáng)度。與聚氨酯相比，聚脲的另一個(gè)不同之處是具有自動(dòng)脫模性能，在RIM工藝中，無(wú)需使用脫模劑即可脫模，產(chǎn)品表面無(wú)需任何后處理即可滿足要求。這些優(yōu)勢(shì)，使得聚脲在一步法工藝發(fā)展的初期成為涂層材料的優(yōu)選方案。但是，快速固化的特點(diǎn)也使聚脲反應(yīng)體系在一步法工藝應(yīng)用中，對(duì)工藝條件提出了一定的要求。鑒于聚脲反應(yīng)體系有限的可加工時(shí)間，也稱開(kāi)放時(shí)間（即兩個(gè)反應(yīng)性組分混合后，混合體系的黏度因化學(xué)反應(yīng)而大幅增加，導(dǎo)致無(wú)法流動(dòng)的時(shí)間），混合后的聚脲材料必須以相對(duì)大的流量快速注入模腔，以防止出現(xiàn)模腔尚未充滿，混合體系已開(kāi)始固化。然而，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品表面，要求涂層材料能以小流量慢速推進(jìn)的方式注入，以利于模腔排氣，從而獲得符合設(shè)計(jì)要求的外觀效果。此外，對(duì)于超大尺寸或具有超厚涂層的產(chǎn)品，如3D造型的表面效果，涂層材料的用量會(huì)相應(yīng)增加，而選用聚脲作為涂層材料，會(huì)給工藝優(yōu)化帶來(lái)挑戰(zhàn)。為解決“由聚脲材料體系的快速固化特性而可能引起工藝參數(shù)優(yōu)化受限”的問(wèn)題，聚脲材料供應(yīng)商們必須從反應(yīng)性氨基聚醚組分入手，嘗試在不影響固化后材料性能的前提下，降低氨基聚醚組分整體的反應(yīng)活性，以達(dá)到延長(zhǎng)開(kāi)放時(shí)間的目的，而非像聚氨酯材料體系那樣，僅僅通過(guò)增減催化劑含量就可以非常靈活地在大范圍內(nèi)精準(zhǔn)調(diào)控材料體系的開(kāi)放時(shí)間。

一直以來(lái)，聚氨酯材料供應(yīng)商也在不斷完善自己的材料體系，以便更好地滿足一步法工藝的要求。一步法工藝發(fā)展初期，聚氨酯涂層材料因缺乏與熱塑性骨架材料注射環(huán)節(jié)相匹配的快速固化特性以及高效可靠的自脫模功能而使其應(yīng)用受到限制，現(xiàn)在，這些問(wèn)題已得到完美解決，聚氨酯材料適應(yīng)一步法工藝要求的加工性能已成功地通過(guò)了實(shí)際量產(chǎn)應(yīng)用的檢驗(yàn)。隨著聚氨酯材料的不斷進(jìn)步與完善，其使用性能已達(dá)到德國(guó)汽車行業(yè)對(duì)內(nèi)飾件和外飾件的技術(shù)要求，加之不受限制的工藝優(yōu)化特性，使其得到了越來(lái)越多的肯定和認(rèn)可，后續(xù)以聚氨酯為涂層材料規(guī)劃的一步法量產(chǎn)項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)指日可待。

