图1 Carbon Motors公司的概念警车。在成型该警车的车身外饰板的过程中，该公司使用了Soliant LLC公司的Fluorex漆膜，以取代喷漆操作（图片来自Carbon Motors公司）

较长的生产周期和较高的生产成本正在促使复合材料加工商们采用新的技术，以取代传统的模塑后的二次精整加工工序，从而为他们的产品带来更高的成本竞争优势。传统的喷漆工艺则是这些新技术的主要取代对象。

一个众所公认的事实是：当一个复合材料制品成型脱模后，只表明工作完成了一半，而为产品增添亮丽的色彩、打上logo或者添加其他一些装饰性元素，也是产品制造过程的重要组成部分，同时，对产品的功能化处理也很重要，比如抗紫外线涂层的应用。对于加工商而言,这将有利于他们在日益激烈的市场竞争中赢得商机。按照传统的二次加工方法，对制品的精整处理常常导致整个生产时间和成本的极大增加。由于复合材料特有的优越性能，时常导致较高的前期投入成本。根据材料和成型方式的不同，这种前期投入通常会大于它们所取代的传统材料。因此，复合材料的加工商们已经发现，他们在市场中总是处于不利境地。

这一现状已成为促使复合材料加工商们去寻求先进技术，以减少甚至在某些情况下取消成型后二次精整加工的动力源泉，当然，所使用的技术必须确保生产出的产品要在功能性和美观性方面等同于甚至优于传统方法可能达到的水平。那些已经采用了此类技术的复合材料加工商们目前正在缩短生产循环周期，降低制造成本，并减少生产对环境的影响，从而为他们的产品带来了更高的成本竞争优势。

所有这些努力的一个主要针对目标是喷漆处理，这是最常用的制品装饰方法之一。尽管目前还难以预测喷漆生产线何时会被取消，特别是随着水性涂料的推出，极大地减少了以往的溶剂型涂料系统所带来的挥发性有机化合物（VOC）的排放，从而使得喷漆生产线仍被广泛应用。但是，喷漆操作却在模塑成型后增加了3道生产工序，包括：涂底漆、喷彩色涂料以及上清漆。并且当部件较大时，喷漆设备和烤炉往往会占用较大的生产地面。“这些烤炉被用于烘干涂料，仅此一项就会消耗大量的电能。” 汽车制造商Carbon Motors公司（位于美国亚特兰大）的首席开发工程师Trevor Rudderham说。因此，该公司决定，在为新型警车生产纤维增强车身板时，完全取消喷漆工艺。该公司期望，通过取消车身板的喷漆车间而节省几百万美元的投资成本。一般，投资一条传统的喷漆生产线，其费用大约是新车型工厂投资的40%。

“我们希望所有的这些外饰车身板都100%地可回收。” Rudderham补充说，为了实现这些目标，该公司正在考虑采用全新的技术。

在模内完成

这种新技术就是模内装饰（in-mold decorating ，简称“IMD”）。其工艺类别宽泛，包含有多种加工方法，在许多情况下，这些工艺方法实际上并非是新的技术。然而，这些工艺方法的共同之处在于，它们都能够在模塑成型周期内完成全部的或者至少是部分的精整加工。

就Carbon E7警车的外饰车身板而言，Carbon Motors公司正在对一种所谓的“薄膜嵌入成型”（film insert molding，简称“FIM”）技术进行研究。FIM技术的特点是，首先在一平整的热塑性薄膜的B面做必要的装饰处理，也就是众所周知的背面装饰。然后，对该薄膜进行热成型，使其接近于实际部件的形状。接着将热成型好的装饰性薄膜放入模内，并使其A面紧贴模具的型腔面，并从薄膜背面填充复合材料。其成型方式可以是：对干的增强材料层合结构的浸润成型、对连续纤维增强热塑性片材的热成型或模压成型，或者是短切纤维增强模塑料的注塑成型。

