Text
                    Иллиг А., Шварцман н П.
и з д а т
ПР ФЕССИЯ


Peter Schwarzmann Thermoforming A Practical Guide Edited by Adolf Illing HANSER Hanser Publischers, Munich Hanser Gasdner Publications, Inc., Cininnati
Петер Шварцманн ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Практическое руководство Под редакцией Адольфа Иллига Перевод с англ. яз. под редакцией д-ра техн. наук, проф. М.А. Шерышева Санкт-Петербург 1!М|.|М,И.И1.1 2007
УДК 678.01:53 ББК 35.710Англ ШЗЗ Шварцманн П. ШЗЗ Термоформование. Практическое руководство / Иллиг А. (ред); пер. с англ. под ред. М.А. Шерышева — СПб.: Профессия, 2007. — 288 стр., ил. ISBN 5-93913-117-4 ISBN 3-446-21451-8 (Carl Hanser Verlag) ISBN 1-56990-275-5 (Hanser Gardner Publications) Настоящее издание дает исчерпывающее представление о принципах и процессах термоформования. Автор приводит большое число развернутых ответов и практических советов на отдельные проблемы для квалифицированных инженеров и технологов, уже имеющих опыт в данной области. Кроме того, книга может служить учебным пособием для студентов, знакомящихся с одним из крупных сегментов переработки пластмасс. Помимо термопластичных полимеров, применяемых в качестве термоформуе- мых материалов, в данной книге подробно рассмотрены, с использованием практических примеров, все технологические этапы, наиболее важные модели машин, а также принципы, применяемые для изготовления форм и инструментов. УДК 678.01:53 ББК 35.710Англ All right reserved. Carl Hanser Verlag, Munich/FRG. Authorized translation from the original English language edition published by Carl Hanser Verlag, Muhkh/FRG Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав. ISBN 5-93913-117-4 © Carl Hanser Verlag, 2001 ISBN 3-446-21451-8 (Carl Hanser Verlag) © Абрамушкина О.И., перевод, 2006 ISBN 1-56990-275-5 (Hanser Gardner Publications) © Изд-во «Профессия», 2007
СОДЕРЖАНИЕ Предисловие 13 1 Введение 15 2 Термопласты 19 2.1 Химическое строение и структура термопластов 19 2.2 Свойства термопластов и их влияние на процесс термоформования 24 2.2.1 Абсорбция влаги 24 2.2.2 Фрикционное поведение (трение) материала при термоформовании 25 2.2.3 Уменьшение размеров и усадка термопластов 27 2.2.4 Ориентация 29 2.2.5 Статический заряд термопластичных формуемых материалов 32 2.2.6 Поведение термопластов при нагревании 32 2.2.6.1 Влияние времени нагрева 33 2.2.6.2 Расширение и провисание 34 2.2.6.3 Интервал температур формования 36 2.2.7 Вытяжка термопластичного материала 36 2.2.8 Оформление деталей изделия 37 2.2.9 Поведение термопластов при охлаждении 39 2.3 Процессы производства термопластичных термоформуемых материалов 43 2.3.1 Производство листового материала экструзией 44 2.3.2 Производство пленки с помощью раздувной головки (рукавная пленка) 45 2.3.3 Производство пленки на каландрах или вальцах 45 2.3.4 • Литье термопластичных материалов и листов 46
6 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ 2.3.5 Специальные процессы производства термоформуемых материалов 47 2.3.6 Методы улучшения термопластичных термоформуемых материалов 47 2.4 Подробно о термопластах для термоформоваиия 48 2.4.1 Полистирол (стандартный полистирол) 48 2.4.2 Ударопрочный полистирол 54 2.4.3 Блок-сополимер стирол-бутадиен-стирол 55 2.4.4 Ориентированный полистирол 56 2.4.5 Сополимеры акрилонитрил-бутадиен-стирол 57 2.4.6 Сополимеры акрилонитрил-стирол-акрилат 58 2.4.7 Сополимеры стирола с акрилонитрилом 59 2.4.8 Непластифицированный поливинилхлорид (жесткий) . . 