目 前， 德 國(guó) 的Panadur、Votteler和Rühl(睿普)公司，均有能力提供用于一步法工藝、符合汽車行業(yè)要求的表面涂層材料。3家公司均為典型的德國(guó)中小型企業(yè)，從員工人數(shù)來(lái)說(shuō)，Votteler的規(guī)模最大，睿普次之。Panadur成立于2009年，位于德國(guó)東部城市Halberstadt，專營(yíng)以聚脲為基礎(chǔ)原料的涂料業(yè)務(wù)，主要涉足建筑和汽車行業(yè)，曾作為合作伙伴參與過(guò)多項(xiàng)由克勞斯瑪菲主持的ColorForm展會(huì)項(xiàng)目和客戶項(xiàng)目，同時(shí)也為2016年第一個(gè)ColorForm的量產(chǎn)項(xiàng)目（生產(chǎn)全新標(biāo)致3008 SUV的A柱飾條）提供了配套的涂層材料。Votteler是一家在涂料行業(yè)享有盛名的供應(yīng)商，位于斯圖加特附近，有著逾百年的歷史，主營(yíng)溶劑型噴涂涂料，應(yīng)用涵蓋家具、汽車、游輪和游艇內(nèi)飾件等。可查的信息顯示，Votteler從2001年開(kāi)始進(jìn)入聚氨酯反應(yīng)注射領(lǐng)域，經(jīng)過(guò)20年的技術(shù)積累，目前已有能力提供用于一步法工藝、符合汽車行業(yè)要求的聚氨酯表面涂層材料。針對(duì)一步法工藝要求的自動(dòng)脫模性能，除了使用內(nèi)脫模劑這一解決方案外，Votteler還通過(guò)在模具表面制造防粘涂層來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)脫模。雖然這一方案已在一步法工藝中得到成功應(yīng)用，但這種防粘涂層的長(zhǎng)期可靠性和使用壽命尚有待量產(chǎn)項(xiàng)目的實(shí)際檢驗(yàn)。

不同于涂料供應(yīng)商Panadur和Votteler，睿普是一家聚氨酯組合料的專業(yè)供應(yīng)商。該家族企業(yè)創(chuàng)建于1946年，位于法蘭克福附近，專營(yíng)各種用于反應(yīng)性注射的聚氨酯材料，在汽車輕量化和表面應(yīng)用方面處于全球領(lǐng)先地位。2018年，睿普在德企之鄉(xiāng)太倉(cāng)設(shè)立了全資子公司，為國(guó)內(nèi)客戶提供本地化的材料供應(yīng)和相應(yīng)的技術(shù)服務(wù)。憑借在聚氨酯專業(yè)領(lǐng)域逾60年的技術(shù)積累，睿普可以從材料配方的優(yōu)化、模具設(shè)計(jì)、加工工藝以及設(shè)備使用和維護(hù)方面，全方位、多領(lǐng)域地為客戶提供增值服務(wù)。睿普不只提供聚氨酯材料，還提供成型技術(shù)和完整的解決方案，這也是其核心競(jìng)爭(zhēng)力的基礎(chǔ)。2013年，睿普成功地推出了用于反應(yīng)性模內(nèi)涂裝工藝CCM的第二代聚氨酯材料：puroclear＠自修復(fù)涂層，即含有內(nèi)脫模劑的聚氨酯，并陸續(xù)用于多款量產(chǎn)車型，包括奔馳S、E、C系列和GLE，寶馬5系、X5和X7，Volvo S90、V90和 XC90，Cadillac Escalade和Bentley Bentayga等。這些用于量產(chǎn)項(xiàng)目的聚氨酯材料以可靠高效的自脫模功能，完全滿足了一步法工藝的要求。2017年，睿普德國(guó)技術(shù)中心引入了一步法工藝設(shè)備和匹配的試驗(yàn)?zāi)＞?，開(kāi)始為客戶提供全面的服務(wù)，包括項(xiàng)目可行性評(píng)估、材料認(rèn)證、制樣，以及使用客戶的模具制樣等，從而進(jìn)一步鞏固了其在一步法工藝技術(shù)方面的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

在一步法工藝中，表面涂層材料承擔(dān)著產(chǎn)品的外觀顏值和防護(hù)功能，如各種色彩效果、3D表面造型、耐刮擦、耐候性和耐化學(xué)性等，而作為骨架材料的熱塑性樹(shù)脂，則需要滿足產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)景的各種核心使用性能要求。適用于一步法工藝的骨架材料首先必須保證與表面涂層之間具有足夠的粘接力，能夠滿足終端應(yīng)用的技術(shù)要求。通常，具有極性表面的熱塑性材料與聚氨酯和聚脲的粘接力都很好，如PA、PC、PMMA、ABS、ASA、SAN和TPU等以及它們的共混物如PC/ABS等。但非極性熱塑性材料，如PE和PP，由于與涂層材料缺乏足夠的粘接力而無(wú)法直接用于一步法工藝，但經(jīng)表面活化處理后，比如采用等離子體或火焰處理后，這些非極性材料與聚氨酯材料的粘接力大幅提升，可用于一步法工藝，睿普多年前參與的一個(gè)研發(fā)項(xiàng)目也證實(shí)了該方法的可行性。然而，如何將表面活化處理工藝合理有效地集成到現(xiàn)有的一步法生產(chǎn)單元中，并在可以接受的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)注射件表面的活化處理，令注射、表面活化和模內(nèi)涂裝這3個(gè)獨(dú)立的步驟協(xié)同運(yùn)行，尚需要用戶與相關(guān)的設(shè)備廠商共同探討和實(shí)踐。