“采用纤维增强混配料的一个主要挑战是纤维增强成分的百分含量，以及该含量对薄膜和成型部件之间的层间粘接的影响。”沙伯基础创新塑料的全球技术开发工程师兼项目主管Michael Laurin警告说，“如果纤维含量超过30%，那么在许多终端使用环境的试验中就会出现分层现象。而制品表面的纤维外露则是另一个潜在的问题。”

图2 欧宝公司在制造2005 Zafira车型的车顶模块时，取消了成型后的底涂和喷漆工艺，而是采用沙伯基础创新塑料的Lexan SLX薄膜，在对薄膜预制成型后，采用长纤维增强聚氨酯材料经背部注射成型而完成该部件的生产（图片来自沙伯基础创新塑料）

在某些情况下，可以采用一种多层薄膜系统来模仿清漆的作用。它能够改善制品的表面特性，保护装饰层在加工过程中免受损伤，同时还可增强材料的粘接性。为此，Carbon Motors公司选用了由Soliant LLC制造的Fluorex漆膜，该薄膜由抗紫外线表层、聚偏二氟乙烯（PVDF）透明层以及丙烯酸彩色层所组成。同时，该公司还为立式车身板层合结构选择了由巴斯夫涂料部门提供的一种热塑性材料。通过与材料供应商的共同努力，Carbon Motors公司找到了一种可回收的热塑性复合材料，该材料能够适应模内装饰工艺的要求，并且具有足够的强度和刚性，以满足车身的使用要求。

尽管这些薄膜与热塑性复合材料之间具有天然的适应性，但经适当处理后，它们也同样适用于热固性的复合材料，特别是长纤维增强聚氨酯，因为该材料的加工温度和加工压力均低于片状模塑料（SMC）和团状模塑料（BMC）。例如，用于德国Smart公司的Smart ForTwo车型上的车顶模块就是一种具有A级表面质量的长纤维增强注射成型件（long-fiber injection，简称“LFI”），对该部件的装饰则采用的是一种热成型的3层共挤薄膜，该薄膜由沙伯基础创新塑料采用ASA/PC基材制成，它还带有一彩色涂层和一透明漆层。该部件的成型则采用了克劳斯玛菲的LFI聚氨酯成型工艺。利用该工艺技术，首先采用切碎机将玻纤粗纱切成预先设定的长度，然后在混合头中，聚氨酯反应体系对这些玻纤充分浸润。接着，将热成型好的薄膜放入模具中，并在其背部填充纤维/聚氨酯混合物。

总之，FIM工艺成功的关键在于部件和模具的设计。“在以往的生产中，我们使用了现有的模具,但成功率很低。这是因为我们需要对模具进行修改，以使其适应薄膜嵌入成型的要求。”沙伯基础创新塑料的Michael Laurin说。据介绍，对模具的修改包括：改变浇口、增加薄膜定位功能、将模具转变为热流道系统以及增添真空或排气口等。沙伯基础创新塑料不仅为FIM工艺提供特制的Lexan SLX薄膜，而且还提出了如下生产建议：

1. 尽量减少深拉操作或其他的厚度突变过渡区；

2. 部件的重要部位要远离深拉区域，以避免变形；

3. B面图案要远离注射浇口。

模内贴标（IML）与薄膜嵌入成型相类似，但区别是IML无需对薄膜进行热成型。IML工艺的特点是，在进行铺层或者注射前，将装饰好的平整的薄膜放入模具中。与传统的纸标签一样，该装饰性薄膜只被粘接到三维部件的部分表面上。通常，与薄膜粘接部分的轮廓突变相对较浅，这样可确保薄膜更好地服贴在部件上。对于那些需要为昂贵的订制产品添加耐久性标识图案的应用而言，该技术是一种理想的选择。“模内贴标是我们的一项增长型业务，它已经从3年前的10%增长到了目前的30%～40%。” Romo Durable Graphics 公司（位于美国威斯康星州）的销售代表Andy Spaeth说。

