Termoformowanie to nazwa procesu technologicznego, w którym z płaskich folii lub płyt, podgrzanych wstępnie do określonej temperatury charakterystycznej dla danego tworzywa, formuje się produkty o określonych kształtach. Stosunkowo tanie i wysoko wydajne przetwórstwo sprawia, że termoformowanie jest powszechnie wykorzystywane zarówno w produkcji opakowań, jak i produktów wielkogabarytowych. Oferowane rozwiązania techniczne przewidują wiele różnorodnych wariantów: od produkcji jednostkowej i prototypowej do masowej skali wielkoprzemysłowej. Podczas termoformowania mamy do czynienia z dwiema podstawowymi operacjami: ogrzewaniem półfabrykatu i kształtowaniem (formowaniem).Poddawany obróbce materiał zamocowany jest na obrzeżu w uchwytach igłowych. Ogrzewanie elektryczne zapewniają promienniki zlokalizowane po jednej lub obu stronach poddanego obróbce materiału, w odległości ca 125 mm (5 cali). Czas ogrzewania wymagany do uzyskania odpowiednio miękkiego półfabrykatu zależy od rodzaju polimeru, grubości i koloru. Rodzaj polimeru i ewentualne napełnienie wiążą się z różnym przewodnictwem cieplnym obrabianego termicznie materiału. Białe płyty trudniej pochłaniają promieniowanie cieplne w podczerwieni i wymagają dłuższego okresu ogrzewania niż ciemno zabarwione elementy. W etapie formowania wyróżnia się 3 podstawowe kategorie: termoformowanie próżniowe, ciśnieniowe lub mechaniczne. Na ogół stosuje się równocześnie kategorie mieszane, co sprzyja lepszej wydajności i jakości uzyskanego kształtu.
Przewaga termoformowania części wielkogabarytowych nad technologią wtrysku jest wyraźna. Termoformowanie wykonuje się na stosunkowo tanich urządzeniach i formach, w warunkach relatywnie niskich temperatur przetwórstwa i ciśnienia. Tolerancje wymiarowe nie są jednak tak wąskie jak przy wyrobach wtryskowych i dokładność wykonania jest nieco gorsza. Jest oczywiste, że rozciąganie termoformowanej płyty powoduje znaczne różnice grubości materiału i przecienienia w miejscach głębokiego tłoczenia. Proces ten jest kontrolowany, a dopuszczalne odchyłki ustalane podczas projektowania wyrobu i oprzyrządowania oraz doboru technologii formowania. Podczas próżniowego formowania wykorzystuje się:
-
formy negatywowe (dokładne odwzorowanie faktury formy oraz wymiarów ma miejsce po stronie zewnętrznej wyrobu),
-
formy pozytywowe (dokładne odwzorowanie faktury formy oraz wymiarów ma miejsce po stronie wewnętrznej wyrobu).
Płyty tworzyw termoplastycznych do termoformowania
W zależności od wymagań stawianych produktom (wytrzymałość mechaniczna, odporność chemiczna, odporność na starzenie atmosferyczne, transparentność, głebokość tłoczenia, akceptowana cena) wykorzystywane są płyty półfabrykatów przygotowane z różnych tworzyw termoplastycznych. Niektóre tworzywa termoplastyczne wymagają wstępnego suszenia przed operacją przetwórstwa. Należą do nich: ABS, ASA, PMMA, PA, PC, PSU, PES i PET. Temperatura i czas suszenia zależą od rodzaju i grubości tworzywa. Wykończenie spodniej powierzchni płyt systemem „easyslide” ułatwia formowanie produktów i zmniejsza rozrzut grubości podczas głębokiego tłoczenia. Standardowo stosuje się zabezpieczenie powierzchni zewnętrznej termoformowanych płyt folią ochronną, usuwaną dopiero po montażu gotowego wyrobu w docelowym miejscu. Wyroby sanitarne produkowane są z płyt zawierających w warstwie zewnętrznej dodatki antybakteryjne. Tolerancje grubości półfabrykatów określają normy, np. Według DIN 16956 tolerancje dla 10 milimetrowej płyty ABS wynoszą ±3,5%, tzn. ±0,35 mm. Coraz częściej wykorzystywane są płyty:
-
z mieszanin polimerowych: PC + ABS, PC + PBT, PC + ASA,
-
wielowarstwowe: ABS/PMMA, ABS/ASA, ABS/PVC, ABS/PMMA, PS/PE, PP/PP napełniony, PP/EVA, PETG/PETA/PETG, PETG/PP,
-
wysokobarierowe: PS/EVOH/PE, PE/EVOH/PE, PP/EVOH/PP, PP/EVOH/PA.
