Экструзионно-выдувное формование

Этим методом получают разнообразную полимерную тару (бутылки, бочки, канистры, контейнеры, игрушки и другие объемные изделия). Объем получаемых этим методом изделий составляет от нескольких миллилитров до 3000л.

В процессе экструзии сырье переходит из твердого состояния (гранулы, порошок) в расплав, а потом снова в твердое состояние после выхода из фильеры (мундштука) и охлаждения. В материальном цилиндре экструдера (как и в литьевой машине) различают три зоны: загрузки, сжатия и дозирования. В зону загрузки поставляются твердые гранулы, которые перед переработкой просушиваются (режимы сушки см. табл.) и с помощью шнека сжимаются в монолитную корку. Твердый материал прижимается спиральным каналом, который образован поверхностями цилиндра и винтовой нарезкой шнека. Трение полимера о стенки цилиндра должно быть больше, чем о шнек. Оно регулируется за счет обеспечения высокой чистоты поверхности шнека по сравнению со стенкой цилиндра, а также температурой (цилиндр нагревается, а шнек охлаждается). Плавление полимера происходит за счет теплоты, которая поступает от нагревателей, а также за счет теплоты от внутреннего трения.

В зоне сжатия гранулы полностью расплавляются и вследствие уменьшения глубины нарезки шнека расплав сжимается до образования гомогенной массы, свободной от воздушных включений.

В зоне дозирования глубина нарезки шнека не изменяется. Задание этой зоны – нагнетать в формующую головку расплав при постоянных значениях температуры и давления.

Технологический процесс выдувного формования происходит в две стадии: первая стадия – формование трубной заготовки; следующая – раздув в форме с помощью сжатого воздуха. На второй стадии заготовка приобретает конфигурацию готового изделия, которое охлаждается в форме, а потом вынимается из неё после размыкания.

Для изготовления выдувных изделий используют экструдеры с диаметром шнека 50-90мм. Длина шнека не превышает 15-18 диаметров, поскольку сопротивление головки относительно небольшое, а полученный расплав должен быть однородным.
Производство полых изделий осуществляется с помощью специальных агрегатов - выдувных машин (АВ-0,5; АВ-2,5; АВ-10; АВ-60 и т.д.), которые содержат три узла: экструдер, головку, приемно-раздувное устройство. Поскольку процесс формования состоит из двух неравных по продолжительности стадий – относительно быстрой стадии формования трубной заготовки и более продолжительной стадии формования и охлаждения изделия – для повышения производительности выбирают или многопозиционные агрегаты (с несколькими формами), или с двумя - или больше канальными формующими головками (иногда с несколькими мундштуками на каждом канале).
При изготовлении изделий вместительностью 4л и больше используют аккумуляторные головки с накопителем.

Требования к пластмассам, которые перерабатывают экструзией с последующим раздувом
Для изготовления полых изделий чаще всего используют полиолефины (полиэтилен низкой и высокой плотности, полипропилен). Реже всего используют непластифицированный и пластифицированный поливинилхлорид, ударопрочный полистирол, АБС-пластики, поликарбонаты, полиамиды, кополимеры формальдегида и проч.

На процесс экструзии с раздувом наиболее влияют удельная плотность и показатель текучести расплава полимера. Увеличение плотности приводит к возрастанию жесткости изделий, уменьшение проницаемости для газов и жидкостей. Но, для изделий на основе материала с повышенной плотностью, одновременно снижается ударная стойкость.

С увеличением показателя текучести расплава улучшается глянцевость изделий, но снижается ударная стойкость, относительное удлинение при растяжении и сопротивление к растрескиванию.

Повышенные требования к вязкости экструдированного расплава ставятся в связи со спецификацией процесса формования.
Учитывая то, что трубная заготовка экструдируется из головки вниз, в воздух, вязкость должна обеспечить ее стойкость, то есть, чтобы заготовка не разорвалась под влиянием собственного веса и не удлинялась. Для обеспечения этого условия выведена эмпирическая зависимость вязкости от геометрии заготовки и скорости экструзии:


Кроме величин вязкости материала, который перерабатывается экструзией с раздувом рукава, ставятся другие требования. Это также наличие достаточно широкого интервала вязкотекучего состояния (чтобы сохранялась способность к раздуву), высокая степень раздува, способность к свариванию под давлением и образования прочного сварного шва.