隨著終端市場(chǎng)對(duì)一步法工藝關(guān)注度的提高，越來(lái)越多的熱塑性材料供應(yīng)商，如AKRO-Plastic、科思創(chuàng)、Ineos Styrolution、SABIC和Trinseo等，都不同程度地介入一步法工藝，為此提供熱塑性骨架材料。在保證核心使用性能的前提下，如何保證并改善骨架材料與涂層材料的粘接力，是熱塑性材料供應(yīng)商需要應(yīng)對(duì)的首個(gè)挑戰(zhàn)。熱塑性材料同涂層材料的粘接力首先由其化學(xué)結(jié)構(gòu)決定，不同種類的熱塑性材料，粘接力會(huì)有明顯的不同。但即使是同類材料，甚至來(lái)自同一廠家，因組分設(shè)計(jì)和加工工藝的差異，以及所用助劑的種類和用量的不同，其在粘接力方面的表現(xiàn)都會(huì)有所不同。此外，在選擇一步法工藝所需的配對(duì)材料時(shí)，還需要同時(shí)考慮兩種材料之間不同的收縮率，二者的收縮率差異越大，涂層厚度越厚，產(chǎn)品變形的程度就越明顯。因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和項(xiàng)目可行性評(píng)估時(shí)，必須考慮這一問(wèn)題并采取相應(yīng)的措施。

科思創(chuàng)是最早進(jìn)入這一應(yīng)用領(lǐng)域的熱塑性材料供應(yīng)商。早在2007年，科思創(chuàng)的前身、當(dāng)時(shí)的拜耳材料科技就與睿普共同作為合作方，參與了克勞斯瑪菲在當(dāng)年德國(guó)K展上的SkinForm工藝演示，提供了PC/ABS骨架材料，用于生產(chǎn)Skoda汽車的車門內(nèi)飾板?？扑紕?chuàng)將一步法工藝稱為DC，即直接涂層技術(shù)。經(jīng)過(guò)10余年持續(xù)不懈的研發(fā)和經(jīng)驗(yàn)積累，目前科思創(chuàng)已建立起包括骨架材料、模具設(shè)計(jì)輔助、加工工藝和終端應(yīng)用的完整技術(shù)平臺(tái)，在全球多地設(shè)有直接涂層技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)和DC工藝設(shè)備，并開(kāi)發(fā)出多款適用于一步法工藝的材料，擁有專為反應(yīng)性模內(nèi)涂裝工藝開(kāi)發(fā)的模流分析軟件，可以為客戶提供模具設(shè)計(jì)幫助。位于上海的科思創(chuàng)技術(shù)中心成功地將瑞士Isotherm公司的PUR設(shè)備與ENGEL的注射成型機(jī)集成為一體化的生產(chǎn)單元并運(yùn)行一步法工藝，為客戶提供含項(xiàng)目可行性評(píng)估、材料認(rèn)證與制樣，以及使用客戶模具制樣的全套服務(wù)。與同為材料供應(yīng)商的睿普一樣，科思創(chuàng)不僅提供骨架材料，還提供完整的成型技術(shù)和整體解決方案。鑒于一步法工藝本身的特點(diǎn)，各技術(shù)環(huán)節(jié)之間良好和緊密的配合是項(xiàng)目成功的先決條件。作為緊密關(guān)聯(lián)的材料供應(yīng)商，科思創(chuàng)與睿普兩家公司共同驗(yàn)證并確認(rèn)了多種適用于一步法工藝的材料配對(duì)，可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景為客戶推薦合適的材料組合。在2016年的K展上，該公司展出了全新設(shè)計(jì)的方向盤蓋原型，其高度的功能集成和工藝難度，充分體現(xiàn)了科思創(chuàng)在DC工藝上的經(jīng)驗(yàn)積累和全面的技術(shù)整合能力(如圖1所示) 。