Do termoformowania wyrobów wielkogabarytowych stosuje się folie sztywne o grubości 2÷4 mm lub płyty o grubości 3÷15 mm.
Sposoby podgrzewania termoformowanych półfabrykatów
Producenci maszyn oferują różne rozwiązania podgrzewania termoformowanych tworzyw. Płyty grzewcze zaopatrzone są w elektryczne promienniki ceramiczne, kwarcowe bądź halogenowe emitujące promieniowanie podczerwone. Mają konstrukcję typu „sandwich”, pozwalającą na jednoczesne ogrzewanie materiału od góry i od dołu. Preferowane promienniki ceramiczne cechuje: prosta konstrukcja, duża odporność mechaniczna, odporność chemiczna, niska cena, łatwość regulacji i długi okres użytkowania, określany na 10 000 godzin. Promienniki ceramiczne emitują fale elektromagnetyczne w przedziale długości 300÷500 nm. Liczba promienników dobierana jest tak, aby na metr kwadratowy powierzchni grzewczej przypadało 25÷50 KW zainstalowanej mocy. Oprogramowanie sterowania grzałkami i regulacja strefowa temperatur umożliwiają kontrolowany i powtarzalny proces podgrzewania tworzywa przed operacją formowania. Część grzałek (tzw. grzałki sterujące) ma wbudowane termoelementy, umożliwiające strefowe kontrolowanie temperatur. Jednocześnie podgrzewane są dwustronnie całe powierzchnie poddawanej obróbce płyty tworzywa. Moc grzałek zainstalowanych od dołu jest mniejsza o ca 40%. Rozwiązania techniczne zapewniają skrócenie do minimum czasu pomiędzy uzyskaniem temperatury tworzywa wymaganej do termoformowania a rozpoczęciem kształtowania wyrobu. Obudowa strefy roboczej musi zapewnić równomierne temperatury procesu przetwórstwa. Promieniowanie podczerwone emitowane przez promienniki kwarcowe i halogenowe ma nieco niższe długości fal w porównaniu do otrzymywanego od preferowanych promienników ceramicznych.
Fazy procesu termoformowania
Sztywna folia lub płyta podlegająca obróbce zamocowana jest na obwodzie za pomocą układu uchwytów igłowych. Część robocza ograniczona jest ramami (dolną i górną), dopasowanymi do gabarytów formy. Ramy mocujące są indywidualnie wykonywane i dopasowywane. Inne rozwiązanie to ruchome ramy, związane z konstrukcją maszyny. Zarówno ramy, jak i formy można wyposażyć w system termoregulacji.
Podgrzewanie półfabrykatów
Podgrzewanie płyt, zwłaszcza grubszych, zajmuje ponad 50% cyklu pracy maszyny. Przy produkcji masowej, w której skrócenie cyklu technologicznego jest uzasadnione, proces podgrzewania wstępnego, zapewniający dostarczenie ca 75% wymaganego ciepła, może się odbywać na dodatkowym stanowisku włączonym w linię technologiczną. Skrócenie cyklu pociąga zazwyczaj za sobą konieczność zautomatyzowania podawania pojedynczych płyt z palety transportowej. Podczas ogrzewania tworzywa bezpośrednio przed formowaniem następuje wzrost wymiarów liniowych proporcjonalnie do współczynnika rozszerzalności liniowej tworzywa. System czujników optycznych zabezpiecza dolne grzałki przed bezpośrednim kontaktem z opadającym tworzywem, uruchamiając dolny nadmuch, tzw. „poduszkę powietrzną”. Po uzyskaniu wymaganej temperatury, co na ogół określa się doświadczalnie czasem operacji, następuje szybkie odsunięcie „sandwichowego” zestawu grzewczego, domknięcie ram obwodowych i uruchomienie operacji formowania.
