Термоформование

Метод термоформования объединяет несколько технологических приемов переработки листовых и пленочный заготовок: вакуумное, пневматическое, механическое, свободно выдувное и комбинированиные виды формования. В основу данного метода изготовления изделий из полимеров, положен принцип при котором лист термопласта перед формованием нагревают до температуры высокоэластичного состояния (или температуры его размягчения) , 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 элементов формования(пуансонов). После принятия заготовкой заданой конфигурации, происходит ее охлаждение которое приводит к фиксации геометрической формы изделия.

Рис.1. Схема технологического процесса пневмоформования



Рис.2. Схема негативного (I) и позитивного (II) вакуум формования с предварительной механической вытяжкой: а – нагревание заготовки; б – предварительная механическая вытяжка; в – окончательное оформление изделия


Рис.3. Свободное выдувное формование изделия

Наиболее часто термоформованием перерабатываются аморфные полимеры, это обьясняется наличием у них ярко выраженого температурного интервала для переработки. Который находится в основном между Тс и Тпл полимера. Хотя иногда температура формования может быть немного ниже температуры стеклования (Тс) , а иногда превышать температуру текучести (Тт) на несколько градусов, тоесть незначительно выходит за пределы интервала высокоэластического состояния пластика.

Рис. 4 Термомеханическая кривая стеклообразных полимеров


Высококристаллические полимеры как правило не перерабатывают этим методом, т.к. температурный интервал переработки находится в пределах 2-30С, врезультате контроль за нагревом ужесточается и во многих случаях становится невозможным. Такой полимер как ПЭТФ (полиэтилентерефталат), обладающий выше перечислеными недостатками, а также низкой вязкостью при Тт благодаря развитию современного оборудования и подбору пленочной заготовки, может быть успешно переработан в изделие, однако это скорее исключение чем рядовой случай.

Действующими силами при термоформовании являются нормальные напряжения, которые вызывают большие деформации растяжения сопровождающиеся выпрямлением макромолекул и их ориентацией в направления вытяжки. Процесс сопровождается механодеструкцией в результате действия на заготовку нормальных напряжений, а также термоокислительной деструкцией как побочный еффект нагревания листа.
Иногда проводят всего лишь подогрев заготовки, при этом температура листа вначале формования может быть ниже Тс на несколько десятков градусов. Такой вид формования называется – холодным формованием. Его проводят с достаточно большой скоростью вытяжки, врезультате резкой внутреней перегрупировки молекул будет выделятся тепло, которое облегчает протекание процесса, побочным еффектом в данном процессе можно считать – механодеструкцию ( см.выше).

В процессе формования в листовой заготовке возникают остаточные напряжения. Ориентированый материал под действием внутрених напряжений стремится вернуть себе первоначальную форму – форму заготовки. Это связано с особенностью природы полимерных материалов, а именно с релаксацией макромолекул полимера (читать раздел физико-химия ВМС). Неоднородность при охлаждении также вызывает внутрение напряжения, что часто приводит к растрескиванию или короблению изделий в процессе их эксплуатации.

Метод пререработки пластмасс термоформованием обычно используется в случаях когда: использование других распространеных методов экономически невыгодно; изготовить изделие другим методом технически не представляется возможным. Оборудование для термоформования отличается относительной простотой, компактностью, дешевизной самого обороудования и технологической оснастки.

Термоформование используют, прежде всего, при производстве тары и упаковки для пищевой, парфюмерной и фармацевтической промышлености, одноразовой посуды, также изделия с открытым свободным обьемом: футировка химических емкостей, панели холодильников, оформляющие части элементов автомобилей и самолетов, оформление целого ряда полых полимерных изделий, имеющих различное техническое назначение. Многие виды полимерных изделий, например крупногабаритные и тонкостенные сложной конфигурации, можно изготовить только методами пневматического или вакуумного формования. Все выше изложенные причины позволяет достойно конкурировать процессам термоформования с другими альтернативными методами производства изделий из полимерных материалов.

Рис. 5 Примеры изделий в автомобилестроении


Ряд требований предьявляемых к материалам


Однородность листовой заготовки по составу и структуре;
Отсутствие разнотолщиности ( иногда допускается до 10% от номинального значения);

• Материал в размягченом состоянии должен характеризоваться большими значениями деформации, не должен провисать после нагревам до процесса формования;




• Минимальная термическая усадка (до 5%);




• Материал должен обеспечивать формоустойчивость изделия во время эксплуатации.

Наиболее применяемые материалы: полистирол, сополимеры стирола с акрилонитрилом или каучуком (УПС), АБС-пластики, ПВХ винипласт и пластикат, полиметилметакрилат (ПММА) и гомологи, поликарбонати (ПК), ПЭВП, ПЭНП, ПП, пентапласт и некоторые другие полимеры и сополимеры.
Во многих случаях формованию предшествует подготовительная операция по изготовлению заготовок.

При изготовлении мелких серий производится раскрой заготовок из стандартных листов.

При крупносерийном производстве изделий, закупка листов производится с учетом посадочных размеров оснастки, либо же многоместная оснастка проектируется с учетом размеров выпускающихся листов термопласта. Это впоследствии исключает подготовительную операцию вырезания (вырубывания) заготовки для формования из производственного цикла.
Перед использование новой партии необходимо определить усадку 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.

Таблица 1. Температурные режимы переработки и некоторые другие характеристики, наиболее перерабатываемых термопластов методами пневмо- и вакуум- формования.



Рис. 6 Современная рулонная линия для термоформования