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輕量化已成汽車、航太與風電葉片的共同戰場，而碳纖維複合材料以高比強度、高比模數與耐腐蝕性脫穎而出。然而「貴、慢、難量產」一直是業界對它的刻板印象。傳統熱壓成型（Autoclave/Hot Press Molding）靠真空袋抽氣與外加壓力讓預浸料在 120 – 180 °C固化，一件大型機身蒙皮往往需4–6小時；近年興起的高壓樹脂轉注成型（HP-RTM）則在密閉模具內高壓注射低黏度環氧或PUR樹脂，配合快速固化配方將成型時間壓到5 – 10分鐘，為量產車用碳纖維車架鋪路。本文將從科學原理、製程參數、成本結構到實務應用全面比較兩大工藝，並提供選型與設計指引，協助工程師在開發初期就把握最佳性價比。
熱壓成型的科學原理與製程參數
熱壓成型通常使用預浸料（Prepreg）鋪層，依照層疊角度(±45°/0°/90°)配置入模，外覆聚酰亞胺真空袋並抽真空至−0.09MPa，使空氣與揮發物排出；接著在0.4 – 0.7 MPa下加壓升溫，樹脂熔融並滲流，壓力確保纖維體積含量(Vf)穩定55 – 60 %。固化動力學可用Kamal–Sourour模型描述：
dα/dt = (k1+k2αm)(1−α)n
其中 α 為反應轉化率，k₁、k₂隨溫度升高呈Arrhenius增長。控制升溫斜率2 – 3 °C/min可避免過度放熱造成樹脂微裂；最終施加降溫保壓至< 60 °C再拆模，以降低熱翹曲。
高壓 RTM：從樹脂注射到快速固化的關鍵
HP-RTM以乾式纖維增強體（DRF）置入剛性上、下模，合模後在50 – 120 bar壓力注射黏度 < 100 mPa·s的環氧或PUR，並迅速升溫至120 – 160 °C觸發自催化快速固化反應（t₉₀ ≈ 90–180 s）。流動前沿必須在10 s內覆蓋全模，否則纖維間空隙易捕捉氣體形成孔隙。模具通常配置熱管或油溫控制以維持±2 °C的溫度均勻度，確保固化收縮一致。由於 Cycle time受限於注射 + 固化 + 冷卻三段，可透過：
- 可變黏度樹脂：高流動→升溫急速增稠固化。
- 嵌入式電阻加熱模具：直接內熱，縮短升溫時間。
- 雙模交替：一台注射機服務兩套模具，提高 OEE。
性能/成本與環境：兩大工藝的全面比較
| 項目 | 熱壓成型 | 高壓 RTM (HP-RTM) |
|---|---|---|
| 典型纖維體積含量 Vf (%) | 55 – 60 | 50 – 55 |
| 孔隙率 (%) | < 1 (優化可至 0.2) | 1 – 3 |
| 成型壓力 (MPa) | 0.4 – 0.7 | 5 – 12 (50–120 bar) |
| Cycle time (min) | 60 – 240 | 5 – 10 |
| 設備投資 (相對) | 高（高壓釜/熱壓機） | 中（注射機+剛性模具） |
| 材料成本 (相對) | 高（預浸料） | 低（乾纖維+低黏度樹脂） |
| 年產能 ≥10 萬件可行性 | 難 | 可 |
| 揮發物 / 排放 | 幾乎為零 | 需回收揮發單體 |
選型指南與應用案例：從超跑到風電葉片
- 超跑單體殼 Monocoque
- 需求：高剛性、批量 5k – 10k/年。
- 方案：HP-RTM + 碳布織物，Cycle time 7 min，剛性重量比提升 20 %。
- 大型客機機翼蒙皮
- 需求：極低孔隙率、長度 > 20 m。
- 方案：熱壓成型 + 鋪帶機（AFP），孔隙率 < 0.5 %，符合航空級疲勞壽命。
- 風電葉片根部接頭
- 需求：厚度 30 mm 以上、纖維含量高。
- 方案：雙工位 HP-RTM，注射高韌性 PUR，Cycle time 15 min，降低葉片總重 8 %。
決策流程
- < 5 min Cycle & 中量產 → 首選 HP-RTM。
- 高纖維體積含量 & 超低孔隙 → 熱壓成型仍具優勢。
- 複雜中空構件 → 可考慮 RTM+發泡芯或熱壓+可溶芯混合。
工藝選擇決定競爭優勢
熱壓成型與高壓 RTM 並非誰取代誰，而是依批量、孔隙率、纖維體積含量、Cycle time與資本投資各有所長。面對汽車電動化與淨零碳排的壓力，HP-RTM 以低材料成本與高節拍殺出一條量產新路；但在結構安全極度嚴苛、對孔隙率要求< 0.5 %的航太零件，熱壓成型的精密控制仍是不可替代的保險。工程師若能在產品概念階段即利用本文提供的比較表與案例，定量評估每平方公尺成本(€/m²)與生產節拍(pcs/h)，即可在設備採購與工藝驗證上贏得寶貴時間，將碳纖維複材的高性能真正轉化為市場競爭優勢。