值得一提的是，薄膜装饰不只被限于像喷漆一样的单一着色方面，事实上，薄膜能够适应几乎任何类型的图案设计。按照沙伯基础创新塑料的说法，丝网印刷就是一种可在薄膜上印制图案的通用技术。但是，对高清晰度图案的要求则引起了对高分辨率图案印刷系统的试验和使用，如4色平版印刷、数码喷墨印刷以及其他更先进的技术。所有这些印刷系统都要求使用打底涂层或隔离涂层，以在薄膜背部成型的过程中，防止印刷油墨的冲蚀，同时增强薄膜与背部成型树脂的粘接性。总之，对材料的合理选用，包括薄膜、树脂或油墨等，是生产取得成功的关键。

Specialty Graphics Imaging Assn.（位于美国弗吉尼亚州）的技术专家Ray Greenwood介绍说，大多数的IML图案釉面都是通过平版印刷和胶版印刷技术获得的，“但是，由平版印刷、喷墨打印或胶版印刷的IML图案釉面会在一些特殊视觉效果方面有所局限，这就是为什么丝网印刷和压印技术仍然是工业应用中的主流技术。”此外，有时可能会要求在IML图案釉面中增加抗紫外线涂层，这就需要通过印刷工艺得以实现，以抵抗户外的暴晒。

对于那些想要为三维部件表面增添印刷图案的客户而言，一种模外选择方案是水转印技术，也就是众所周知的导电敷层法。有几家公司可提供这种基于导电敷层的技术，包括：位于美国密歇根州的Aqua Graphics USA和Cubic North America，以及日本Taica集团的一家关联公司。该技术适合于汽车部件、体育用品、电子装置以及其他各种各样的产品。在这种间接成像工艺中，二维图形，特别是纯色的、木质纹理的或者抽象的图案等，可通过上述方法中的一种被印制到水溶性的柔性薄膜上，然后再通过一种新的方法将图案转印到部件上，这种新方法可方便地确保平面图案平稳地转印到不平整的部件表面上。

Cubic North America的副总经理Lamie Haga对该公司的印刷工艺做了介绍：首先，采用凹版印刷技术将图案印制到水溶性的PVA薄膜上，然后对薄膜进行特殊处理，以重新活化或重新润湿油墨。接着，使印有图案的薄膜浮于热水面上，并让印有图案的一侧朝上。将基体部件由上向下推到薄膜表面上，借助于水的自然压力，即可实现图案的转印操作。最后，冲洗掉薄膜，对部件进行干燥，并施加保护性外涂层。

根据Haga的介绍，Cubic North America公司的水转印技术在纤维增强聚合物基体上的应用与在其他基材上的应用没有太大的区别。“几乎每一种基材都有其自身的挑战，并需要适合其特点的方法。” Haga说，“对于任何一种材料，必须了解它的特性，并使用正确的增粘剂。”

需要注意的是，前面提到过的几种印刷技术能够直接被用于对成型后的复合材料部件进行装饰处理。

只需少量步骤的涂色

事实上，一种可替代喷漆的更通用的IMD技术是模内涂层（in-mold coating，简称“IMC”）。该技术应用广泛，特别是在造船领域中。一般，使用常见的液态凝胶涂层即可实现IMC的生产。液态凝胶涂层是在铺层前被施加到开模中的，当然，也可在闭模生产中使用液态凝胶涂层，例如，克劳斯玛菲的LFI PUR工艺就可使用凝胶涂层。

然而，大多数的凝胶涂层都是在环氧树脂、乙烯基酯或不饱和聚酯树脂配方的生产中得以应用的，因为这些材料配方需要采用喷涂工艺，并且固化时间相对较长。但是，几乎所有的环氧树脂都要排放VOC，特别是在诸如汽车这样的终端应用市场，排放VOC物质的涂料已被禁止使用。因此，近年来IMC工艺得到了较快的发展，以满足汽车工业这一严格的VOC排放要求，并且IMC工艺已在底涂的模内应用中得到了实质性的进步。它要求取消喷涂操作，而是采用闭模生产的方式来阻止VOC的排放，即在部件完全固化后，将涂料注射到模具中。一般，可以采用下面两种方法中的任何一种来完成这一工艺过程：一种是高压注射法，即在此过程中，锁模力始终维持在注射涂层的水平，而注射压力则保持在3000~5000psi（210~350kg/cm2）的范围内；另一种是低压注射法（LPIMC），其特点是：轻微开启模具，将涂层注入到模内的空隙中。当模具重新闭合后，涂层在模内压力的作用下，均匀地分布到部件的表面上。这些方法最初是为注塑成型而设计的，目前也被用于模压成型和热成型生产中。