Чем больше степень кристалличности полимера, тем прозрачность изделий в большей степени зависит от режима охлаждения.
Технологический процесс изготовления полых изделий методом экструзионного выдувания
Для производства полых изделий можно использовать разнообразные способы формования с раздувом: экструзия трубной заготовки и ёё раздув сжатым воздухом; формование заготовки в литьевой форме методом литья под давлением и последующий раздув ёё в выдувной форме; экструзия трубной заготовки и отливка горловины изделия, соединение горловины с заготовкой и ёё раздув; сваривание трубной заготовки с листа с последующим нагреванием и раздувом.
Наибольшее распространение получил способ изготовления полых изделий раздувом трубных экструзионных заготовок.

Технологическая схема производства объемных изделий методом экструзии с последующим раздувом состоит из таких операций: прием сырья в контейнерах (цистернах, мешках) и транспортирование ёё на склад; хранение сырья; разгрузка сырья; входной контроль; подготовка сырья к переработке; транспортирование сырья с участка подготовки и подачи его к бункеру экструдеру; формование трубной заготовки (плавление полимера, гомогенизация, формование трубной заготовки методом свободной экструзии с воздуха); подвод и смыкание формы для раздува с одновременным удалением трубы, или удаление трубы и перенесение к приемно-раздувному устройству; раздув в форме, выдержка на охлаждение, размыкание формы и вынимание готового изделия; механическая обработка изделий (удаление излишка материала на сварном шве и его зачистка); контроль качества готовой продукции; упаковка изделий; транспортирование продукции на склад; переработка технологических отходов – брак и изъятые остатки облоя (переливы). Часть отходов (до 20%) может возвращаться в цикл.

Стадия формования изделий. Для изготовления полых изделий используются агрегаты для экструзии с последующим раздувом. Их основные характеристики поданы ниже.

Технические характеристики агрегатов для получения полых изделий методом экструзии с раздувом

Головка формует с расплава трубную заготовку, которая имеет однородную толщину по высоте и периметру.
Приемно-раздувное устройство состоит из двух механизмов: ножа для отрезания участка трубной заготовки, которая подлежит формованию; механизма транспортирования заготовки от головки к форме; механизма запирания формы; механизма раздува заготовки; механизма удаления перелива; механизма вынимания изделия.

Раздув заготовки может происходить тремя способами: через дорн, через ниппель и через иголку.
При раздуве заготовки через дорн, воздух подается через центральное отверстие в нем, и дорн придает горловину изделию.
В случае раздува через ниппель трубная заготовка как бы надевается на него. При смыкании полуформ она обжимает ниппель, образуя горловину изделия. Через ниппель подается воздух. После охлаждения ниппель отводится, а изделие достают из формы.

Раздувом через дорн и ниппель можно формовать изделия с отверстиями (флаконы, бутыли).
При раздуве с помощью полой иголки, она после смыкания формы вводится через отверстие, прокалывает заготовку, и воздух подается через нее. После раздува иголка отводится, форма размыкается, а изделие извлекается из нее. Прокол после иголки заваривается полимером.
К трубной заготовке подводятся полуформы в разомкнутом состоянии так, чтобы она располагалась симметрично к формующим поверхностям. В момент смыкания формы часть заготовки, которая выступает за габариты формующей полости, защемляется пресскантами по всему периметру изделия. Под действием усилия смыкания происходит пережатие расплава, заготовка сваривается в виде замкнутой полости, а излишек материала обрезается по контуру формующего гнезда. В момент смыкания формы трубная заготовка отнимается от формующей головки с помощью ножниц или разогретой нихромовой ленты.

Усилие смыкания формы:

После смыкания формы сразу же начинается формование изделия с помощью сжатого воздуха, который подается в форму способами, которые приведены выше.
Давления воздуха зависит от вида полимера, который перерабатывается, толщины стенок и размеров изделия. Он влияет на скорость охлаждения изделия и качество его поверхности. Возрастание давления сокращает длительность охлаждения и улучшает внешний вид изделия, увеличивает прочность сварных швов. Чаще всего давление раздува составляет 0,15-0,5МПа.

