Termoformowanie
Termoformowanie tworzyw sztucznych
Powszechne stosowanie tworzywa sztucznego
Przedmioty wykonane z tworzyw sztucznych są dzisiaj powszechnie stosowane. Praktycznie na każdym kroku stykamy się elementami w całości lub w części wykonanymi z tworzywa sztucznego. Mamy je w mieszkaniach i zakładach, są częścią samochodów, którymi jeździmy, tworzą obudowy telefonów, które nosimy w kieszeni i komputerów na naszych biurkach. Kupujemy zapakowane w nie produkty, bawią się nimi dzieci, bo produkuje się z nich też zabawki, przygotowujemy w nich posiłki. Jednym zadaniem: tworzywa sztuczne są wszechobecne!
Wpływ technologii przetwórstwa na rozpowszechnienie tworzywa
Na ich sukces, obok szerokiego spektrum własności samych tworzyw sztucznych i względnie łatwej możliwości modyfikowania tych własności, wpływ miało także opracowanie skutecznych, prostych, tanich i możliwych do zastosowania masowego technologii produkcji.
Popularne metody przetwórstwa tworzyw
Dwie najpopularniejsze technologie przetwórstwa tworzyw to termoformowanie i wtryskiwanie. Różnią się one głównie tym, w jakim stanie skupienia jest w nich przetwarzane tworzywo.
Wtrysk tworzyw
W technologii wtryskiwania wytwarzany wyrób uzyskuje pożądany kształt z tworzywa sztucznego doprowadzonego do postaci płynnej. Stopione tworzywo jest wtryskiwane pod ciśnieniem do odpowiedniej formy.
Termoformowanie tworzyw sztucznych
W technologii termoformowania nie dochodzi do topienia tworzywa. Wyrób powstaje z surowca, czyli płaskich folii albo płyty płaskiej lub też z półwyrobu w kształcie wstępnie uformowanej prostej powłoki. W wyniku termoformowania otrzymujemy powłokę o określonych kształtach rozbudowanych w przestrzeni. Nasuwa się tutaj analogia do tłoczenia blach.
W dalszej części tego artykułu omówimy proces termoformowania, inne metody przetwarzania tworzywa zostawimy na inną okazję.
Jak przebiega termoformowanie tworzyw sztucznych?
Opis technologii
Proces termoformowania przebiega w kilku etapach. Pierwszym jest nagrzanie dużej powierzchni płyty lub folii z danego tworzywa zamocowanej w ramie napinającej do temperatury nieco powyżej temperatury pozwalającej na osiągnięcie granicy plastyczności. Następnie pod wpływem ciśnienia zewnętrznego następuje odkształcenie rozgrzanego elementu, aż przybierze on kształt odwzorowujący formę do termoformowania. Podczas termoformowania, pod wpływem naprężeń tworzywo odkształca się, a stan tego odkształcenia jest utrwalany podczas następującego potem etapu chłodzenia.
Surowce do termoformowania
Surowcami w termoformowaniu są płyty, folie lub rękawy oraz produkty wstępnie uformowane występujące pod nazwą preformy. Wybór odpowiedniego półwyrobu uzależniony jest od kształtu, jaki chcemy osiągnąć i od przeznaczenia gotowego wyrobu.
Zastosowanie termoformowania
Termoformowanie jest powszechnie wykorzystywane w produkcji opakowań, jak i produktów wielkogabarytowych ze względu na swoją wysoką wydajność i stosunkowo niewielkie koszty. Metoda ta daje możliwość wykonania produktów o bardzo małej grubości ścianki (nawet do setnych części mm) i o znacznych gabarytach (do kilku m2 powierzchni). Termoformowanie to technologia bardzo elastyczna można stosować ją do szerokiego zakresu produkcji zarówno jednostkowej jak i masowej.
Podział termoformowania
Proces termoformowania w zależności od sposobu w jaki wywierane jest ciśnienie na formowany arkusz możemy podzielić na:
Termoformowanie próżniowe (podciśnieniowe) – kształtowanie odbywa się przez wymuszenie odkształcenia arkusza za pomocą komory próżniowej (obniżonego ciśnienia). Proces formowania próżniowego polega na ogrzaniu tworzywa do temperatury, która czyni je wysoko elastycznym, a następnie kształtowaniu go przez zastosowanie różnicy ciśnień powstałej dzięki wytworzonej próżni między formą a folią lub płytą.
Termoformowanie ciśnieniowe (nadciśnieniowe) – element jest odkształcany nadciśnieniem wywieranym przez sprężone powietrze.
Możliwe jest również zastosowanie połączenia obu tych metod.