Omnova Solutions（位于美国俄亥俄州）是为SMC模压成型提供IMC技术的几家专业公司之一，这些公司在为SMC模压生产提供IMC技术方面已有超过25年的历史。据Omnova Solutions的技术服务经理Elliott Straus先生的介绍，与传统的成型后涂底漆的方法相比，IMC具有更多的优势。“模内涂层起着填充孔隙、减少气泡以及充当底涂或外涂层的作用。这样，可提高部件的表面质量，以满足汽车工业的标准要求。同时，IMC部件不会出现像涂底漆部件那样的桔皮折皱。”他补充说，“采用IMC工艺后，还消除了高低不平的斑点（0.1mm的波动），从而使部件表面更加平整，同时影像清晰度（distinctness of image，简称“DOI”）也得以提高。”

现在一种日益通用的方法是模内喷涂（in-mold painting），即在注塑或模压前，先将一种特殊配制的漆膜直接喷涂到开模中。该工艺的特点是：要求使用一个在线喷涂系统，但复杂的模具形状时常给准确喷涂带来困难。此外，漆层的表面质量则完全依赖于模具的表面质量。

克劳斯玛菲已将模内喷涂与其LFI PUR工艺结合在一起，用以生产A级表面的汽车部件。例如，印度的Harita TVS Technologies公司就采用克劳斯玛菲的技术生产出了高光泽表面的拖拉机发动机罩盖。其生产过程是：将高光泽的漆层涂料喷涂到模具的型腔面上，模具的型腔面事先经抛光处理而获得了高光泽的表面质量。然后，再将一种可防止纤维印透的隔离涂层喷涂到漆层涂料上。最后，向模具中注入LFI PUR混合物。

Ube Machinery公司（位于美国密歇根州）将其Imprest技术用于该公司的模内喷涂生产中。在采用全电动注塑机进行低压注塑成型的过程中，首先将纤维增强热塑性塑料注射到经特殊设计的模腔内，并始终保持低压状态，直到部件得到部分冷却。然后，轻微开启模具以创造一个内部空隙。通过一个内置的注射器，将涂料喷涂到部件表面上。最后，随着模具的再次闭合，使得涂料在部件表面得以固化，从而获得了A级表面质量。据介绍，注塑一个摩托车侧盖的典型成型周期是50s，而为模内喷涂操作增加的时间只有25s。

时间缩短，成本降低

尽管模塑后的精整处理法（如喷漆）将毫无疑问地继续适用于高产量的部件生产，特别是在汽车制造领域，传统的喷漆生产线已经在SMC车身部件上得到了成功应用。但是，本文介绍的各种模内的和模外的替代技术也将继续赢得人们的青睐。这些技术将依靠它们特有的优势，提高生产效率，为装饰设计提供更大的自由度，同时减少生产过程中有害物质的排放。而更重要的是，在复合材料加工商们的努力下，这些技术将成为取消不必要的工艺步骤、缩短生产时间以及确保产品能够以更低的价格优势参与更多市场竞争的重要武器。

直接多色成像

尽管直接印染属于一种模塑后的操作，而且只有在平坦的或近于平坦的表面上才能实现，但它却提供了一种对产品施加识别标签且不会导致标签外露的方法，由此可提高产品的认知价值。更重要的是，直接印染具有比其他的装饰方法更大的通用性。