模具

同設(shè)備和材料一樣，模具同屬一步法工藝的核心要素。但與設(shè)備和材料這兩個(gè)通用性強(qiáng)、確定性高的要素不同，每個(gè)新產(chǎn)品、新項(xiàng)目都需要與之相配的新模具，這是一步法工藝中的一個(gè)變量，在一定程度上影響著產(chǎn)品的品質(zhì)和生產(chǎn)成本，并可能決定項(xiàng)目的成敗。合理的模具設(shè)計(jì)和高品質(zhì)的模具制造，不僅能保障產(chǎn)品的品質(zhì)和良率，而且能最大程度地減少澆注口和溢料口處的涂層材料消耗，提高涂層材料的利用率，降低生產(chǎn)成本。

一步法工藝的模具設(shè)計(jì)與雙色注射的模具設(shè)計(jì)原理基本相同，第一個(gè)模腔用于注射熱塑性骨架材料，第二個(gè)模腔用于表面涂層的注射，兩個(gè)模腔共用同一個(gè)后模。骨架材料在第一個(gè)模腔內(nèi)成型后，開(kāi)啟模具，模具的后模連同骨架一并相對(duì)地移至第二個(gè)模腔的位置。合模后，骨架與第二個(gè)前模構(gòu)建的模腔即定義了涂層的厚度和造型。單從注射過(guò)程看，注射骨架充當(dāng)了后模的功能。模具前后模的相對(duì)移動(dòng)，可以借助上下或平行移動(dòng)的機(jī)臺(tái)實(shí)現(xiàn)，也可以借助固定旋轉(zhuǎn)的機(jī)臺(tái)實(shí)現(xiàn)。使用旋轉(zhuǎn)機(jī)臺(tái)，可以并行完成骨架材料和涂層材料的注射，相應(yīng)地縮短了節(jié)拍時(shí)間，更適合大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。

圖1 科思創(chuàng)在2016 K展上展出的方向盤罩蓋集成了多個(gè)特別適合使用一步法工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)的表面特征，如3D造型，彩色和透明涂層，高光、啞光和皮紋等外觀效果，觸感的和諧集成，裝飾膜和功能膜的有機(jī)嵌入，觸控表面以及背部氛圍燈效果等，左圖為方向盤罩蓋的局部效果，右圖為整體效果（圖片來(lái)自Covestro Deutschland AG）

一步法工藝的模具與雙色注射模具的最大差異在于第二模腔的設(shè)計(jì)。在一步法工藝中，第二射使用的是黏度極低的聚氨酯或聚脲材料。為有效防止溢料并保證連續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程，模具的封閉必須在熱塑性材料的骨架上完成，而非像雙色注射那樣，可以通過(guò)前后模金屬對(duì)金屬的封閉來(lái)實(shí)現(xiàn)，這也意味著某些產(chǎn)品的設(shè)計(jì)無(wú)法通過(guò)一步法工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)前后模金屬之間的封閉，可以有效規(guī)避這一限制，目前也有成功的嘗試，期待通過(guò)量產(chǎn)項(xiàng)目進(jìn)一步驗(yàn)證這種設(shè)計(jì)的可靠性。

