Технология изделий из термопластов

Пожалуй, ни один из методов переработки пластмассы не является более пригодным как для массового и наиболее дешевого выпуска изделий разового назначения, так и для изделий несложной формы и больших габаритных размеров, выпускающихся в незначительном количестве. Этим методом из листов АБС получают даже такие крупные изделия, как корпуса подводных лодок. Корпусные детали, крыло, внутренние перегородки самолета-амфибии также изготавливаются методом вакуумного формования. Часто методы термоформования являются единственно приемлемыми для получения изделий с большой поверхностью и относительно небольшой толщиной стенок.
Методы пневмо- и вакуумформования для изготовления изделий из листовых материалов разрабатывались в нашей стране еще в сороковые годы прошлого века. Во всех методах формования изделий из пластиков лист термопласта перед формованием нагревают до температуры высокоэластичного состояния, а затем закрепленную по контуру заготовку устанавливают над формовочной камерой. Формование происходит под действием перепада давлений, создающегося между внутренней и внешней поверхностями листа. При вакуумформовании этот перепад равен разности давления окружающего воздуха и остаточного давления в форме, при пневмоформовании - разности между давлением сжатого воздуха и атмосферным давлением, при штамповке - давлением на заготовку с помощью специальных механических пуансонов.
Во многих случаях формованию предшествует подготовительная операция по изготовлению заготовок. При массовом и крупносерийном производстве изделий, как правило, либо завод-поставщик сырья, согласно договоренности, поставляет мерные заготовки, либо проектируется многоместная оснастка с учетом размеров выпускающихся листов термопласта. Кроме того, в случае применения комплексных линий, экструдер настраивается на выпуск листов с необходимыми габаритами.

При изготовлении мелких серий производится раскрой заготовок из стандартных листов. При этом учитывается, что листовые термопласты при нагреве дают усадку. Поэтому перед раскроем материала следует определить усадку для данной партии материала вдоль и поперек направления экструзии. Учитывать при раскрое следует и ориентацию исходного листового материала (направление экструзии). В направлении наибольшей ориентации исходной заготовки готовое изделие должно получить наименьшую вытяжку и, наоборот, в том направлении, в котором заготовка была наименее ориентирована (поперек экструзии), вытяжка должна быть наибольшей. При несоблюдении этого условия возникает неравномерность утонения материала, неоднородность деформационных свойств, остаточные напряжения, что приводит к деформации изделия после съема с прессформы.
Все эти проблемы решаются во время постановки технологического регламента представителями ООО «Арсенал Индустрии», немецкими наладчиками и специалистами крупнейшего отраслевого НИИ «Пластполимер» (СПб).
Раскрой листовых материалов производится вручную резаками, а также гильотинными ножницами, дисковыми или ленточными пилами.
Сегодня как правило используются плоскощелевые экструдеры с рабочей шириной экструдированного листа равной ширине матрицы формовочной машины. В случае использования широкоформатного экструдера устанавливаются станции резки и дополнительные посты намотки.

К заготовкам из термопластов, подлежащим формованию, предъявляются такие требования: они должны быть однородными, без посторонних включений и изъянов; разнотолщинность заготовок не должна превышать 10% по отношению к номинальной толщине; для листовых заготовок вязкость расплава материалов должна обеспечивать возможность нагревания в закрепленной раме и не давать большого провисания листа; термическая усадка листа должна быть минимальной и не превышать 3-5%.
Перед формованием заготовки нагреваются до температуры формования. Как правило, нагрев осуществляется вне формовочной зоны в различных электронагревательных устройствах. При пневмоформовании лист разогревается в свободном состоянии без фиксации в прижимной раме. Такой нагрев улучшает качество получаемого изделия за счет максимальной релаксации внутренних напряжений. При вакуумформовании лист нагревается в жестко зажатом состоянии, поэтому возможно провисание листа под собственной тяжестью вследствие температурного расширения или чрезмерного снижения вязкости материала при температуре формования. Для предотвращения провисания листа применяют предварительную вытяжку и ориентацию листовых материалов при экструзии. Возникающая при разогреве таких листов до рабочих температур усадка компенсирует тепловое расширение материала.

