Пневмоформование
Пневмоформование - это процесс формования изделий сжатым воздухом из заготовок в виде пленки или листа, нагретых до температур, при которых осуществляется высокоэластическая деформация полимера.
Лист или пленку производят из гранулята или порошка, получая полуфабрикат (полупродукт), что создает дополнительные затраты на сырье. Необходимость закрепления листа при пневмоформовании и последующий процесс обрезки приводят к отходам, которые возвращаются в производственный цикл путем их дробления. Полученный вторичный полимер затем может добавляется к исходному материалу при производстве листа.
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 сжатого воздуха (давление до 2,5 МПа) в заготовке развиваются обратимые высокоэластические деформации, которые "замораживаются" в результате быстрого охлаждения соприкасающегося с холодной формой материала.
Методом пневмоформования листов получают различные объемные изделия: коробки, посуду, емкости и т. п. В частности, из сополимеров стирола получают детали для холодильников, мебели, облицовки, поделок, изготавливают дверцы, панели для самолетов; из двухосноориентированной ПС-пленки изготавливают неглубокие прозрачные пакеты, из вспененной пленки — посуду для холодных напитков, мороженого, бутербродов; из ПММА — сигнальные фонари реклам, арматуру для ламп; из ориентированных листов - остекление для самолетов и вертолетов; из ПВХ изготавливают неглубокие изделия - рельефные карты, скатерти, маленькие пакеты и др.; из полиолефинов производят посуду, игрушки, упаковку для пищи.
Рис. 1. Объемная форма, изготовленная методом пневмоформования (детали холодильника). К бесспорным достоинствам метода пневмоформования относятся: простота технологии и машинного оформления, низкая энергоемкость, невысокая стоимость используемой оснастки, возможность полной автоматизации процесса, универсальность по виду перерабатываемых пластмасс.
Основные стадии процесса пневмоформования: раскрой и разрезка заготовок, их разогрев, формование изделий, механическая обработка готовых изделий (вырубка, сверление и др.), сборка, упаковка и транспортировка.
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.
Нагревание листовой заготовки. Заготовки можно нагревать в сушильных шкафах, в электрическом поле высокой частоты или инфракрасными нагревателями. Нагревание в сушильных шкафах более длительное, чем остальные методы, и применяется в основном для полимеров, чувствительных к перегреванию. Высокочастотный нагрев применяется для полярных полимеров. Однако, несмотря на все преимущества, его трудно применить для нагревания больших листов или заготовок, закрепленных в зажимной раме. Наиболее часто для нагревания листов применяют инфракрасные нагреватели. Однако при инфракрасном нагревании по толщине листа возникает большой температурный градиент, обусловленный низкой теплопроводностью полимера. Разность температур на поверхностях листа зависит от мощности нагревателя, толщины листа и его удельной теплопроводности. Обычно формование проводится при условии, когда нижняя сторона листа аморфных полимеров нагревается выше температуры стеклования, а кристаллических - выше температуры размягчения. Обогреваемая поверхность, обычно, имеет более высокую температуру, но она не должна быть выше термостойкости полимера (температуры деструкции). При большом градиенте температур по толщине листа, полимер на обогреваемой поверхности может перегреться, что может вызвать его термическую деструкцию или изменение окраски. Поэтому толстые листовые заготовки обычно нагревают при двухстороннем расположении нагревателей. В этом случае время нагревания уменьшается в 4 раза.
Скорость вытяжки листа обычно регулируется расходом сжатого воздуха, подаваемого в форму. Следует заметить, что при малой скорости подачи воздуха, лист прижимается к стенкам формы неравномерно, и может появиться рябь на поверхности изделия.
В процессе формования нагретая заготовка прижимается к поверхности формы под действием сжатого воздуха. Толстые заготовки для облегчения формования могут дополнительно прижиматься к поверхности формы с помощью механического давления пуансона.
Температуру формования обычно определяют экспериментально, так как она зависит от свойств полимера, толщины листа, конфигурации изделия и его размеров. Эта температура оказывает влияние на прочность и усадку изделия.
Для получения малосерийных изделий применяют формы из дерева и гипса, рассчитанные на короткие сроки службы (до 50 тыс. изделий). Для изделий, выпускаемых в больших количествах, формы изготавливаются из фенолформальдегидных или эпоксидных смол, армированных стекловолокном. Формы для длительной непрерывной работы изготавливают из металла (алюминиевые, магниевые сплавы). Они способны выдержать до 500 тыс. циклов формования.
Преимущество пневмоформования заключается в возможности использовать высокое давление формования (0,15—2,5 МПа), что позволяет получать изделия с более толстыми стенками, крупногабаритные детали. Изделия получаются с небольшой разнотолщинностью, имеют четкий контур, точные размеры.