在歐洲，有多家模具廠商不同程度地參與過(guò)一步法工藝的技術(shù)開(kāi)發(fā)和市場(chǎng)化進(jìn)程，具有代表性的是Hofmann和Sch?fer兩家公司。Hofmann是一家成立于1958年的德國(guó)家族企業(yè)，現(xiàn)有員工400余人，業(yè)務(wù)涉及含汽車在內(nèi)的多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。Hofmann曾為SkinForm量產(chǎn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)制造過(guò)模具，從2009年起，作為合作伙伴參與過(guò)多個(gè)由克勞斯瑪菲主持的ColorForm展會(huì)項(xiàng)目和客戶項(xiàng)目，同時(shí)也為2016年第一個(gè)ColorForm的量產(chǎn)項(xiàng)目（全新標(biāo)致3008 SUV的A柱飾條）提供了配套模具。Sch?fer是一家成立于1990年的奧地利家族企業(yè)，與ENGEL總部同在奧地利的小城Schwertberg，現(xiàn)有員工170余人。Sch?fer專注于精細(xì)和特色模具的設(shè)計(jì)與制造，同時(shí)也使用薄膜注射成型工藝為汽車行業(yè)供應(yīng)內(nèi)外飾件。2009年，Sch?fer為clearmelt技術(shù)設(shè)計(jì)并提供了第一套模具，自此，參與過(guò)多個(gè)由ENGEL主持的clearmelt展會(huì)項(xiàng)目和客戶項(xiàng)目。2012年，Sch?fer在自己的技術(shù)中心引入clearmelt設(shè)備，開(kāi)始為客戶提供全方位的服務(wù)，設(shè)計(jì)并制造適用于一步法工藝的模具。2018年，德國(guó)庫(kù)爾茲公司收購(gòu)了該公司的部分股權(quán)，正式將Sch?fer納入旗下，從此擁有了更多的一步法工藝資源。

泰安模塑是國(guó)內(nèi)引入ColorForm技術(shù)和設(shè)備的第一家企業(yè)，主營(yíng)模具和汽車內(nèi)外飾部件的設(shè)計(jì)與制造，作為克勞斯瑪菲的合作伙伴，共同推進(jìn)了ColorForm在中國(guó)的市場(chǎng)化進(jìn)程。該公司現(xiàn)有克勞斯瑪菲2016年推出的緊湊型GXW 650-2000 ColorForm設(shè)備，搭載模具旋轉(zhuǎn)機(jī)臺(tái)和3組分混合頭，可以快速實(shí)現(xiàn)不同涂層顏色之間的切換。泰安模塑擁有成功設(shè)計(jì)并制造多套ColorForm模具的經(jīng)驗(yàn)，不僅可以為客戶提供全方位的服務(wù)，設(shè)計(jì)并制造適用于一步法工藝的模具，而且有條件使用ColorForm工藝為客戶生產(chǎn)高品質(zhì)的ColorForm產(chǎn)品。

2019年，伊之密開(kāi)始介入一步法工藝的應(yīng)用，與德國(guó)Frimo公司合作，推出了名為ReactPro的聚氨酯與注射成型一體化的成型設(shè)備和工藝。ReactPro工藝的獨(dú)特之處在于，伊之密與其合作伙伴德國(guó)模具設(shè)計(jì)公司GK CONCEPT推出的低成本InPUR“1+2”模具技術(shù)，該技術(shù)采用機(jī)械手取件的方式，將一步法工藝中第一個(gè)環(huán)節(jié)成型的注射骨架件直接取出并移至第二個(gè)模腔中以注射表面涂層，從而取代了ColorForm和clearmelt工藝使用的平移或轉(zhuǎn)臺(tái)技術(shù)。如圖2所示，在2019年的廣州國(guó)際橡塑展上，伊之密現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋樣件，通過(guò)選擇性地利用反應(yīng)性模內(nèi)修飾技術(shù)，在部件的中間部分創(chuàng)造出了鋼琴黑的外觀效果。雖然這種設(shè)計(jì)效果可以借助雙色注射、然后使用清漆涂裝的方式實(shí)現(xiàn)，或者，將發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋分拆為兩部分，分別通過(guò)不同的注射或涂裝工藝來(lái)獲得所需的外觀，然后在背部通過(guò)焊接將它們組裝成完整的部件，但缺點(diǎn)是，引入了物理縫隙。因此，無(wú)論是產(chǎn)品的外觀品質(zhì)，還是綜合生產(chǎn)成本，上述兩種方法都無(wú)法達(dá)到一步法工藝所能達(dá)到的水平，也無(wú)法100%地滿足設(shè)計(jì)要求。而使用一步法工藝生產(chǎn)該部件面臨的挑戰(zhàn)是，必須在反應(yīng)性模內(nèi)涂裝環(huán)節(jié)，將澆口和溢料端安置在注射骨架件的背部，這在過(guò)去未曾有過(guò)嘗試。在ReactPro工藝中，將注射骨架件取出并放入第二個(gè)固定的后模之中，這一過(guò)程恰好為PUR混合頭在固定后模中的安放提供了便利條件。通過(guò)將涂層材料的澆口和溢料端置于注射骨架件的背部，然后從背部澆注涂層材料，真正實(shí)現(xiàn)了低成本和高品質(zhì)的最佳結(jié)合。另外，從背部澆注的模具設(shè)計(jì)，使得產(chǎn)品在出模后無(wú)需切除澆口和溢料，這給成型廠商帶來(lái)了極大的便利。總之，InPUR“1+2”模具技術(shù)不僅為采用此類設(shè)計(jì)的產(chǎn)品提供了最佳解決方案，也為一步法工藝的模具設(shè)計(jì)拓寬了思路。

