憑借其多功能性，聚氨酯在各個(gè)方面的應(yīng)用都取得了進(jìn)展：以一個(gè)由Fermapor CC制成的聚氨酯泡沫密封件為例，它具有超低的吸濕性和良好的耐冰水性，因此常被用作閉孔系統(tǒng)或有機(jī)硅泡沫的廉價(jià)替代品（© Sonderhoff）
聚氨酯（PU）一直以來都被當(dāng)作一種用途廣泛的材料。由于其初始產(chǎn)品可以化學(xué)裁剪，因此它幾乎出現(xiàn)在我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)角落。所以，PU多年來一直在全球保持著持續(xù)增長(zhǎng)也就不足為奇了。為了實(shí)現(xiàn)更高效的生產(chǎn)制造、改善產(chǎn)品性能并開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域，材料生產(chǎn)商和機(jī)械制造商推出了眾多不同的創(chuàng)新。當(dāng)然，其中一個(gè)關(guān)鍵因素是整個(gè)流程鏈的數(shù)字化，它已經(jīng)成為整個(gè)PU行業(yè)長(zhǎng)期發(fā)展的加速器和推動(dòng)力。
涂料快速更換
在生產(chǎn)高質(zhì)量功能性裝飾表面的過程中，包含彩色PU或聚脲系統(tǒng)的涂層載體部件已成為一個(gè)具有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力的工藝。考慮到客戶的個(gè)性化需求，高效的涂料更換是部件生產(chǎn)過程中最重要的挑戰(zhàn)之一。
德國(guó)亨內(nèi)基公司和奧地利恩格爾公司的聯(lián)合項(xiàng)目通過將異氰酸酯組分和涂料組分分成不同的單元實(shí)現(xiàn)了多種有色聚氨酯系統(tǒng)的柔性生產(chǎn)。Colourline Multi-Connect技術(shù)（圖1）是一種即插即用的模塊化系統(tǒng)，它最多可搭載七個(gè)涂料模塊，每個(gè)模塊配有獨(dú)立的混合頭。將所需的涂料模塊與異氰酸酯中央計(jì)量單元相連即可開始使用。通過這一智能原理，涂料更換無需任何沖洗或清潔措施即可在15分鐘內(nèi)完成。
圖1 Colourline Multi-Connect：這種模塊化機(jī)器系統(tǒng)可將涂料更換的時(shí)間縮短到15分鐘以內(nèi)（©亨內(nèi)基）
意大利康隆公司開發(fā)了一種多色混合頭，專為微孔泡沫有色制品的柔性生產(chǎn)而設(shè)計(jì)，如方向盤、汽車內(nèi)飾件和家具部件等。具有QCC（涂料快速更換）配置的FPL SR混合頭可通過專用噴嘴在不同涂料之間進(jìn)行無廢料快速切換，因此第三部件能夠在不沖洗清潔混合室的情況下進(jìn)行更換。
德國(guó)克勞斯瑪菲公司生產(chǎn)的新型多色混合頭MK 10/15-UVP-2K+4（圖2）允許最多四種涂料直接進(jìn)入混合室并且相互獨(dú)立地進(jìn)行計(jì)量。涂料相互分開，但可以通過混合頭隨時(shí)切換使用。因此，用戶可以在實(shí)際生產(chǎn)過程中省去涂料更換的步驟和時(shí)間。計(jì)量在多元醇噴嘴和混合室之間同時(shí)進(jìn)行，因此不會(huì)發(fā)生涂料被帶入多元醇組分的情況。
圖2 涂料快速更換：MK 10/15-UVP-2K+4轉(zhuǎn)換混合頭允許最多四種涂料進(jìn)行計(jì)量而不會(huì)發(fā)生涂料轉(zhuǎn)移的情況（©克勞斯瑪菲）
密封性
除了生產(chǎn)不同涂料的模制件之外，聚氨酯的另一個(gè)重要應(yīng)用是用作密封材料。該領(lǐng)域在最近幾年有了進(jìn)一步發(fā)展。
舉例來說，德國(guó)Sonderhoff公司已能利用最新的雙組分PU系統(tǒng)生產(chǎn)閉孔密封泡沫。該泡沫具有極低的吸濕性和透氣性，并且極耐冰水。Fermapor CC密封系統(tǒng)（標(biāo)題圖）通過最新開發(fā)的原位成型閉孔（FIP CC）工藝進(jìn)行加工，為以前的閉孔系統(tǒng)和硅泡沫提供了極具價(jià)格吸引力的替代品。最新開發(fā)的DM 402/403 CC專利混合計(jì)量技術(shù)專為這一應(yīng)用而選用。其創(chuàng)新之處在于混合頭和材料制備：材料再循環(huán)不再必要，因此有利于材料更換和工藝適應(yīng)。此外，密封泡沫在計(jì)量之后即可在部件上達(dá)到近乎完全反應(yīng)的體積。
圖3 鉤環(huán)閉合：這種用于電纜泡沫封裝的模具技術(shù)能夠密封絕緣電纜線股，從而確保泡沫不會(huì)從模具中溢出（© Frimo）