В зависимости от конструкции формы существуют три разновидности способа формования: 1) свободное выдувание; 2) пневмоформование в матрицу; 3) пневмоформование в матрицу с вытяжкой заготовки толкателем.
Свободное выдувание. Лист укладывают на поддон и закрепляют рамой. Подводится инфракрасный нагреватель, и листовая заготовка разогревается. Затем через отверстие в поддоне подается сжатый воздух, под действием которого лист вытягивается и образуется изделие в виде полусферы. Высота изделия регулируется давлением. Охлаждение проводится за счет обдува струей воздуха. Для того чтобы изделия получались определенной высоты, иногда применяют ограничители, торцы которых оформляют дно. При касании полусферы и ограничителя происходит срабатывание электромагнитного клапана и подача воздуха в поддон прекращается.
Пневмоформование в матрицу. Разогретую заготовку укладывают на матрицу и закрепляют поддоном. Через отверстие поддона подается сжатый воздух, под действием которого лист вытягивается и прижимается к охлаждаемым стенкам матрицы. Для охлаждения матрица имеет каналы, в которые подается вода. Для выхода воздуха из полости формы в момент формования изделия в углублениях матрицы имеются воздушные каналы. Данным способом могут изготавливаться изделия сложной конструкции с большой толщиной стенок. Однако при изготовлении глубоких изделий таким методом получается значительная разнотолщинность стенок. При формовании тонкостенных изделий, чтобы струя воздуха не ударяла в лист и не происходило местного утонения, в поддоне устанавливают распределитель воздуха, который подает воздух равномерно по всей поверхности, при этом воздух предварительно подогревается. Недостатком данного метода является то, что матрица сверху закрывается поддоном, поэтому исключается визуальный контроль за процессом формования, а также затрудняется обдув изделия воздухом при охлаждении. При формовании в матрицу заданные размеры изделия обеспечиваются по наружной поверхности, а внутренние зависят от толщины стенок.
Пневмоформование в матрицу с вытяжкой листа толкателем. Этот способ применяется при изготовлении глубоких изделий. Заготовку укладывают на матрицу, закрепляют рамой и нагревают. Затем опускается толкатель, происходит предварительная вытяжка заготовки, после чего через отверстия толкателя подается сжатый воздух и проводится окончательное формование изделия в матрице. Заготовка прижимается к стенкам матрицы и охлаждается (рис. 2). Температура толкателя обычно поддерживается на 20 - 30°С ниже, чем температура листовой заготовки. При более низкой температуре возможно местное охлаждение листа и формование затрудняется. Изменяя величину хода толкателя и его размеры, можно регулировать разнотолщинность изделия по высоте. Разнотолщинность можно также уменьшить, если площадь зажимной рамы берут больше, чем площадь матрицы. При формовании часть материала растягивается за контуром матрицы и разнотолщинность снижается. Этот метод можно применить при изготовлении изделий в многогнездных формах.
Рис. 2. Схема пневмоформования в матрицу с вытяжкой листа. Основными недостатками метода пневмоформования являются сравнительно высокие отходы полимера и длительность технологического цикла. Однако при крупносерийном и массовом производстве изделий коэффициент расхода материала можно уменьшить, применяя многогнездные формы.
Для одновременного формования нескольких изделий используется одна общая зажимная рама, поэтому часть заготовки, идущая под зажим, а затем на вторичную переработку, значительно сокращается. Таким образом, большая часть полимера расходуется рационально и расход его уменьшается.
Для сокращения длительности цикла необходимо совместить операции нагревания заготовки и охлаждения изделия или исключить операцию нагревания. Совмещения операций по времени можно добиться на поточных многопозиционных линиях (рис. 3).
Рис. 3.Пневмоформовочная автоматическая линия
Ротационное формование - метод изготовления тонкостенных полых изделий во вращющейся форме: заполненная порошкообразным или гранулированным материалом закрытая металлическая форма вращается вокруг двух и более пересекающихся осей (рис. 1). При этом происходит распределение сырьевого материала по внутренней поверхности полости формы, а одновременный нагрев формы способствует его расплавлению с образованием тонкого покрытия в виде оболочки. Фиксация формы и размеров получаемого полого изделия достигается охлаждением расплавленного материала.
Рис. 1. Схема ротационного формования. Ротационное формование широко используется для изготовления разнообразных изделий самой различной величины и формы - деталей приборов, корпусных деталей мебели, бочек и контейнеров, лодок и др (рис. 2). В настоящее время данная технология позволяет производить изделия объемом до 10 000 л с толщиной стенок 6-20 мм.