60 2.4.9 Полиэтилен высокой плотности 61 2.4.10 Полипропилен 62 2.4.11 Полиметилметакрилат 63 2.4.12 Полиоксиметилен 65 2.4.13 Поликарбонат 65 2.4.14 Полиэфиркарбонат 66 2.4.15 Полифениленовый эфир (ранее полифениленоксид) . . 67 2.4.16 Полиамид 67 2.4.17 Полиэтилентерефталат аморфный 68 2.4.18 Полиэтилентерефталат некристаллизующийся 70 2.4.19 Полиэтилентерефталат кристаллизующийся 71 2.4.20 Полисульфон 72 2.4.21 Полиэфирсульфон 73 2.4.22 Сополимер акрилонитрил/метакрилат/бутаднен 73 2.4.23 Производные целлюлозы 74 2.4.24 Диацетат целлюлозы (CdA) 75 2.4.25 Поливинилиденфторид 75 2.4.26 Полиэфиримид 76 3 Основные принципы и термины, применяемые в термоформовании 77 3.1 Станция формования 77 3.2 Позитивное и негативное формование 77 3.3 Конечное давление формования 80 3.4 Площадь формования, площадь вытяжки, зажимной фланец. . 82 3.5 Поперечное сечение выпускных отверстий, просверленные отверстия, щели, щелевые выпускные отверстия 83
Содержание 7 3.6 Нижние и верхние держатели 83 3.7 Уклоны для съема с формы 84 3.8 Поднутрения и закладные элементы в инструменте 85 3.9 Предварительный раздув, предварительное всасывание, отвод воздуха, компенсатор давления, поддув 85 3.10 Метки, следы охлаждения, задиры, складки 86 3.11 Термоформующий инструмент 87 3.12 Коэффициент формования и вытяжки 88 3.13 Расчет толщины стенки термоформованных изделий 89 3.14 Усадка и деформация термоформованных изделий 91 4 Последовательность процесса термоформования 92 4.1 Позитивное формование 93 4.1.1 Позитивное формование с механической предварительной вытяжкой 93 4.1.2 Позитивное формование с предварительным раздувом . . 93 4.1.3 Позитивное формование с предварительным раздувом и соплами для обдува углов 96 4.1.4 Позитивное формование с помощью предварительного раздува до пластины и предварительное формование с помощью раздува с механическим ограничением раздува по высоте 97 4.1.5 Позитивное формование в колоколообразную форму путем предварительного раздува или всасывания 98 4.1.6 Позитивное формование с помощью предварительного всасывания в пневмокамеру 99 4.2 Негативное формование 100 4.2.1 Негативное формование без предварительной вытяжки . 100 4.2.2 Негативное формование с помощью механической предварительной вытяжки 101 4.2.3 Негативное формование с предварительным формованием путем раздува и инверсии на пуансоне 103 4.2.4 Специальные процессы при негативном формовании . . . 104 4.2.4.1 Воспроизведение структуры поверхности формующего инструмента 104 4.2.4.2 Термоформование полусфер, например, половинок глобуса 105 4.3 Комбинированное позитивно-негативное формование 106 4.3.1 Позитивно-негативное формование, включая предварительный раздув и инверсию на вспомогательном пуансоне . . 106
ТЕРМОФОРМОВАНИЕ 4.3.2 Позитивно-негативное формование конструкции изделий с различными коэффициентами вытяжки 108 Ламинирование и облицовка 109 4.4.1 Ламинирование воздухонепроницаемыми материалами . 109 4.4.2 Ламинирование воздухопроницаемыми материалами. . . 112 4.4.3 Облицовка вспененных ПС-контейнеров 113 Термоформование с помощью двух полуформ 114 Термоформование прозрачных формованных изделий 114 4.6.1 Термоформование прозрачных формованных изделий сложной формы, требующих очень высокой местной вытяжки 114 4.6.2 Термоформование с помощью свободного отсоса или раздува 115 4.6.3 Сочетание механического формования с независимым раздувом 116 4.6.4 Термоформование с применением каркасного инструмента 117 4.6.5 Термоформование при низких температурах формования 118 4.6.6 Термоформование изделий с элементами абсолютно прозрачных смотровых панелей 119 Специальные процессы в