Отношение диаметра изделия к диаметру заготовки называется коэффициентом раздува. Он должен быть в пределах 2-3,5. При его возрастании повышается разнотолщинность изделия по периметру. Скорость раздува влияет на усадку и внешний вид изделия. Увеличение скорости раздува уменьшает усадку материала и улучшает качество поверхности изделия.
Процесс охлаждения изделия начинается после прижимания заготовки, которая раздувается, к стенкам формы.
Время охлаждения зависит от толщины стенок изделия, температуры расплава и формы, природы материалу. Зависимо от размеров и конфигурации изделия, природы полимерного материала температура формы находится в пределах 20-60°С. Увеличение температуры формы улучшает качество поверхности, повышает прочность сварных швов, уменьшает коробление и усадки изделий, но продолжает длительность процесса охлаждения. Системы охлаждения, которые используются, можно распределить на внешние (охлаждение стенок формы с помощью разнообразных хладагентов – воды, растворов солей, смесей воды с этиленгликолем) и внутренние (внутренние охлаждение изделия, его смеси с водой; углекислого газа; жидкого азота и т.д.).

Стадия охлаждения – самый длительный процесс, поэтому она является лимитирующей стадией и влияет на производительность производства.
С целью интенсификации этой стадии для охлаждения используют двухсторонний способ с подачей рассолов в сорочку формы и переохлажденного (до -50°С) воздуха или сжиженных газов в средину изделия. Использование для охлаждения сжиженного азота сокращает длительность стадии и повышает качество изделия – увеличивается стойкость его к растрескиванию.

Форма раскрывается с помощью узла смыкания – размыкания. Перед раскрытием формы с горловины изделия вынимается ниппель, а при автоматическом режиме одновременно отрываются приплывы. Изделия с раскрытой формы выпадают под действием собственного веса. Иногда их достают с помощью сжатого воздуха или выталкивателей.

Температурный режим экструдирования заготовки устанавливается в зависимости природы полимера, который перерабатывается, от конструктивных особенностей оборудования и формующего инструмента, а также от конфигурации, размеров и толщины стенки изделия.


Повышение температуры экструзии хорошо влияет на внешний вид и качество поверхности изделий (улучшается поверхностный глянец, снижается шероховатость), но при этом возрастает разнотолщинность стенок вследствие вытягивания заготовки и увеличивается цикл формования за счет возрастания времени охлаждения изделия. Перегрев также может вызывать ослабление сварного шва за счет термоокислительной деструкции материала.
Сниженная температура формования может быть причиной непрочного сварного шва, большой усадки и превышенной толщины стенок изделий.
Скорость экструдирования заготовки влияет на массу и толщину стенок изделия, чистоту внутренней поверхности, разнотолщинность изделий и производительность процесса.

Увеличение скорости экструдирования заготовки приводит к увеличению толщины стенок, снижению разнотолщинности и повышению производительности процесса. Но слишком большая скорость может привести к повышению шероховатости заготовки, образованию местных утоньшений стенок изделия по линии слития потоков, а также появления на поверхности изделия частиц нерасплавленного материала.
Механическая обработка изделий. На современных агрегатах совмещаются раздув, механическая обработка, цветная печать. Измельченные и гранулированные отходы смешивают с первичным сырьем в объеме до 30% и возвращают в цикл изготовления изделий.
При формовании на неавтоматизированных агрегатах механическую обработку ведут отдельно с использованием механизированных ножевых или фрезерных устройств.

Упаковка полых изделий. Упаковка может осуществляться централизовано (после участка контроля) и децентрализовано (около каждого экструзионного агрегата). Изделия, которые имеют объем 1-3л, пакуют насыпом в мягкие контейнеры или мешки, с объемом до 9л – поштучно с формованием пакета. Упаковка изделий, которые имеют объем более 90л, ведется только поштучно.

В случае использования схемы, по которой происходит заполнение емкостей жидкостями, упаковку целесообразно проводить с использованием специальной кассетной тары.

Виды брака изделий, которые производят методом экструзии с раздувом, их причины и способы устранения