Разогрев листа следует производить равномерно. Неравномерный разогрев ведет к возникновению в листе внутренних напряжений, неравномерной вытяжке и образованию на изделии складок. Для создания равномерного температурного поля повышают температуру периферийных участков нагревателя с целью компенсации тепловых потерь в окружающую среду. В этом случае нагреватель должен быть разделен на зоны с индивидуальными регуляторами для дифференцированного регулирования температуры по всей поверхности нагреваемого листа. Допустимый перепад температур по поверхности листа ±(5-10)°С.

Нагрев листа до температуры формования может осуществляться инфракрасными нагревателями, расположенными с одной или с обеих сторон нагреваемого листа. В качестве нагревателей используют элементы сопротивления, изготовленные из нихромовой проволоки, лент или стержней. На некоторых машинах в качестве нагревательных элементов используют трубчатые электронагреватели (ТЭНы). Они состоят из жаропрочных металлических трубок, внутри которых расположена нихромовая спираль, изолированная от стенок трубки электроизоляционным материалом, обладающим хорошей теплопроводностью (например, оксидом магния). Применяют также кварцевые излучатели, трубка которых заполняется инертным газом. По оси трубки в дисковых изоляторах проходит вольфрамовая спираль, нагревающаяся при работе до 2473° К. Эти нагреватели работают в коротковолновом диапазоне инфракрасного излучения. Они обладают малой инерционностью и высоким КПД.

Конструкция нагревателя должна обеспечивать равномерную температуру по всей поверхности нагреваемого листа. Поэтому, если площадь обогреваемого листа превышает 0,5 м2, нагреватель разбивают на несколько тепловых зон с индивидуальным регулированием температуры. В каждую зону, снабженную индивидуальным регулятором температуры, входит один или несколько нагревательных элементов, сгруппированных таким образом, чтобы обеспечивать компенсацию потерь тепла на краях листа.
Для нагрева жестких (полистирол, поликарбонат, полипропилен) и толстолистовых термопластов рекомендуется применять двусторонний обогрев. Поэтому машины снабжают двумя нагревателями с одинаковой площадью нагрева, излучающие поверхности которых направлены навстречу друг другу. При этом в большинстве случаев мощность верхнего нагревателя в 1,5 раза больше мощности нижнего.

На одно- и двухпозиционных машинах чаще всего применяют подвижные нагреватели, перемещающиеся в горизонтальной плоскости; на многопозиционных обычно используют неподвижные нагреватели. Подвижный нагреватель для одностороннего нагрева состоит из каркаса и нагревательных элементов. Нагреватель находится в рабочем положении, в котором он остается до тех пор, пока лист не будет нагрет до заданной температуры. По окончании нагрева он отключается и отодвигается влево. При этом он оказывается над штабелем заготовок, верхняя из которых предварительно подогревается теплом, выделяемым остывающим нагревателем.

В некоторых конструкциях нагрев листовых заготовок производится в закрытых камерах. По принципу действия эти камеры можно разделить на камеры с чисто конвективным обогревом (с помощью горячего воздуха), камеры с инфракрасными нагревателями и камеры со смешанным лучисто-конвективным обогревом. В камерах с конвективным обогревом нагрев заготовки осуществляется потоком горячего воздуха, поступающего от воздуходувки через электрический калорифер. Недостатком таких камер является большая продолжительность нагрева, достигающая для толстолистовых заготовок 40 мин. В камерах инфракрасного обогрева обычно используют двусторонний нагрев. Применение таких камер полностью исключает влияние микроклимата цеха на скорость и равномерность нагрева, однако наличие камеры утяжеляет машину и увеличивает ее габариты. Наилучшие результаты дает применение комбинированных камер, сочетающих инфракрасный и конвективный нагрев.