термоформовании 122 4.7.1 Процесс формования сдвоенных листов 122 4.7.2 Двухкамерный метод (формование с обратным контуром) 124 4.7.3 Термоформование воздухопроницаемых материалов с использованием резинового полотна 126 4.7.4 Термоформование листов с двойными стенками 127 4.7.5 Термоформование двух листов, один из которых помещен над другим 127 4.7.6 Компрессионное формование — пленочные шарниры, штампы с датой, швы 128 4.7.7 Запрессовка закладных деталей 128 4.7.8 Термоформование армированных длинноволокнистым наполнителем термопластов путем механического формования между формой и контрформой 129 4.7.9 Термоформование армированных длинным волокном термопластов — предварительное формование путем механической предварительной вытяжки и формования сжатым воздухом 130 Термоформование комбинированным формующим и вырубным инструментом 131 4.8.1 Формующий/вырубной инструмент со сдвиговой обрезкой 131
Содержание 9 4.8.2 Комбинированный инструмент для формования и вырубки для получения бескромочных формованных изделий . . . 137 4.8.3 Термоформование чашек с углублением в основании . . . 138 4.8.4 Формующий/вырубной инструмент, оснащенный просечной обрезкой 138 4.8.5 Формующий/вырубной инструмент, оснащенный зубчатыми ножами 140 4.9 Специальные процессы при термоформовании на машинах с рулонной загрузкой 143 4.9.1 Ламинирование чашек, тарелок и подносов 143 4.9.2 Этикетирование в формующем инструменте (этикетирование в форме, In Mould Labeling, IML) 144 4.10 Термоформование материалов с предварительно нанесенной печатью 146 5 Нагревание термопластичных формуемых материалов 152 5.1 Требования к нагреванию материалов на термоформовочных машинах для листов 152 5.2 Нагревание формуемых материалов на автоматических термо- формера'х с рулонной загрузкой 153 5.3 Методы нагревания 153 5.3.1 Теплорадиационные нагревательные элементы 154 5.3.2 Контактные нагреватели 169 5.3.3 Конвекционный нагрев 171 5.4 Радиационный нагрев в листовых линиях 172 5.4.1 Нагрев радиационными керамическими нагревателями 172 5.4.2 Нагрев раидационными нагревателями из искусственного кварца 175 5.4.3 Нагрев радиационными галогеновыми нагревателями . . 177 5.5 Радиационный нагрев для автоматических термоформовочных машин с рулонной загрузкой 178 5.5.1 Нагрев радиационными керамическими нагревателями . 179 5.5.2 Нагрев радиационными нагревателями из искусственного кварца 180 5.5.3 Регулировка температуры с обратной связью для термоформовочных машин с рулонной загрузкой 180 5.6 Измерение температуры на поверхности формуемых материалов 180 6 Термостатирование инструмента для термоформования 183 6.1 Требования к мощности термостатируемого термоформующего инструмента перед началом производства 184
Ю ТЕРМОФОРМОВАНИЕ 6.2 Требования к мощности термостатиругощих устройств при производстве 185 6.3 Пояснения для инструмента с прямым термостатированием . . 186 6.4 Пояснения для инструмента с косвенным (опосредованным) термостатированием 189 6.5 Пояснения для электрического нагрева 189 6.6 Примеры для расчета мощности термостатирования 190 6.6.1 Термоформующий инструмент A65 кг) на машине для переработки листов 190 6.6.2 Термоформующий инструмент D00 кг) на машине для переработки листов 192 6.6.3 Формующий и вырубной инструмент на автоматической термоформовочной машине с рулонной загрузкой 193 7 Снятие с формы 195 7.1 Температура при съеме 195 7.2 Конструкция формы для облегчения съема 196 7.3 Компенсация давления и воздух для съема 197 7.4 Скорость съема 197 7.5 Вспомогательные устройства для съема 198 7.6 Трение между формованным изделием