Formowanie wyrobu
W celu równomiernego rozciągnięcia poddającej się odkształceniom, gorącej i plastycznej płyty kształtowanego tworzywa można stosować dolny nadmuch, formujący „bańkę” do określonej wysokości, kontrolowanej przez pomiar czujnika optycznego. Formowanie odbywa się przez odpowiednie zastosowanie próżni lub nadciśnienia z jednej lub obu stron płaszczyzny półfabrykatu. Odpowiednio dobrany kształt stempla ułatwia formowanie niesymetrycznie wyoblonych części produktu. Wykorzystuje się sprężone powietrze o ciśnieniu rzędu 6 bar. Przy formowaniu próżniowym stosuje się zbiorniki wyrównawcze o objętości porównywalnej z objętością roboczą urządzeń formujących, połączone z pompami próżniowymi. Ma to na celu uzyskanie wymaganego podciśnienia w możliwie krótkim czasie. Formowanie próżniowe wymaga podgrzania półfabrykatów do temperatury formowania wyższej o 10÷30°C w porównaniu do formowania ciśnieniowego. Średnice otworów napowietrzania ciśnieniowego są nieco mniejsze niż otwory próżniowe w narzędziach formujących i zależą od rodzaju polimeru. Rząd wielkości średnic otworów mieści się w przedziale 0,2÷0,8 mm. Urządzenia pozwalają również na próżniowe laminowanie dużych powierzchni (np. drzwi) foliami termoplastycznymi z naniesionym uprzednio nadrukiem. Inne zastosowanie urządzeń do termoformowania to wykonywanie brył przestrzennych, o powierzchniach trwale połączonych ze sobą na obwodzie. W tym celu wykorzystywane są formy dwuczęściowe, z ramą pośrednią, umożliwiające jednoczesne wprowadzenie dwóch podgrzanych płyt z tworzywa termoplastycznego. Po formowaniu próżniowym lub ciśnieniowym, z jednoczesnym procesem zgrzewania obrzeży, powstaje produkt o podwójnych ściankach (np. deski surfingowe, zderzaki lub samochodowe zbiorniki paliwowe). W tej technologii można wykorzystywać płyty o różnych grubościach i kolorach.
Chłodzenie
Chłodzenie wyrobu w formie następuje przez wypromieniowanie ciepła do otoczenia, nawiew zimnego powietrza przez wentylatory z dyszami strumieniowymi i odbiór ciepła przez formę. Czasem wykorzystywany jest natrysk mgły wodnej na powierzchnię gorącego wyrobu, ale to rozwiązanie wpływa na proces korozji elementów metalowych, znajdujących się w bezpośrednim sąsiedztwie. Schłodzenie wyrobu zabezpiecza przed odkształceniami przy jego zdejmowaniu i odkładaniu. Dzięki wykorzystaniu odpowiednio zaprojektowanego systemu chłodzenia istnieje możliwość termostatowania narzędzi. Chłodzeniu podlega również przestrzeń zawierająca elementy zaciskowe, prowadzące termoformowaną folię sztywną lub płyty. Ma to na celu zapewnienie dokładnego utrzymania pozycji półfabrykatu podczas operacji formowania. Czas chłodzenia, podobnie jak czas ogrzewania, zależy od rodzaju tworzywa, a konkretnie od przewodnictwa cieplnego. Jeżeli przewodnictwo cieplne polistyrenu PS przyjmiemy za 1, to zbliżone wartości mają PVC i PET, mniejsze ABS i PP (0,67), a znacznie większe PE-LD i PE-HD (>2,2).
Zdejmowanie kształtki z maszyny
Zdejmowanie kształtek odbywa się ręcznie lub mechanicznie. Po określonym czasie sezonowania kształtki trafiają na stanowiska obróbki końcowej.
Wymiana narzędzi
Ze względu na duże wymiary form wprowadzane są rozwiązania pozwalające na automatyczne, szybkie mocowanie narzędzi na określonym stanowisku. W ten sam sposób przebiega automatyczne zdemontowanie niepotrzebnej już formy. Czynności obsługi ograniczają się jedynie do odstawienia formy w miejsce składowania za pomocą wózka widłowego... Aby pobrać pełną treść artykułu kliknij tutaj...
