Разновидности методов и особенности технологии

Основная особенность этого способа переработки полимерных материалов заключается в том, что формование изделий осуществляется не из расплава, а из заготовок полимерного материала (листа, пленки), нагретых до раз­мягченного состояния. Известно несколько разновидностей термоформования:

1. вакуум-формование,

2. пневмоформование,

3. пневмовакуум-формование,

4. вытяжка свободная и с пуансоном,

5. штамповка и пр.

Все эти разновидности объединяются принципиальной общностью технологий, суть которых в следующем: полимерная заготовка нагревает­ся до размягчения, приложенным усилием оформляется в изделие и затем охлаждает­ся при сохраняющемся усилии формования.

Термоформованием перерабатываются большинство термопластов. Лучшие резуль­таты получают на аморфных полимерах ПВХ, ПС, ПММ, ПК, перерабатывают этим методом и кристаллизующиеся полимеры ПЭВП, ПЭНП, ПП. Практически не термоформуются такие кристаллические термопласты, как ПА.

Ассортимент изделий, получаемых термоформованием, необычайно широк: от тарных емкостей объемом в доли кубических сантиметров до корпусных деталей, площадью в несколько квадратных метра.

К бесспорным достоинствам метода термоформования относятся:

1. простота тех­нологии и машинного оформления,

2. низкая энергоемкость,

3. невысокая стоимость ис­пользуемой оснастки,

4. возможность полной автоматизации процесса,

5. универсаль­ность по виду перерабатываемых пластмасс, с упрощенным переходом от одного полимерного материала к другому.

Теория метода

Формование изделий из листовых, пленочных или иных заготовок производит­ся в условиях нагрева полимера выше температуры размягчения Т_р. В этом случае модуль упругости термопластов снижается приблизительно на два порядка, что резко уменьшает значение усилия формования. Температура формования изделия Т_ф существенно ниже темпе­ратуры плавления полимера. Обе эти особенности и определяют главные техни­ко-экономические достоинства метода.

Выбор значения Т_ф зависит от свойств перерабатываемого материала и наиболее наглядно иллюстрируется с помощью термомеханических кривых (рис. 14.1, б). Из­вестно, что аморфные полимеры при нагревании выше Т_р размягчаются и переходят в высокоэластическое состояние, начинающееся с Т_вэ. При дальнейшем нагревании до температуры начала плавления Т_нп физическое состояние аморфного термоплас­та остается неизменным, что выражается в виде так называемого «плато» на ТМК (рис. 14.1, б, кривая 1). Следовательно, в интервале температур Т_вэ—Т_нп полимер при­обретает качества, позволяющие легко его деформировать, придавая листовой, пле­ночной или иной заготовке форму изделия.

Рис. 14.1. Влияние температуры на изменение свойств и состояние термопластов: а — модуль упругости Е; б — термомеханические кривые кристаллизующегося (2) и аморфного (1) термопластов; в и г — условно-схематическое молекулярно-конформационное состояние термопластов при температуре формования Тф: в — ненагруженное; г — нагруженное усилием Рф

Физико-химическая особенность высокоэластического деформирования состоит в том, что оно происходит за счет вытягивания макромолекул. Весьма упрощенно это можно проиллюстрировать с помощью рисунка 14.1, в и г. В положении «в» полимер не нагружен и макромолекула принимает форму квазиклубка, как термодинамически наиболее выгодную. После приложения усилия формования Р_ф полимерный образец удлиняется на Dl за счет вытягивания сегментов макромолекул в направлении вектора Р_ф. При этом положение концов мак­ромолекул остается неизменным. Понятно, что чем плотнее и организованнее уклад­ка макроцепей в исходной полимерной заготовке, тем сложнее осуществлять конформационные перестроения макромолекул и, соответственно, ее деформирование в размягченном состоянии. Поэтому температурный диапазон термоформования кристаллизующихся полимеров, во-первых, уже, чем у аморфных, и, во-вторых, сдвинут ближе к температуре плавления (рис. 14.1, б, кривая 2).

Новая надмолекулярная структура полимеров, подвергнутых термоформованию, является неравновесной. Это вызывает структурно-релаксационные процессы, темп которых зависит от температуры эксплуатации. Чем выше температура, тем быстрее «отдеформированный из заготовки образец» будет стремиться вернуться к своей ис­ходной геометрической форме.

Таким образом, изделия, полученные методом термоформования, могут экс­плуатироваться лишь при температурах, не превышающих Т_р.