и термоформующим инструментом 201 7.7 Снятие с формы изделий с поднутрениями 201 8 Отделка термоформованных изделий 205 8.1 Обрезка изделий резкой в одной плоскости 205 8.2 Обрезка изделий многомерными ножами 211 8.4 Методы соединения 215 8.4.1 Склеивание полимеров 215 8.4.2 Сварка термопластов 215 8.4.3 Термосварка 216 8.4.4 Соединение с помощью винтов и/или заклепок 218 8.5 Упрочнение 218 8.6 Варианты поверхностной обработки 219 9 Возможные ошибки при термоформовании 220 9.1 Неправильная конструкция изделия 220 9.2 Особенности формуемых материалов 226 9.3 Выбор наиболее подходящей термоформовочной машины. ... 227 9.4 Возможные ошибки, допускаемые при установке/монтаже термоформовочных машин ..... 228
Содержание 11 9.5 Возможные дефекты тсрмоформующего инструмента 229 9.6 Возможные ошибки/дефекты при запуске нового термоформу- ющего инструмента 231 9.7 На что обращать внимание при изготовлении образцов 231 9.8 Как избежать ошибок при нагревании радиационными инфракрасными устройствами 232 9.9 Ошибочное давление формования 233 9.10 Предотвращение складок 234 9.11 Устранение неисправностей 235 10 Термоформующий инструмент 244 10.1 Основополагающие принципы 244 10.2 Выбор материала для термоформующего инструмента 246 10.2.1 Деревянный инструмент 246 10.2.2 Оснастка из смолы 247 10.2.3 Алюминиевый инструмент 248 10.2.4 Стальной инструмент 249 10.2.5 Специальные материалы для термоформующего инструмента 250 10.3 Руководящие указания по проектированию термоформовочного инструмента 250 10.3.1 Уклоны боковых стенок 250 10.3.2 Радиусы 251 10.3.3 Шероховатость поверхности формующего инструмента 252 10.3.4 Поперечные сечения каналов для выхода воздуха .... 252 10.3.5 Полости 254 10.3.6 Термостатируемый инструмент 254 10.3.7 Расположение области формования 256 10.3.8 Формы для пленочных шарниров и кнопочных защелок 259 10.4 Устройства для предварительной вытяжки 265 10.4.1 Материалы для устройств предварительной вытяжки . . 265 10.4.2 Конструкция устройств для предварительной вытяжки. 267 10.4.2.1 Вспомогательные пуансоны для негативных форм 267 10.4.2.2 Пуансоны для позитивных форм 269 10.5 Антикоррозионная защита термоформующего инструмента, термостатируемого водой 270 10.6 Ножевые лезвия, которыми оснащают вырубной инструмент . 272 10.6.1 Конструкция штанцевых вырубных штампов (форм) . . 272 10.6.2 Контрплиты, применяемые при вырубке 275 10.6.3 Настройка штанцевого инструмента 276
12 ТЕРМОФОрмование 10.6.4 Усилия реза для штанцевого инструмента 276 10.7 Сдвиговой штамповочный инструмент 27Q 10.7.1 Расчет усилия вырубки для формовочно-вырубного инструмента со встроенным сдвиговым штампом 2«о 10.7.2 Сдвиговые штампы с горизонтальной поверхностью вырубки для последующих вырубных станций 2«ч 10.7.3 Сдвиговые штампы с крышеобразным углом заточки . 28^ 10.8 Приварочный инструмент ^як
ПРЕДИСЛОВИЕ В настоящее время термоформование используется для различных областей применения в таком значительном объеме, который всего несколько десятилетий назад считался бы невозможным. Помимо таких традиционных сфер применения, как вакуумное формование листа для производства дисплеев, холодильников или деталей автомобилей, термоформование вместе с методом пневмоформования упаковки завоевало важную часть рынка. Постоянное улучшение свойств термопластичных материалов вместе с использованием самого современного оборудования привело не только к увеличению производительности, но также к улучшению качества и точности формованных изделий. Хотя изначально способ термоформования был в большей степени ручным