圖2 采用伊之密ReactPro工藝制造的發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋（正面和背面），從背面可以識(shí)別出澆注口和溢料端（圖片來(lái)自廣東伊之密精密機(jī)械股份有限公司）

國(guó)內(nèi)另一家涉足一步法工藝模具制造的企業(yè)是天津岐塑科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱岐塑科技）。作為日本多田精機(jī)在華的合資企業(yè)，岐塑科技將多田精機(jī)創(chuàng)新的“單純依靠模具成型實(shí)現(xiàn)立體花紋”的技術(shù)引入中國(guó)，借助自身精于表面造型和花紋設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)以及對(duì)不同材料相互作用和顏色合成的深度理解，推出了μ-touch技術(shù)并獲得了中國(guó)專利授權(quán)。如圖3所示，該技術(shù)結(jié)合聚氨酯反應(yīng)性模內(nèi)涂裝工藝，無(wú)需使用膜片即可實(shí)現(xiàn)顏色豐富、結(jié)構(gòu)各異且具有清晰立體感的表面效果。在一步法工藝的第一個(gè)注射環(huán)節(jié)，借助模具表面的花紋和精細(xì)結(jié)構(gòu)，在成型骨架的同時(shí)，即可獲得產(chǎn)品設(shè)計(jì)所要求的花紋和表面結(jié)構(gòu)，如幾何圖案、碳纖或木紋等效果；在第二個(gè)模內(nèi)涂裝環(huán)節(jié)中，PUR涂層對(duì)骨架表面的花紋和結(jié)構(gòu)施以有效保護(hù)，同時(shí)強(qiáng)化表面真實(shí)的立體感。與INS等膜片注射工藝相比，二者各有優(yōu)勢(shì)和局限，可以根據(jù)產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)和技術(shù)要求選擇更適合的工藝。μ-touch模具技術(shù)與一步法相結(jié)合的工藝過(guò)程緊湊高效，通過(guò)模內(nèi)涂裝這個(gè)主動(dòng)成型環(huán)節(jié)，可以非常方便地構(gòu)建某些使用膜片技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜的表面結(jié)構(gòu)或棱角曲度以及局部的3D立體效果，提高了產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)的自由度。與之相比，膜片借助印刷工藝可以實(shí)現(xiàn)多色彩效果，且可以隨時(shí)通過(guò)切換膜片，賦予同一注射產(chǎn)品不同的外觀，更有利于產(chǎn)品外觀的多樣化設(shè)計(jì)。

圖3 μ-touch模具技術(shù)與表面透明涂層相結(jié)合的應(yīng)用案例（圖片來(lái)自天津岐塑科技有限公司）

一步法工藝可能實(shí)現(xiàn)的表面設(shè)計(jì)效果

下面，結(jié)合睿普參與過(guò)的3個(gè)項(xiàng)目，進(jìn)一步與大家分享一步法工藝所能達(dá)到的與眾不同的表面設(shè)計(jì)效果。