-Вакуум- и пневмоформование

Метод формования изделий из листовых и пленочных материалов с использовани­ем перепада давления воздуха с различных сторон заготовки получил в последние годы широкое распространение благодаря простоте оснастки, возможности изготовления крупногабаритных изделий и высокой производительности. В отличие от штамповки и холодного формования в этом случае заготовку из перерабатываемого материала на­гревают до температуры, соответствующей переходу в высокоэластическое состояние (для аморфных полимеров) или до температуры, приближенной к плавлению крис­таллической фазы (для кристаллизующихся полимеров). Под влиянием создаваемо­го перепада давления воздуха в заготовке развиваются высокоэластические (обрати­мые) деформации, которые приобретают стабильный характер в результате быстрого охлаждения соприкасающегося с холодной формой материала.

В зависимости от характера взаимодействия формуемого материала с формой разли­чают свободное, негативное и позитивное формование листовых заготовок (рис. 14.2).

Рис. 14.2. Различные методы формования изделий из листов: а — разогрев заготовки; б — свободное, в — негативное, г — позитивное формование

Свободное формование осуществляется без соприкосновения формуемого ма­териала заготовки с оформляющим инструментом. Его применение ограничено изготовлением из прозрачных акрилатов крупногабаритных изделий овальной фор­мы для обтекателей и световых фонарей с улучшенными оптическими характеристи­ками. При использовании метода требуется высокая равномерность нагрева заготов­ки с минимальной разнотолщинностью — в противном случае искажается форма изделия и его оптические характеристики. Кроме того, применение свободного фор­мования ограничивает и глубину вытяжки.

Негативное формование (формование в матрице) позволяет получать изделия, у которых наружная поверхность соответствует геометрии внутренней поверхности матрицы. Нагретая заготовка вначале деформируется свободно, и ее толщина уменьша­ется относительно равномерно, однако после соприкосновения с формой температура заготовки в этой области резко понижается и дальнейшее деформирование идет нерав­номерно — толщина стенок и днища оказывается различной. Значительная разнотол-щинность — один из существенных недостатков негативного метода формования.

Позитивное формование осуществляется на пуансоне; форму внешней поверх­ности пуансона повторяет внутренняя поверхность изделия. Нагретая заготовка первоначально соприкасается с верхней поверхностью пуансона; деформация этой зоны прекращается, поэтому образующееся днище имеет наибольшую толщину. Вытяжка остальной части заготовки происходит более равномерно, но, как и при не­гативном формовании, получение изделия большой глубины и с острыми углами затруднительно.

В зависимости от толщины формуемой заготовки, глубины вытяжки, требова­ний к воспроизводимости рельефа поверхности при всех методах для создания пе­репада давлений может использоваться либо вакуум (разрежение) в форме (давле­ние на заготовку до 0,07-0,085 МПа), либо сжатый воздух (давление до 2,5 МПа).

-Разновидности пневмовакуум-формования

Учитывая широкий ассортимент получаемых методами вакуум- и пневмоформования изделий, которые могут различаться глубиной вытяжки, геометрией, допусти­мой разнотолщинностью, сейчас разработано значительное число их разновидно­стей как для негативного, так и для позитивного формования. Это:

формование с предварительной механической вытяжкой, когда перед созданием вакуума или по­дачей давления разогретую заготовку предварительно вытягивают с помощью меха­нического устройства (толкателя или пуансона);

формование с предварительной пневматической вытяжкой, когда для тех же целей создают в полости формы вакуум или избыточное давление;

формование с предварительной механопневматической вытяжкой заготовки, сочетающей оба приема предварительной вытяжки заготовки. Последний метод позволяет получать изделия с большой глубиной вытяжки и наи­большей равномерностью толщины стенок.

Рис. 14.3. Схема двухгнездного вакуум-формования: 1 — пленка гнезда 3; 2 — пленка гнезда 4; 5 — вакуум-камера

Для получения изделий с поднутрениями используют негативное формование в разъемных матрицах, часто — с предварительной вытяжкой заготовки. Метод вакуум-формования также позволяет получать из листовых материалов изделия замкнутой формы — в этом случае используют две разогретые листовые заготовки, которые свари­ваются по контуру изделия бортами формы, а внутренняя полость образуется за счет создания вакуума внутри замкнутой полости формы (рис.14.3). Наконец, широкое рас­пространение вакуум-формование находит для упаковки отдельных изделий, которые помещаются между двумя слоями полимерной пленки и сами исполняют роль формы; для большей жесткости нижний слой материала часто дублируется на подложку.