процессом, со временем он утвердился как технология, которая основана на научных данных о материалах, а также на методе управления производством путем измерений с использованием обратной связи. Воспроизводимость параметров процесса позволяет использовать термоформование на высокоэффективных промышленных предприятиях. Помимо многочисленных публикаций фирмы ILLIG в технических журналах, основные принципы термоформования в течение многих десятилетий преподавались на курсах обучения персонала компании ADOLF ILLIG Maschinenbau GmbH & Co. Однако до сих пор не издана книга со всесторонним описанием принципов и процессов технологии, которая могла бы служить введением в этот специальный предмет для студентов, а также содержала бы наиболее полные ответы, необходимые для решения большого числа частных проблем для квалифицированных инженеров и техников, уже имеющих опыт в этой области. Цель данной книги — удовлетворить эту потребность, Помимо описания термопластов, используемых в качестве термоформуемо- го материала, в этой книге с помощью практических примеров подробно объясняются и показываются все стадии обработки, приводятся наиболее важные модели машин, а также принципы, применяемые для создания форм и инструмента. Создание книги тесно связано с 50-летней историей фирмы ILLIG. Поэтому в
14 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ нее было включено множество идей и результатов опытных наработок, за наиболее полное изложение которых я выражаю мою особую благодарность Петеру Шварцманну. За критическую экспертизу рукописи, а также многочисленные предложения по улучшению и дополнению книги благодарю главу отдела развития фирмы ILLIG Гюнтера Кифера, а также профессора Гюнтера Харша. Я также благодарен Е. Дж. Треммелю за профессиональный перевод книги на английский язык. Редактор и авторы надеются, что предлагаемая вашему вниманию книга облегчит новичкам введение в курс термоформования и будет полезной при поиске решений проблем даже опытными работниками. Адольф Иллиг
1 ВВЕДЕНИЕ Термоформование — это изменение формы плоских заготовок (листов или пленок) из термопластичного полимерного материала при повышенных температурах в объемные формованные изделия. При термоформовании различают следующую последовательность процессов: • нагревание формуемого материала до температуры, при которой он способен изменять форму, то есть до температуры высокоэластического состояния (глава 5); • формование на специальной оснастке для термоформования (глава 4); • охлаждение в форме до температуры, при которой конфигурация отформованного изделия приобретет стабильные размеры (глава 6); • извлечение из формы изделия со стабильными размерами (глава 7). В большинстве случаев необходима та или иная последующая обработка формованного изделия, а именно: • отделка (обрезка); • сварка; • соединение (склеивание); • горячее запаивание; • печать; • металлизация; • флокирование/распыление флока. Термоформование* в настоящее время стало распространенным наименованием этого технологического процесса. Термин «глубокая вытяжка», в частности, применяется к металлам, а «вакуумное формование» и «пневматическое * Термин «термоформование», вообще говоря, может быть использован по отношению к большинству способов получения изделий из пластмасс, в которых перед непосредственно формованием изделия полимер нагревается до той или иной температуры. Однако на Западе именно этот термин чаще всего используется в технической литературе. В отечественных изданиях чаще применяется термин «пневмовакуумное формование». — Примеч. науч. ред.