采用一步法工藝，許多過(guò)去難以實(shí)現(xiàn)或完全無(wú)法實(shí)現(xiàn)的外觀設(shè)計(jì)，可以非常便利地通過(guò)相應(yīng)的模具設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)，無(wú)論是各種不同外觀效果在同一表面的自由組合，還是具有晶瑩剔透水晶般立體效果的3D表面，以及各種使用功能和外觀裝飾功能集成的智能表面。隨著一步法工藝市場(chǎng)化進(jìn)程的深入，相信會(huì)催生一批全新、與眾不同的設(shè)計(jì)理念，并使極度精細(xì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)。

圖4所示是一款汽車中控的局部表面效果，其特點(diǎn)是，表面的一部分是高光效果，另一部分是啞光效果，這兩個(gè)相鄰部分之間有非常清晰的隔斷。使用一步法工藝，只需在模具表面相應(yīng)地制作高光和啞光部分即可，而且隔斷部分的寬窄和深淺都可以自由定義。如果使用普通的噴漆工藝，需要采用遮蓋方式，分別噴涂高光漆和啞光漆，其難度較大，而且無(wú)法達(dá)到一步法工藝所能實(shí)現(xiàn)的清晰隔斷和美觀效果。另一種方法是，將部件分成兩部分，分別噴涂高光漆和啞光漆，然后通過(guò)背部焊接將它們組裝成一個(gè)產(chǎn)品，這會(huì)引入物理縫隙，同樣無(wú)法達(dá)到一步法工藝所能實(shí)現(xiàn)的清晰可定義的隔斷和美觀效果。顯然，針對(duì)這個(gè)樣件，一步法工藝無(wú)疑是兼具品質(zhì)優(yōu)勢(shì)和綜合成本優(yōu)勢(shì)的解決方案。該樣件的另一個(gè)特征是左右分布的兩個(gè)圓孔。作為涂層材料，聚氨酯具有非常低的黏度和優(yōu)異的流動(dòng)性，這使其在反應(yīng)性模內(nèi)涂裝環(huán)節(jié)中，不會(huì)因孔洞或其他對(duì)材料流動(dòng)有影響的表面造型而形成熔接痕和流痕，同時(shí)也無(wú)需考慮流長(zhǎng)比問(wèn)題，從而極大地提高了產(chǎn)品表面造型和外觀效果的設(shè)計(jì)自由度。因此，使用聚氨酯模內(nèi)涂裝工藝可以非常便利地實(shí)現(xiàn)多種前沿的設(shè)計(jì)理念。

圖4 一款汽車中控的局部表面效果（圖片來(lái)自Rühl Puromer GmbH）

圖5 庫(kù)爾茲在2019 K展上首次展出的IMD PUR案例（圖片來(lái)自LEONHARD KURZ Stiftung ＆ Co. KG）

圖6 采用晶瑩剔透的聚氨酯涂層，可以輕松地賦予表面高光或啞光效果，涂層造型和厚度可以按需設(shè)定，以獲得滿意的深度效果。睿普的puroclear＠自修復(fù)涂層材料依靠自修復(fù)功能，提供了高度的耐刮擦性。該樣品全封閉、無(wú)縫隙，防水并滿足耐候要求（圖片來(lái)自Rühl Puromer GmbH）

德國(guó)庫(kù)爾茲公司開(kāi)發(fā)的IMD PUR工藝，是模內(nèi)轉(zhuǎn)印工藝IMD與聚氨酯反應(yīng)性模內(nèi)涂裝工藝相結(jié)合的雙重表面修飾工藝，也可以認(rèn)為是嵌合膜片的一步法工藝。該工藝將IMD和PUR反應(yīng)性注射工藝的優(yōu)勢(shì)集于一體，在一個(gè)連續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程中，先通過(guò)常規(guī)的IMD工藝完成注射件的2D表面裝飾，隨后以此為后模，在第二模腔內(nèi)注入聚氨酯材料，以實(shí)現(xiàn)具有縱深感的3D表面效果。如圖5所示，在2019年的德國(guó)K展上，庫(kù)爾茲首次展出了IMD PUR工藝，利用一臺(tái)集成了亨內(nèi)基PUR設(shè)備的ENGEL Duo 2460/900注射成型機(jī)，對(duì)一個(gè)汽車前面板進(jìn)行了雙重表面裝飾，展示了IMD PUR工藝所能達(dá)到的與眾不同的設(shè)計(jì)效果。一年后，ENGEL通過(guò)主題為live e-xperience的線上展會(huì)，演示了IMD PUR工藝。ENGEL選取同一面板，使用睿普第二代聚氨酯表面涂層材料，以更短的節(jié)拍時(shí)間完成了這一連續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程。該前面板具有單一圖像設(shè)計(jì)，呈現(xiàn)黑色到藍(lán)色的漸變效果，內(nèi)部結(jié)構(gòu)從PUR涂層深處浮現(xiàn)，充分彰顯出精致奢華的外觀設(shè)計(jì)與現(xiàn)代科技感的完美結(jié)合。