Rodzaje form do termoformowania
Podczas termoformowania materiałów obydwiema wcześniej wymienionymi metodami można użyć różnych rodzajów form:
Formy negatywowe – wymiary i ewentualna faktura i kształt formy są odwzorowywane po zewnętrznej stronie wyrobu. Formowanie negatywowe pozwala na uzyskanie szczegółów formy na zewnętrznej stronie wyrobu, co jest wykorzystywane w produkcji elementów o skomplikowanych kształtach.
Formy pozytywowe – szczegóły formy oraz jej wymiary odwzorowywane są po stronie wewnętrznej produktu.
Najbardziej kosztownym elementem metody termoformowania jest wykonanie formy, aby uprościć technikę wytwarzania form, wprowadzono specjalne żywice narzędziowe: epoksydowe, poliuretanowe i metakrylowe.
Typy technologii wykonania form
Podstawowe typy stosowanych form to:
Formy pełne – stosowane do krótkich i średnich serii produktów o stosunkowo prostych wypukłych kształtach
Formy laminowane – dają możliwość produkcji średnich serii wyrobów, w których występują zagłębienia lub nisze.
Tworzywa stosowane w technologii termoformowania
W procesie termoformowania wykorzystywane są płyty i folie z różnych tworzyw termoplastycznych.
Produkcja elementów technicznych
Do produkcji kształtek technicznych na ogół używa się poliwęglanu (PC), polimetakrylanu metylu (PMMA), poliamidu (PA) oraz kopolimeru akrylonitrylo-butadieno-styrenowego (ABS). Często stosuje się również materiały wzmocnione wypełniaczami włóknistymi. W branży samochodowej jako materiałów do termoformowania używa się termoplastycznych poliolefin i elastomerów.
Produkcja opakowań
Do produkcji opakowań używa się przeważnie popularnych materiałów: poli(tereftalan etylenu) (PET), polistyren (PS), polipropylen (PP), polichlorek winylu (PVC) i polietylen (PE).
Suszenie wstępne
Niektóre tworzywa sztuczne termoplastyczne mogą wymagać suszenia wstępnego zanim będziemy w stanie przeprowadzić ich kształtowanie. Chodzi o materiały takie jak: ABS, ASA, PMMA, PA, PC, PSU, PES i PET.
Dodatkowe wykończenia i modyfikacje używanych płyt
Niekiedy wkłady do termoformowania wymagają specjalnego wykończenia powierzchni płyt. Przykładowo wykończenie spodniej powierzchni wkładki systemem „easyglide” ułatwia możliwość uformowania przedmiotów i zmniejsza różnice grubości ścianek elementów podczas głębokiego termoformowania.
Wyroby sanitarne
Przy wyrobach sanitarnych (wanny, brodziki) wykonuje się uformowanie z płyt zawierających dodatki antybakteryjne.
Zabezpieczanie arkuszy
Standardowo powierzchnie formowanych arkuszy, zabezpieczane są folią ochronną, usuwaną dopiero po montażu gotowego wyrobu.
Termoformierki
Termoformowanie tworzyw sztucznych przeprowadza się w maszynach zwanych termoformierkami. Najczęściej stosowane są maszyny wykonujące formowanie próżniowe, popularnie określane jako „próżniówki”.
Rodzaje termoformierek
Termoformierki mogą być jednostacyjne, w nich płyta z materiału formowanego nie zmienia swojego miejsca podczas grzania i formowania. Dostępny park maszynowy obejmuje również formierki dwustacyjne, w nich obróbki wstępnego podgrzewania i formowania są wykonywane w innych miejscach maszyny, a płyta jest przenoszona między tymi stacjami.
Budowa maszyny realizującej formowanie próżniowe
Budowa termoformierki jest stosunkowo prosta, składa się z zespołu grzania i stacji formowania.
Zespół grzania
Zespół grzania realizuje podgrzewanie materiału do określonej temperatury poprzez promieniowanie. Stosuje się grzałki ceramiczne, kwarcowe i halogenowe. W zależności od grubości płyty stosuje się grzanie górne lub grzanie dwustronne. Przy grzaniu dwustronnym, formierka podtrzymuje płytę systemem podciśnieniowym.
Stacja formująca
Najprostsza stacja formowania składa się z dwóch ramek zaciskowych: dolnej i górnej, między którymi mocowana jest płyta oraz podnoszonego stołu dolnego, na którym montowana jest forma. Droższe maszyny posiadają także dodatkowy stół górny dla formy. Stacja formowania nadaje kształt nagrzanej płycie lub folii przez mechaniczne oddziaływanie na nią formy do termoformowania.
Sposoby docisku płyty
Docisk płyty do formy realizowany jest, albo przez podanie sprężonego powietrza nad płytę a jego ciśnienie wpycha następnie płytę do formy, albo przez odpompowanie powietrza spod płyty i docisk naturalny przez słup powietrza atmosferycznego.