Контроль температуры нагреваемого листа может производиться либо по продолжительности нагрева, либо по показаниям измерительных приборов. Применяют как контактные, так и бесконтактные методы замера. К контактным методам относится использование различных термопар, чувствительный элемент которых соприкасается с поверхностью заготовки. Иногда прибегают к заделке спая в толщу листа. Бесконтактные методы замера температуры основаны на применении различных пирометров.
При нагревании термопластов можно отметить два ясно выраженных перехода: из твердого стеклообразного состояния в высокоэластическое и затем в вязкотекучее. Между температурой стеклования и температурой текучести лежит область высокоэластического состояния, в которой термопласты, подобно каучукам, могут растягиваться, если на них действует внешняя сила, и возвращаться к исходной форме, если действие этой силы прекращается. Эта область может быть как очень малой, так и настолько большой, что температура текучести может быть практически недостижимой, т.к. еще до перехода в вязкотекучее состояние полимер претерпевает термическое разложение. У аморфных полимеров (ПС, ПММА) область высокоэластического состояния значительна (до 60-70°С), полимеры же с преобладанием кристаллической структуры (ПЭ, ПП) имеют меньшую область (около 10°С), что вносит определенные сложности в переработку таких материалов методами термоформования. В момент вытяжки заготовки в материале возникают упругие силы, которые после снятия давления формования стремятся вернуть изделие к первоначальной плоской форме заготовки. Чтобы зафиксировать конфигурацию отформованного изделия, не снимая давления формования, изделие охлаждается до температуры, ниже температуры стеклования.

Методы формования:
В зависимости от конструкции, формы и способа придания изделию окончательной конфигурации различают несколько основных методов формования:
Свободное формование. Закрепленной по контуру в прижимной раме пневматической камеры нагретой заготовке придают сферическую форму, создавая перепад давлений на ее поверхности за счет подачи сжатого воздуха. При этом необходим очень равномерный разогрев заготовки и точное регулирование давления сжатого воздуха. Форма полученных изделий определяется конфигурацией прижимной рамы и высотой раздува изделия. Для охлаждения изделий вводятся различные системы обдува воздухом. В результате получаются изделия с высокими оптическими свойствами и высоким глянцем поверхности (фонари кабин самолетов, защитные колпаки, сферические кабины телефонов, вазы различных форм и другие изделия оптического или светотехнического назначения.

Вакуум-формование - метод, при котором изделия формируются из нагретого пластика при помощи вакуумирования формы. Разрежение для листов толщиной не более 6 мм составляет, как правило, 0,06-0,08 МПа. Более толстые листы вакуумными методами не формуются. Кроме того, этим методом не перерабатываются жесткие термопласты.
Вакуум-формование осуществляется как негативным, так и позитивным методами. Выбор того или иного метода зависит от следующих факторов:
Наличия особых требований к качеству внутренней или внешней поверхности изделия;
Местоположения наиболее тонких стенок изделия, требуемой равнотолщинности изделия;
Угла наклона вертикальных стенок (при охлаждении после вытяжки на негативной форме заготовка усаживается в форме и потому легче удаляется, а на позитивной - обтягивает ее поверхность, вследствие чего съем изделия весьма затруднителен). Поэтому минимальный угол наклона стенок формы в зависимости от типа перерабатываемого материала при позитивном методе формования составляет 3-5°, а при негативном - 1-2°.

Негативное вакуум-формование. Закрепленная по контуру в прижимной раме нагретая заготовка втягивается в форму под действием разности между атмосферным давлением и остаточным давлением в вакуумируемой полости формы. Этот метод применяется для изготовления изделий относительно несложной геометрической формы со степенью вытяжки (отношение глубины к ширине) примерно 2,5. При формовании изделий большой глубины наблюдается утонение угловых участков и днища. Разнотолщинность является существенным недостатком негативного формования.