16 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ формование» относятся к различным достаточно специфическим процессам (см. главу 4). Преимущества и недостатки термоформования Любой процесс производства будет успешным, если полученные с его помощью изделия будут более рентабельны, чем полученные по другой технологии, или, иначе говоря, если они могут быть изготовлены при одинаковых производственных издержках, но лучшего качества. Есть области применения, в которых литье под давлением или раздувное формование конкурируют с термоформованием. Однако в области, к которой имеет отношение технология упаковки, метод термоформования в большинстве случаев оказывается вне конкуренции, если только в качестве альтернативных упаковочных материалов не применяют картон или бумагу. Существенными преимуществами термоформования являются рентабельный инструмент для термоформования, разумная стоимость термоформовочных машин, возможность переработки многослойных и вспененных материалов, а также материалов с предварительно нанесенной на них печатью. Из формуемых материалов с высокой вязкостью расплава могут быть получены чрезвычайно тонкостенные изделия, в то время как при литье под давлением для таких изделий требуется гранулят с низкой вязкостью расплава. Относительно невысокие цены на оснастку дают еще одно преимущество термоформованию для производства небольших партий изделий; достоинства термоформования для больших партий состоит в достижении очень низких толщин стенок и высокой производительности термоформовочных машин. Самые маленькие по размеру детали, производство которых термоформованием еще экономически выгодно, это упаковка для таблеток или батареек для часов; большие формованные изделия, такие как садовые водоемы, могут быть длиной от 3 до 5 м. Диапазон толщин формуемых материалов от 0,05 до 15 мм, а для вспененных материалов даже до 60 мм. Любые термопласты или материалы с аналогичными свойствами являются в принципе термоформуемыми. В табл. 1.1 приведены термопластичные материалы, перерабатываемые термоформованием, и их сокращенные обозначения, рекомендуемые ISO. Лист или пленку производят из гранулята или порошка, получая полуфабрикат (полупродукт). Конечно, это означает дополнительные затраты на сырье по сравнению с литьем под давлением. Необходимость закрепления листа при термоформовании и последующий процесс обрезки приводят к отходам, которые возвращаются в производственный цикл путем их дробления. Полученный вторичный материал затем может добавляться к исходному материалу при производстве листа. В зависимости от применяемого процесса только одна поверхность листа находится в контакте с формующим инструментом. Поэтому только одна сторона
1 Введение 17 Таблица 1.1 Важнейшие термоформуемые полимеры и их обозначение (см. также главу 2) Полимерный материал Обозначение по ISO Стандартный полистирол Ударопрочный полистирол Блок-сополимер стирол-бутадпен-стирол Лист из ориентированного полистирола Лист из вспененного полистирола Сополимер стирола с акрилонитрилом Сополимер акрилонитрпла, полибутадиена и стирола (АБС-пластик) Сополимер акрилового эфира, стирола и акрилонитрила Непластифицированныйполивинилхлорид Пластифицированный поливинилхлорид Лист из вспененного поливинилхлорида Полиэтилен высокой плотности Полиэтилен низкой плотности Лист из вспененного полиэтилена Полипропилен Лист из вспененного полипропилена Полиметилметакрилат Полиоксиметилен, полиацеталь Поликарбонат Лист из вспененного поликарбоната Полиэфиркарбонат Полифениленовый эфир Полиамид Полиэтилентерефталат Л1ЭТ ', практически некристаллический ПЭТ 2\ аморфный ПЭТ ', частично кристаллический (с нуклеацией) лист из ориентированного полиэтилентерефталата Лист из вспененного полиэтилентерефталата Полисульфон Полиэфирсульфон Полифениленсульфид Сополимер акрилонитрила/метакрилата/бутадиена Ацетат целлюлозы Ацетобутират целлюлозы Диацетат целлюлозы Полиэфиримид Термопластичные эластомеры (термоэластопласты) Термопластичный полиолефиновый эластомер PS SB, HIPS SBS OPS, BOPS EPS, XPS SAN ABS ASA PVC-U PVC-P EPVC HDPE LDPE EPE PP EPP PMMA POM PC EPC PEC (иногда PAR) PPE (ранее РРО) PA PET (OPET) EPET PSU PES PPS A/MMA/B CA CAB (CdA) PEI TPE TPO 1' Также известен как PETG; не кристаллизуется при термоформовании, поскольку является сополимером гликоля (G), и остается прозрачным. 