Для переработки термопластов методами вакуум- и пневмоформования применя­ются вакуумформовочные машины, установки механопневмоформования, машины для непрерывного производства мелкой тары из рулонных материалов (включая аг­регаты для наполнения и укупорки (рис.14.4)) и др. Значительная часть машин и установок имеют ручное управление; вместе с тем используются агрегаты как полу­автоматического типа, так и работающие по полностью автоматизированной схеме, а также устройства гидроформования с эластичной мембраной (рис. 14.5). В ряде случаев конструкция агрегата предусматривает получение лис­товой или пленочной заготовки.

Рис. 14.4. Схема линии упаковки с вакуум-формованием тары: 1 — рулон пленки; 2 — вакуум-формовочный барабан; 3,4 — нагреватели; 5 — охлаждающее устройство; б — заполнитель тары; 7 — пленка плоской запаковки; 8 — узел сварки; 9 — вырубное устройство; 10 — готовая продукция

Рис. 14.5. Схема гидроформования с эластичной мембраной: 1 — мембрана; 2 — заготовка; 3 — матрица; 4 — оформляющий выталкиватель

-Операции процесса пневмовакуум-формования

Технология изготовления изделий методами пневмовакуум-формования может меняться в широких пределах. Основные стадии процесса:

1. раскрой и разрезка загото­вок;

2. разогрев заготовок;

3. формование изделий;

4. механическая обработка готовых изделий (вы­рубка, сверление и др.);

5. сборка;

6. упаковка;

7. транспортировка.

В зависимости от особен­ностей конструкции изделия, оборудования, применяемых материалов часть этапов в конкретных процессах может отсутствовать.

Для резки листов на заготовки применяют гильотинные ножницы, раскаленную электриче­ским током проволоку, ленточные и дисковые пилы, а также разнообразные приспособления типа резаков. При механической резке режущий инструмент (пилы, диски, фрезы) необходимо интенсивно охлаждать, а образующиеся опилки (стружку) удалять с помощью отсосов для со­хранения качественной поверхности листа.

Одна из важнейших и наиболее длительная стадия технологического процесса — разогрев за­готовки. Температурное поле разогретой заготов­ки должно быть максимально однородным как по ее поверхности, так и по толщине; это затрудня­ется низкой тепло- и температуропроводностью большинства полимеров. Вместе с тем излишне высокая температура поверхности заготовки ведет к термическому разложению полимера и ухудшению его эксплуатационных свойств.

Большинство машин и установок для пневмо- и вакуум-формования оснащено тепло-радиационными инфракрасными нагревателями; температуру заготовки можно регули­ровать изменением интенсивности нагрева по зонам и расстояния нагревателя от поверх­ности листа. Кроме того, нагрев листовых заготовок (особенно большой толщины) может осуществляться в нагревателях камерного типа или контактным способом с помо­щью нагреваемых плит. Наибольшее распространение получил метод контроля темпера­туры заготовки по времени нагрева. Оптимальное время подбирается при предваритель­ной отработке режима. В целом с повышением температуры формования механические характеристики готового изделия снижаются, а усадка растет.

Процесс формования протекает с высокой скоростью, которая может регулирова­ться изменением перепада давления и временем его достижения. При получении сравнительно неглубоких изделий скорость достаточно высока, но должна снижаться с увеличением глубины вытяжки во избежание разрыва заготовки или об­разования значительной разнотолщинности.

На качество изделий и производительность процесса существенно влияет темпе­ратура формующего инструмента (матрицы, пуансона, прижимных рам), которая должна быть ниже температуры размягчения полимера. Излишнее снижение темпе­ратуры, однако, способствует росту дефектности (морщины, складки, короб­ление) и усадки; увеличивается доля остаточных напряжений, которые всегда развиваются в изделии в процессе его формования. Поэтому температура формы не должна быть ниже 50-70 °С, а для ускорения процесса охлаждения и повы­шения производительности целесообразно использовать дополнительное воздушное охлаждение или охлаждение с помощью искусственного водяного тумана.

На заключительном этапе отформованные заготовки подвергают механической обработке: вырубке из листа отдельных изделий, зачистке, пробивке (или сверлению) отверстий и т. д. С этой целью используют механические и гидравлические прессы, ножницы, специальные штампы (холодные и горячие), ленточные или дисковые за-чистные станки.

Для формования изделий из листовых и пленочных термопластов характерно зна­чительное количество отходов на различных стадиях процесса (до 30-35%). Подав­ляющее большинство их может быть успешно использовано для вторичной перера­ботки при своевременном сборе, измельчении и правильном хранении (в условиях, исключающих загрязнение). Значительные размеры отходов при вырезке заготовок вынуждают предусматривать их предварительное измельчение на ленточных пилах или гильотинных ножницах с последующей грануляцией или дроблением на ротор­ных измельчителях.