密封技術(shù)的另一個(gè)特殊應(yīng)用領(lǐng)域是電纜的直接泡沫封裝。德國(guó)Frimo公司開發(fā)了一種涉及鉤環(huán)閉合的工藝，絕緣電纜線股通過該工藝能夠可靠地密封，從而確保泡沫不會(huì)從模具中溢出（圖3）并且獲得高部件質(zhì)量。然后，通過特殊的薄膜澆口將混合物注入到閉合的模具中，泡沫填充重量在20-200g之間。此外，還有內(nèi)部開發(fā)的手動(dòng)吊臂可供高壓PU計(jì)量設(shè)備PURe Mix Eco使用。
節(jié)省資源
目前，最重要的開發(fā)主題之一是資源的可持續(xù)和有效利用。其中的關(guān)鍵包括增加初始材料的附加值以及回收產(chǎn)品壽命已盡的材料。德國(guó)科思創(chuàng)公司多年來一直在開發(fā)以CO2為生產(chǎn)原料的多元醇，并與亞琛工業(yè)大學(xué)合作推出了CO2基材料。但是，CO2基多元醇的大規(guī)模使用還需要更多的開發(fā)工作，其重心應(yīng)在于提高工業(yè)資源的跨國(guó)利用。在這項(xiàng)工作中，歐洲機(jī)構(gòu)的支持至關(guān)重要。
除了利用CO2，還可以通過提高材料效率來節(jié)省油基原材料。由德國(guó)巴斯夫聚氨酯公司生產(chǎn)的Elastoflex E產(chǎn)品組中的一系列新系統(tǒng)可使重量顯著減輕并在不影響泡沫良好性能的情況下獲得約120g/l的泡沫密度。根據(jù)部件幾何結(jié)構(gòu)不同，泡沫重量最多可減輕30%。憑借極為堅(jiān)固精細(xì)的單元結(jié)構(gòu)，這種輕薄型系統(tǒng)可用于截面小于5mm的小型部件的生產(chǎn)。該產(chǎn)品組還包含一個(gè)以蓖麻油為可再生原料的泡沫系統(tǒng)。
就材料回收而言，機(jī)械制造商康隆在Cresim項(xiàng)目中展示了如何利用回收碳纖維制造復(fù)合材料部件。該工藝使用了生產(chǎn)廢料，因此這些纖維增強(qiáng)部件的材料成本得以減半，并且獲得了用原始材料生產(chǎn)的部件近85%的機(jī)械性能。用于開發(fā)該技術(shù)的項(xiàng)目（編號(hào)：Life11 ENV/IT/000095）因其實(shí)用性和創(chuàng)新性而獲得了2016年歐盟最佳LIFE項(xiàng)目獎(jiǎng)。
PU輕質(zhì)結(jié)構(gòu)部件
針對(duì)具有PU基質(zhì)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力纖維復(fù)合材料部件，多個(gè)機(jī)械制造商正在開發(fā)濕式模壓成型（WCM）工藝。其優(yōu)勢(shì)在于周期時(shí)間極短，無需預(yù)成型工藝，并且可以使用再生纖維。連續(xù)生產(chǎn)型材的制造有了新的發(fā)展。
隨著新型WCM噴嘴的開發(fā)，亨內(nèi)基公司憑借廣泛的工藝技術(shù)和客戶要求在其內(nèi)部WCM技術(shù)方面取得了重大進(jìn)展。新型噴嘴與其他市售噴嘴的不同之處在于它具有改進(jìn)的寬槽幾何結(jié)構(gòu)，可輕松更換并具有多種安全功能。開發(fā)WCM噴嘴時(shí)的重點(diǎn)是方便快捷的可維護(hù)性。這意味一個(gè)操作人員在數(shù)秒內(nèi)即可定位噴嘴或在維護(hù)期間輕松更換。
圖4 用于生產(chǎn)纖維增強(qiáng)聚氨酯型材的iPul生產(chǎn)線：在這條完整的生產(chǎn)線中，纖維浸漬在一個(gè)封閉的注射室中進(jìn)行，這樣可以減少工作環(huán)境污染并提高生產(chǎn)速度（©克勞斯瑪菲）
個(gè)別操作的自動(dòng)化也有助于縮短濕式模壓成型工藝的周期時(shí)間?？藙谒宫敺剖状瓮瞥隽巳詣?dòng)化的解決方案。配備針式抓爪的機(jī)器人收集纖維層并將它們送入操作臺(tái)，而配備混合頭（MK 10-2K-RTM）和寬槽噴嘴的搬運(yùn)機(jī)器人開始涂抹PU基質(zhì)。然后，抓取機(jī)器人將纖維層放入模具并開始模壓和固化操作。該方案還使用了具有PU基質(zhì)的RimStar 8/4 RTM計(jì)量設(shè)備。