2) Также известен как АРЕТ; прозрачный как стекло лист из АРЕТ остается совершенно прозрачным при правильном его термоформовании (температура листа менее 120 °С). 3) Также известен как СРЕТ; всегда достигает высокой степени кристалличности при термоформовании. Изделия уже не являются прозрачными и имеют ш,покую теплостойкость (поэтому лист часто окрашивают белым пигментом). 2 За* 796
ТЕРМОФОРМОВАНИЕ ия будет точно повторять конфигурацию формы; конфигу- р^Гпротпш—поп поверхности будет зависеть от вытяжки (см. главу 4). Будущие разработки В ототсли переработки пластмасс термоформование относится к способам В т расли пер темпами роста. Это верно для формования тех- 2S£^ Х^к^имерпой упаковки. Термоформование все еще яв- ничеснихиздели , r ^ иеобХодимы высокое мастерство и опыт. В на- ст0еяТщееПРв0ремяСс помощью компьютерного моделирования и термоформование все более становится хорошо управляемым методом переработки с воспроизво- лимой технологией. Вторичная переработка отходов (рецикл инг) от процесса термоформования приобрела в последние годы большое значение. Утилизация производственных отходов путем дробления и смешения с исходным материалом была искусством в течение достаточно долгого времени. Сейчас же техника переработки бракованных пластмассовых изделий, таких как упаковка и даже технические детали, во многих случаях отработана, но все еще продолжает развиваться.
2 ТЕРМОПЛАСТЫ 2.1 Химическое строение и структура термопластов Термопластичные полимеры состоят из макромолекул длиной до 10~3 мм. Эти макромолекулы могут иметь линейную (нитеобразную) структуру, например, полиэтилен низкой плотности (ПЭНП), или разветвленную, например, как полиэтилен высокой плотности (ПЭВП). В аморфных термопластах макромолекулы располагаются беспорядочно подобно пучкам хлопковой или шерстяной пряжи (рис. 2.1, а). Одинаково выстроенные макромолекулы, такие как у линейного полиэтилена или полиацеталей, могут образовывать частично упорядоченные структуры (кристаллиты), хотя в принципе полимеры кристаллизуются только частично; далее мы будем говорить о частично кристаллических термопластах (рис. 2.1, Ь). Различия между аморфными и частично кристаллическими термопластами Поскольку аморфные термопласты не кристаллизуются из-за их асимметричной структуры и/или больших боковых групп, обычно они совершенно а) ь) Рис. 2.1. Структуры термопластов (схематический рисунок): а) аморфная; о) частично кристаллическая
20 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ прозрачны, если не модифицированы и не окрашены. Область рабочих температур аморфных термопластов ниже температуры стеклования Тн (рис. 2.2, а). Частично кристаллические полимеры отчасти содержат особо упорядоченные молекулярные области, известные как кристаллические зоны. Из-за кристаллизации частично кристаллические термопласты обычно непрозрачны. Прозрачность уменьшается с увеличением степени кристалличности. Область рабочих температур располагается между температурой стеклования 7яи температурой плавления кристаллитов Тт (рис. 2.2, Ь). Если лист из ПЭВП нагреют до температуры выше точки плавления кристаллитов, то кристаллиты расплавятся, лист станет аморфным и, следовательно, прозрачным. Во время охлаждения кристаллиты образуются снова в зависимости от условий охлаждения. Для многих частично кристаллических термопластов кристаллизация может быть предотвращена путем быстрого охлаждения при производстве формуемого листа или формованного изделия, приводя к получению совершенно прозрачных продуктов. Например, бутылки из полиэтилентерефталата (ПЭТ), абсолютно прозрачный ПЭТ-лист, практически прозрачный лист из атактического полипропилена (ПП). Диаграммы на рис. 2.2 показывают поведение аморфных и частично кристаллических термопластов в зависимости от температуры. 13 14 15 Рис. 2.2. Температурные области состояния термопластов (схематически): а) аморфное; Ь) частично кристаллическое; 1-2— рабочая температура; 2-3 — интервал размягчения (область температурного перехода стеклования Тд)\ 3-4 — интервал температур формования; 11-12 — интервал размягчения аморфной составляющей (температура стеклования Тд)\ 12-13 — интервал рабочих температур; 13-14 — интервал плавления кристаллитов (температура плавления кристаллитов Тт)\ 14-15 — интервал температур формования; Е— модуль упругости; а — прочность при разрыве; е — удлинение при формовании