Instalacja usuwająca powietrze
Powietrze powinno zostać usunięte możliwie jak najszybciej, by materiał nie uległ nadmiernemu ochłodzeniu, dlatego maszyna wyposażona jest w zbiorniki wyrównawcze o objętości takiej jak objętość robocza elementów formujących, które połączone są pompami próżniowymi.
Możliwe problemy technologiczne termoformowania
Ponieważ krawędzie płyty są sztywno zamocowane pomiędzy ramką dolną a górną, podczas obróbki na wzorniku płyta, zwiększając swoją powierzchnię, rozciąga się i jednocześnie zmniejsza swą grubość. Te zmiany nie są równomierne, występują obszary o zróżnicowanej grubości ścianki. Niestety nie ma metod, które w sposób pewny pozwoliły, by przewidzieć finalny rozkład jej grubości. Mamy ogólne zalecenia jak prowadzić proces technologiczny i jaki powinien być projekt formy by zakres grubości był jak najmniej zróżnicowany.
Chłodzenie elementów
Chłodzenie gotowego elementu może być przeprowadzane poprzez oddanie ciepła do otoczenia w sposób naturalny, ale częściej stosuje się nawiew chłodnego powietrza przez odpowiednie dysze i jednoczesny odbiór ciepła przez formę. Wykorzystywany bywa też natrysk mgły wodnej na powierzchnię gorącego wyrobu, ale zmniejsza to trwałość metalowych elementów maszyny na skutek korozji. Schłodzenie produktu zabezpiecza go przed deformacjami podczas usuwania z maszyny i odkładania. Czas chłodzenia zależy od rodzaju produktu i danego tworzywa.
Wyposażenie dodatkowe
Możliwe jest wyposażenie termoformierki w moduły i osprzęt realizujący dodatkowe operacje jak laminowanie próżniowe folią z nadrukiem, zgrzewanie krawędzi, możliwość wykrawania, gięcie itp. Można termoformowaniu poddawać również dwie płyty jednocześnie, każda kształtowana jest na osobnej formie, a następnie następuje ich połączenie przez zgrzewanie. Wszystkie te operacje może wykonywać jedna odpowiednio wyposażona formierka.
Zalety termoformowania
Zalety technologiczne
Główną zaletą jest możliwość wytwarzania wyrobów o bardzo małej grubości ścianek i o znacznych gabarytach co znajduje zastosowanie w różnych branżach.
Duża swoboda wyboru surowca do termoformowania. Można stosować tworzywa o rozmaitych właściwościach, sposobach wykończenia powierzchni itp. W procesie termoformowania można również wykorzystać tworzywa biodegradowalne, co pozwala na produkcję ekologicznych opakowań o ograniczonym wpływie na środowisko.
Termoformowanie jest szczególnie użyteczne w produkcji wyrobów cienkościennych, takich jak opakowania, które wymagają precyzyjnego zachowania małej grubości ścianek.
Zalety ekonomiczne
Koszt produkcji form jest niższy, w porównaniu do innych metod przetwarzających tworzywa sztuczne, co pozwala na produkcję krótkich serii. Pozwala również na testowanie modeli do produkcji seryjnej, co zmniejsza ryzyko przy uruchamianiu nowej produkcji.
Możliwość stosowania form wielokrotnych znacznie podnoszących wydajność produkcji i skracających jej czas.
Wady technologii termoformowania
Wady technologiczne
W termoformowaniu otrzymujemy produkt, który ma formę skorupy lub powłoki. Nie można wykonać tą metodą elementów o skomplikowanej budowie i wystających elementach.
Operacja kształtowania nie daje jednolitej grubości ścianek wyrobu, istnieje ryzyko nadmiernego zmniejszenia ich grubości i osłabienia produktu. W określonych miejscach wyrobu mogą również tworzyć się niepożądane fałdowania i odkształcenia.
Po termoformowaniu wyroby produkowane wymagają często dalszej obróbki. Konieczne bywa obcinanie, wiercenie, polerowanie, gięcia, wykrawanie i inne dodatkowe operacje. Jeśli kształtka ma mieć otwory, muszą one być wykonane w osobnej operacji.
Wady ekonomiczne
Duża ilość odpadów powstających przy przycinaniu płyt i odcinaniu gotowych wyrobów od arkusza.
Wysoka cena surowców wejściowych, jakimi są folia i płyty. Przeciętnie jest ona dwa razy wyższa od ceny granulatu używanego we wtrysku w przeliczeniu na jednostkę masy.
Termoformowanie tworzyw sztucznych to proces technologiczny, w którym doświadczenie zawodowe odgrywa większą rolę niż w innych procesach przetwórstwa. W technologii wtryskiwania można wykonać kilkanaście czy nawet kilkadziesiąt wtrysków próbnych, zanim ustali się optymalne parametry procesu. Ze względu na wysoki koszt surowców w termoformowaniu nie można sobie na to pozwolić.