Этот метод формования позволяет осуществлять автоматизированное непрерывное производство упаковочных изделий из пленочных и листовых материалов.

Негативное вакуум-формование с предварительной вытяжкой пуансоном. Нагретую заготовку вначале вытягивают при помощи специального пуансона, приблизительно соответствующего форме матрицы, а затем придают ей окончательную конфигурацию, создавая разрежение в полости формы. Благодаря этому возможно формование более толстых листовых заготовок и получение более глубоких и равнотолщинных изделий. Этим способом наиболее целесообразно изготовление тонкостенной упаковки различных продуктов или крупногабаритных изделий с развитой поверхностью (например, внутренних стенок холодильников).
Негативное вакуум-формование с предварительной пневмо-вытяжкой. Разогретый материал сначала с помощью сжатого воздуха подвергается биаксиальной вытяжке, а после этого втягивается в оформляющую полость формы. Этот метод применяется в случаях, если требуется произвести очень глубокую вытяжку материала и позволяет получить изделия с большей равнотолщинностью.
Позитивное вакуум-формование. Нагретый лист прижимается к пуансону при перепаде давлений, возникающем из-за разности давлений, действующих на противоположных сторонах листа: атмосферное - на наружной и остаточное - на вакуумируемой. При формовании этим методом разогретый лист соприкасается в первую очередь с верхним торцом пуансона, образующим днище изделия, поэтому оно имеет наибольшую толщину, утончаясь в сгибах и боковых стенках по вертикали. Зато четкость контура изделия со стороны соприкосновения заготовки со стенками формы намного выше, чем при негативном вакуум-формовании. Позитивное вакуум-формование применяется для изготовления изделий со степенью вытяжки, не превышающей 0,5, и плавными переходами между образующимися поверхностями. Этот метод рекомендуется для формования листов, дающих провисание при нагреве, поскольку при этом исключается возможность преждевременного соприкосновения горячего листа с холодным пуансоном. Недостатком позитивного вакуум-формования кроме разнотолщинности являются и большие отходы материала.
Позитивное вакуум-формование с предварительной вытяжкой пуансоном применяется для изделий, имеющих вертикальные стенки или большую глубину вытяжки. Размягченная заготовка вытягивается пуансоном, затем во внутренней полости пуансона создается вакуум и изделие формуется, точно воспроизводя его форму.
Позитивное вакуум-формование с предварительной пневматической вытяжкой производится в случаях, если требуется произвести очень глубокую вытяжку материала. В этом случае листовая заготовка после нагрева подвергается предварительной вытяжке сжатым воздухом (свободное формование), затем осуществляется контакт с поднятым подвижным пуансоном, на котором с помощью вакуума происходит окончательное оформление изделия.
Пневмоформование - это процесс, при котором нагретый лист термопласта оформляется в изделие под действием сжатого воздуха, подаваемого в полость, образованную пневмокамерой и заготовкой. Вместо сжатого воздуха может быть использована жидкость, заключенная в резиновый мешок, или нагнетаемая под давлением в полость над термопластичным листом. Во избежание прямого контакта жидкости с термопластом между заготовкой и рабочей жидкостью прокладывают резиновую мембрану. Такой метод формования называется гидродинамическим формованием.

Преимуществами этого способа формования являются:
• Высокое давление формования до 2,5 МПа, а в случае гидродинамического формования до 3,5 МПа
• Высокая точность размеров изделия и четкость контура
• Хорошая равнотолщинность
• Короткое время цикла и, следовательно, высокая производительность
• Возможность формования толстостенных заготовок (с толщиной стенки более 1,5 мм, а при гидродинаическом формовании от 2,5 до 25 мм) и крупногабаритных изделий.

Негативное или позитивное пневмоформование с предварительной вытяжкой заготовки или без нее сравнимо с аналогичными методами вакуум-формования. Такими способами получают бытовые ванны, детские ванночки, мойки, балконные ящики и пр.
Существуют также способы формования пористых заготовок (пенопластов) или перфорированных заготовок, которые воздухопроницаемы и поэтому не могут быть отформованы ни вакуумным, ни пневматическим способами. Такие заготовки формуются с использованием резиновых прокладок.