Рис. 2. Бочки, изготовленные методом ротационного формования. Этим методом перерабатываются такие термопластичные материалы, как наполненный техническим углеродом полиэтилен, полиамиды и др. Доминирующую роль среди материалов для ротационного формования играет полиэтилен (ПЭ). Для ротационного формования разработаны специальные марки полиамида, поликарбоната, полипропилена. Также этим методом возможно изготовление изделий из термореактивных полимерных материалов, таких как полиуретаны, эпоксидные композиции и т.д. Из смесей полимеров, отличающихся друг от друга значениями температуры плавления, получают двухслойные изделия с различными свойствами слоев. В ротационном формовании для модификации свойств полимеров и готовых изделий широко используются различные добавки. Это, в первую очередь, термо- и светостабилизаторы, пигменты. Применяются антистатические добавки, пламягасители, вспенивающие агенты. Возможно применение наполнителей и стекловолокна.
К достоинствам метода относятся:
К недостаткам метода следует отнести большую длительность технологического цикла изготовления изделий и трудоемкость извлечения полученного изделия из формы. Ротационное формование относится к высокопроизводительным процессам, уступая по производительности лишь литью под давлением, выдувному и экструзионному формованию. Причем, в ряде случаев экономически целесообразно использование ротационного формования для получения партий изделий, насчитывающих всего несколько штук.
Выбор оборудования для ротационного формования определяется конфигурацией и размерами изделия, типом перерабатываемого материала и серийностью производства.
Последовательность основных технологических операций при ротационном формовании термопластов состоит из нескольких стадий. На стадии «а» происходит дозирование и загрузка сырья в холодную форму, на стадиях «б» и «в» последовательно осуществляются нагрев и охлаждение при одновременном ее вращении вокруг двух взаимно перпендикулярных осей, на стадии «г» готовое изделие извлекается из формы(см. рис.3).
Рис.3. Схема метода ротационного формования (а - г - стадии формования): 1 - сырье; 2 - форма; 3 - готовое изделие.
Рис.4. Установка для ротационного формования. Дозирование полимера. Применяется весовое дозирование, при этом масса полимера рассчитывается с учетом обеспечения заданной толщины стенки изделия.
Нагревание формы для установок непрерывного действия осуществляется в печах газовым пламенем, горячим воздухом или инфракрасным излучением. Обогрев газовым пламенем эффективен, однако его применение ограничено нагревом стальных форм (для нагрева форм из других металлов он не применяется во избежание разрушения их в результате перегрева). Обогрев горячим воздухом применяется при формовании изделий с малой толщиной стенок (до 1,5 мм). Инфракрасный обогрев эффективен для нагрева одиночных форм простой конфигурации. В последнее время для нагрева ротационных форм стали использовать расплавы солей, например смеси нитратов натрия и калия: расплавленная при температуре 473 - 573 К смесь разбрызгивается на поверхности вращающейся формы, равномерно прогревая ее стенки.
Формование изделия производится при вращении формы и равномерного распределения полимера по всей поверхности с одновременным нагреванием. Вращение формы необходимо только для того, чтобы осуществить равномерное распределение материала по ее станкам в результате перемещения порошка или гранулята под действием силы тяжести. По мере нагрева формы нагревается и плавится порошок полимера, происходит его налипание на стенки формы. Вязкость расплава достаточно велика для того, чтобы предотвратить перемещение материала относительно стенки формы до окончания процесса формования. После гомогенизации расплавленной композиции скорость вращения формы желательно увеличить для получения более монолитной оболочки изделия, чтобы за счет центробежных сил уплотнить материал. Для удаления из полимера воздушных включений в форме можно создать вакуум и начать охлаждение. Продолжительность операции формования зависит от скорости нагревания формы и температуры плавления полимера и, как правило, находится экспериментально.
Охлаждение изделия производится при вращении формы за счет обдувания её холодным воздухом или распыленной водой с воздухом. Температура формы в конце охлаждения должна быть ниже температуры стеклования для аморфных полимеров или температуры теплостойкости для кристаллизующихся.
Извлечение изделия производится после разборки формы. В зависимости от вида изделия и типа перерабатываемого полимерного материала используют формы с одной или несколькими плоскостями разъема.
Формы для ротационного формования обычно изготавливают из металла: отливок из алюминия, листов мягкой стали, гальванической меди и никеля. Ввиду того, что качество поверхности готового изделия определяется состоянием формующей поверхности, при изготовлении формы особое внимание уделяется устранению трещин и пор в верхнем слое металла формы контактирующем с изделием.
Толщина стенки формы зависит от ее конфигурации, размеров, материала и способа нагрева. .
|