Specialty Graphics Imaging Assn.（位于美国弗吉尼亚州）的技术专家Ray Greenwood认为，目前材料的种类繁多，相对于传统的基材和油墨而言，新的基材和新的油墨以及新的工艺方法不断涌现。用印染和印染介质替代喷漆的方法，可为制品带来各种各样的性能属性，包括：耐化学性、低摩擦性、光反射性、热反射性、耐热性、吸热性、耐水性、抗收缩性、抗紫外线性、纹理质感、导电性和电绝缘性等。此外，直接印染几乎不受部件大小的约束。对于非常小的部件（包括那些表面曲率变化甚微的部件）而言，压印是一种较适合的方案。而丝网印刷则适合用于从小到大的各种平坦表面上，一般可大至6.1m×3.0m。而对于那些低产量的大型部件而言，目前大多数的大型丝网印刷是采用喷墨法完成的。例如，Anderson America公司（位于美国北卡罗来纳州）就可为复合材料加工商提供大型的Cojet CNC紫外喷墨打印机（1.2m×2.4m），该打印机可在复合材料部件上印制多色图案。

Greenwood指出，对于装饰困难的基材而言，图案打印机已有较长的应用史，而这些装饰困难的基材远不只是纤维增强的热塑性和热固性塑料。Greenwood同时表示，今天的快速成型技术和CNC加工系统已经极大地减少了对夹具（用于将部件固定在数码喷墨机上）、压印机和丝网印刷机的初期投资成本，从而能够满足小批量的部件装饰需求。

专业的丝网印刷公司Mark-it（位于美国伊里诺斯州）的CEO Lance Johnson先生则强调了良好粘接的重要性。他说，“如果只是为了满足保存方面的需求，那么大多数的装饰方法都是适用的。但是，随着对部件要求的日益提高，通常很难找到一种能够为部件带来必要的性能属性的装饰方法，比如抗紫外线性、抗磨损性和抗化学性等。实际上，产品工程师们正在尽其所能地提高复合材料制品的表面硬度，使其更加耐用，并具有抗污垢、抗化学物质、抗紫外线和抗磨损的特性。” Lance Johnson补充说，为了应对这些挑战，Mark-it公司已经开发出了一种新的“有限分子粘接材料（finite molecular bonding materials）”，并且该公司已在碳纤增强复合材料部件上对这种材料进行了试用。随着试验的成功，该公司期望进一步降低这一新型印染材料的成本，使其低于传统的油墨系统。

复合材料部件上的永久性印记

用作产品标记、识别和质量追踪的序列号、条形码及其他数据信息可通过多种刻印技术而得以实现，包括点刻（dot peen）、化学蚀刻（chemical etching）、电蚀刻（electro-etching）和油墨压印（ink stamping）。而随着激光成本的降低，为美国国防部优先采用的激光刻印技术正日益被各个终端应用市场所广为采用。

图3 Anderson America 公司的Cojet CNC紫外喷墨打印机能够直接在复合材料部件（如此图所示）或碳纤维织物上印制出图案，并且图案的分辨率可达到照片的质量水平（图片来自Anderson America）

“激光刻印使得加工商能够获得永久的产品印记，即使多年后，仍可对这些印记进行追踪。” RMI Laser公司（位于美国科罗拉多州）的销售/市场负责人Kim Pacheo解释说，“在同样的时间范围内，还没有其他的刻印方法能够实现这样的永久性印记。”

“激光能够在金属、塑料、硅片和陶瓷表面上刻印出高分辨率（625dpi）的印记。” Kim Pacheo解释道。RMI Laser公司目前拥有广泛的激光刻印系统。对于小规模的生产，该公司的UM-1紧凑型1064nm激光刻印系统即可满足要求，其价格不到$20000。

此外，还有一些供应商能够为复合材料加工领域提供激光刻印系统，包括：美国马里兰州的Lenox Laser、美国新泽西州的Laser Corp.、美国纽约的Photonics Industries和美国亚利桑那州的Delta C Dynamics LLC。其中，Lenox Laser开发了一种可在高温复合材料部件上刻印标记的方法，据介绍，这些高温复合材料部件对激光具有抗力。而U.S. Laser Corp.则提供该公司的4060系列激光刻印系统，

图4 印制在碳纤维织物上的图案（图片来自Anderson America）

总之，作为一种非接触式的刻印技术，激光刻印在复合材料部件的生产中具有良好的应用潜力，特别是在航空、医疗和汽车制造领域中。