Способ формования листовых заготовок с проскальзыванием заключается в том, что в зажимной раме применяется упругий зажим, который, хотя и фиксирует заготовку, однако в процессе формования позволяет формуемому листу проскальзывать и втягиваться в оформляющую полость формы. При этом способе получаются равнотолщинные изделия со степенью вытяжки 3,5-4,5.

В некоторых случаях проводят комбинированный процесс с одновременным применением вакуума и сжатого воздуха. В камеру над зажатым по периметру разогретым листом подают сжатый воздух, а в матрице создают вакуум. Таким способом получают крупногабаритные изделия большой емкости типа промывочных ванн, лодок и т.п.

Механопневмоформование - это процесс, при котором в одной форме совмещены операции выдувания, механического обжима, а также, при необходимости, протяжки, штампования, вырубки, опрессовки и т.д. Этот способ позволяет получать довольно сложные изделия за один рабочий цикл, что делает их производство экономичным и высокопроизводительным. Для механопневмоформования применяются универсальные пневмокамеры с легкозаменяемыми матрицами и пуансонами. Этим методом в закрытых формах из листов и трубчатых заготовок с одновременной обрубкой и сваркой можно получать изделия замкнутого типа, такие, как аккумуляторные бачки, канистры, бутыли.
Штампование - это процесс, при котором нагретый до высокоэластического состояния лист формуется на гидравлическом прессовом оборудовании при помощи матрицы и жесткого или эластичного пуансона. Давление прессования составляет 0,13-1,00 МПа.

Наряду с традиционной схемой формования в середине 70-х годов прошлого века получил распространение т.н. метод «холодного» формования. При этом листовая заготовка при комнатной температуре или подогретая до температуры на 20-30°С ниже температуры стеклования данного термопласта устанавливается над матрицей, прижимается по контуру, а затем формуется путем приложения механического давления специальным пуансоном. В этом случае, в отличие от традиционной схемы, полностью отсутствует стадия охлаждения готового изделия и существенно сокращена или исключена стадия нагрева листовой заготовки. Преимуществом этого метода является возможность переработки им частично- и высококристаллических термопластов с низкой областью высокоэластического состояния. Кроме того, при этом методе не возникает разнотолщинности изделия.

Основным рабочим инструментом при формовании листовых термопластов является оснастка, оформляющая разогретую до высокоэластического состояния заготовку в изделие. Разнообразен материал для изготовления оснастки. Если при серийном и массовом производстве применяются цельнометаллические оснастки (сталь, алюминиевые и магниевые сплавы) или оснастки, изготовленные методами гальванопластики, то для опытных и мелкосерийных изделий оснастка должна быть дешевой и простой в изготовлении. Для этих целей широко применяются дерево, гипс, пропитанный поливинилацетатной эмульсией, эпоксидная смола.

Для переработки в изделия различными методами термоформования пригодны практически все термопласты, выпускаемые промышленностью в виде листов, пленок, труб и некоторых других профилей. Тем не менее, термопласты, применяемые для формования, должны отвечать определенным техническим требованиям. Они должны иметь достаточную прочность при низких и высоких температурах, не деформироваться под влиянием нагрузок, интервал формовочных температур должен быть достаточно широким для нормального проведения процесса формования, материал в нагретом состоянии должен быть эластичным, способным к глубоким вытяжкам и обеспечивать формоустойчивость изделия. В нижеприведенной таблице указаны предпочтительные методы формования в зависимости от типа полимера и примерные условия формования в зависимости от метода формования.
Применяющиеся для термоформования пластмассовые пленки и листы отечественного и импортного производства могут быть как однослойными, так и многослойными.

Самым подходящим методом производства одноразовой посуды является термоформование