科思創(chuàng)、克勞斯瑪菲和亞琛工業(yè)大學(xué)塑料加工研究所（IKV）的一個(gè)聯(lián)合項(xiàng)目進(jìn)一步開發(fā)了可擴(kuò)大聚氨酯樹脂工業(yè)用途的拉擠成型工藝。這項(xiàng)工作獲得了FSK創(chuàng)新獎(jiǎng)。還應(yīng)特別提及的是制造隔熱窗框和增強(qiáng)風(fēng)機(jī)葉片強(qiáng)度的工藝成本效率得到了提高。在這一開發(fā)過程中，克勞斯瑪菲首次推出了交鑰匙拉擠生產(chǎn)線（最新的iPul系列），其中機(jī)器、工藝和模具技術(shù)均來自同一供應(yīng)商（圖4）。新的生產(chǎn)線不再通過敞口模具來浸漬纖維，而是通過在封閉的注射室里的計(jì)量設(shè)備進(jìn)行。除了使拉擠成型機(jī)操作人員不再受氣味問題的困擾，新技術(shù)還可在固化過程中對(duì)溫度進(jìn)行精確控制，從而提高生產(chǎn)速度。
聚氨酯4.0
在工業(yè)4.0的背景下，一些PU公司正致力于開發(fā)數(shù)字化產(chǎn)品和服務(wù)，而這將為不同工廠部件的交互帶來好處。
康隆正在推進(jìn)多個(gè)有助于生產(chǎn)更靈活更快地適應(yīng)不同市場(chǎng)需求的項(xiàng)目。為此，該公司正在增加遠(yuǎn)程監(jiān)控、預(yù)測(cè)性維護(hù)以及與其他生產(chǎn)設(shè)備的集成等功能。通過這一方式，PU加工公司的機(jī)器可通過監(jiān)測(cè)和控制來減少停機(jī)時(shí)間、提高產(chǎn)量并減少能耗。
科思創(chuàng)多年來一直在控制室中應(yīng)用數(shù)字技術(shù)，從而通過數(shù)字化工藝控制系統(tǒng)來控制內(nèi)部生產(chǎn)。對(duì)于汽車行業(yè)的客戶來說，通過填充模擬進(jìn)行模具設(shè)計(jì)是常規(guī)做法。未來，整個(gè)價(jià)值鏈都將實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，從PU系統(tǒng)配制、混合和加工到機(jī)器人部件搬運(yùn)的所有工序都將能夠被模擬。這將大大縮短開發(fā)周期和一體化生產(chǎn)流程的實(shí)施。此外，科思創(chuàng)還可提供配備預(yù)測(cè)工具的數(shù)字服務(wù)平臺(tái)，它能夠根據(jù)特定生產(chǎn)環(huán)境在線確定最佳的PU配方和加工條件。
圖5 UltraSim：發(fā)泡模擬不僅能夠描述方向盤的加工情況，而且還能確定它們的機(jī)械性能（©巴斯夫）
在工藝設(shè)計(jì)和模擬領(lǐng)域，巴斯夫進(jìn)一步擴(kuò)展了其Ultrasim仿真工具，目前已能精確預(yù)測(cè)汽車方向盤制造過程中的發(fā)泡和固化情況（圖5）。該工具可計(jì)算出聚氨酯泡沫在模具中的關(guān)鍵化學(xué)反應(yīng)和流動(dòng)特性。發(fā)泡模具的排氣性是一個(gè)極其重要的參數(shù)，生產(chǎn)過程需要通過不同的方法來確保這一點(diǎn)。小型排氣孔的設(shè)置旨在防止部件在發(fā)泡過程中產(chǎn)生會(huì)影響方向盤穩(wěn)定性和外觀的孔隙。填充模擬功能能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的孔隙的位置和大小，從而減少所需的排氣孔數(shù)量并降低孔隙風(fēng)險(xiǎn)。
巴斯夫模擬工具還能夠計(jì)算密度分布情況，而這對(duì)于方向盤的觸感來說至關(guān)重要。為了預(yù)測(cè)部件各個(gè)地方的密度，材料模型經(jīng)過了進(jìn)一步開發(fā)，從而能夠根據(jù)化學(xué)反應(yīng)、環(huán)境溫度變化、壓力和初期氣體濃度來詳細(xì)描述泡沫膨脹情況。它不僅能夠描述聚氨酯泡沫方向盤的加工情況，而且還能確定部件本身的機(jī)械性能，例如：剛度和硬度。
結(jié)論
材料生產(chǎn)商和機(jī)械制造商正在通過定制生產(chǎn)、可持續(xù)和資源節(jié)約型材料和工藝解決方案以及滿足工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化來迎接PU行業(yè)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。在某些領(lǐng)域，這些措施已經(jīng)熱火朝開地展開了。而在某些領(lǐng)域，未來如何還有待加工公司如何利用技術(shù)和方法并新增哪些內(nèi)容。數(shù)字化領(lǐng)域還具有進(jìn)一步發(fā)展的潛力，因?yàn)镻U行業(yè)與其他塑料加工行業(yè)相比并不是該領(lǐng)域的先鋒。（文章來源于網(wǎng)絡(luò)）
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