圖6所示是通過(guò)一步法工藝/Polyform 3D技術(shù)實(shí)現(xiàn)的功能集成樣件，它集成了帶有觸覺(jué)反饋功能的觸控開(kāi)關(guān)、顯示屏以及高度可設(shè)計(jì)的表面效果，屬智能表面的HMI應(yīng)用。用于生產(chǎn)演示的原型機(jī)由瑞士abatek公司和瑞士易碩騰公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)，該原型機(jī)也為后續(xù)量產(chǎn)賓利SUV的車鑰匙提供了技術(shù)基礎(chǔ)。一定程度上講，該樣件與前兩個(gè)案例有相似之處：其表面分為高光區(qū)和啞光區(qū)，二者之間有清晰的分界線，觸控開(kāi)關(guān)處構(gòu)成明顯突起的3D效果，這些，通過(guò)使用一步法工藝可以非常便利地實(shí)現(xiàn)：采用印刷技術(shù)，將白色的標(biāo)識(shí)部分和黑色的底色準(zhǔn)確定位于TPU薄膜上，先通過(guò)背部注射使骨架材料與印有開(kāi)關(guān)標(biāo)識(shí)的TPU薄膜復(fù)合在一起，再作為一個(gè)整體進(jìn)入第二膜腔，注入透明聚氨酯，從而在TPU薄膜表面形成具有造型和保護(hù)功能的涂層。聚氨酯涂層的自修復(fù)功能和表面整體防水特性，進(jìn)一步強(qiáng)化了這種保護(hù)功能。隨著智能表面在汽車和多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的增多，相信一步法工藝會(huì)有更大的應(yīng)用空間。事實(shí)上，各種市場(chǎng)反饋也證實(shí)了這一發(fā)展趨勢(shì)。

結(jié)語(yǔ)

無(wú)論是汽車、消費(fèi)電子，還是家用電器，亦或家居，幾乎在日常生活的每個(gè)領(lǐng)域，消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品外觀的要求都越來(lái)越高，產(chǎn)品的外觀品質(zhì)直接影響著消費(fèi)者的購(gòu)買欲望和購(gòu)買決策，而這正是一步法工藝的優(yōu)勢(shì)和切入點(diǎn)。個(gè)性化的表面設(shè)計(jì)，色彩豐富、科技感強(qiáng)、外觀簡(jiǎn)潔且功能強(qiáng)大，這些，都可以通過(guò)一步法工藝實(shí)現(xiàn)。作為一個(gè)技術(shù)層面上已經(jīng)相當(dāng)成熟，商業(yè)上尚處于市場(chǎng)化初期階段的新工藝，一步法工藝后續(xù)的發(fā)展和應(yīng)用前景值得期待。智能表面在汽車和多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的與日增多，將直接推動(dòng)一步法工藝的市場(chǎng)化進(jìn)程。一步法工藝的應(yīng)用重點(diǎn)將不再是取代噴漆涂裝，而是更多地發(fā)揮其表面可設(shè)計(jì)和功能可集成的優(yōu)勢(shì)，將HMI人機(jī)交互解決方案作為未來(lái)的應(yīng)用重點(diǎn)，例如，實(shí)現(xiàn)氛圍燈背光設(shè)計(jì)的平滑表面，使用觸摸和手勢(shì)即可操控的人機(jī)界面，擁有時(shí)尚外觀和隱藏操作功能的家用電器等。有理由相信，一步法工藝將迎來(lái)廣闊的發(fā)展空間。