2 Термопласты 21 Таблица 2.1 Перечень основных аморфных и частично кристаллических термоформуемых полимеров Аморфные термопласты Частично кристаллические термопласты Полнвинилхлорнд (ПВХ) Полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) Стирольные полимеры (ПС, АБС-пластик, Полиэтилен низкой плотности (ПЭНП) САН) Полиметилметакрилат (ПММА) Полипропилен (ПП) Поликарбонат (ПК) Полиамид (найлон, ПА 6, ПА 66, ПА 11, ПА 12) Полифениленовый эфир (ПФЭ) Полиацетали Производные целлюлозы Линейные полиалкилентерефталаты, ПЭТ, ПБТ Аморфный полиамид (ПА 6-3-Т) Полифениленсульфид (ПФС) Полисульфон Полиэфирсульфон (ПЭС) Совершенно прозрачные термопласты являются аморфными, но не все аморфные термопласты прозрачны; последнее относится к пигментированным и модифицированным аморфным термопластам. Из-за частично упорядоченных областей в молекулярной структуре частично кристаллические термопласты не являются совершенно прозрачными, но в зависимости от степени кристалличности более или менее полупрозрачны по сравнению с непрозрачным материалом. Аморфные и частично кристаллические термопласты обладают ограниченным диапазоном рабочих температур (более подробно см. табл. 2.4). Ниже конкретной температуры стеклования Tgтермопласты часто становятся слишком хрупкими (например, стандартный ПС). Жесткость, определяемая величиной модуля упругости Е, и прочность термопластов снижаются с увеличением температуры, но формуемость, зависящая от удлинения, становится намного лучше. Верхний предел рабочей температуры эксплуатации изделий устанавливается в зависимости от их необходимой жесткости. Допускают, что коэффициент термического расширения является приблизительно линейным в пределах определенной области температур (табл. 2.4). При нагревании термопластичных формуемых материалов можно наблюдать следующие отличия: Аморфные термопласты (рис. 2.2, а) перерабатываются термоформованием при достижении температуры стеклования (температуры размягчения). Необходимая температура является функцией марки (сорта) формуемого материала и используемого технологического процесса. При вакуумном формовании материал нужно нагревать больше, чем при пневмоформовании.
22 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Частично кристаллические термопласты (рис. 2.2, Ь) никогда не будут совершенно прозрачными, но они имеют аморфную и кристаллическую составляющие. При низкой степени кристалличности соответствующий материал может термоформоваться уже несколько ниже температуры плавления кристаллитов; однако при более высоком содержании кристаллитов необходимо выбирать более высокую температуру формования. Как поведение термопластов влияет на процесс термоформования? Если рабочая температура изделия, полученного из частично кристаллического термопластичного материала, высока, или само изделие должно стерилизоваться при высокой температуре, то оно выдержит такие тепловые нагрузки без деформации, только если зоны с частичной кристалличностью почти полностью расплавились при нагревании. Это означает, что должна быть выбрана достаточно высокая температура термоформования формуемого материала. На примере чашек (см. рис. 2.3), изготовленных из частично кристаллического ПП, показано воздействие различных температур формования на конфигурацию изделия после термоформования и последующей стерилизации. Различие в поведении можно объяснить следующим образом: область температур плавления кристаллитов ПП находится примерно от 158 до 165 "С. В процессе термоформования при температуре ниже 158 °С (левая часть на рис. 2.3, с) кристаллические зоны полностью не расплавились; они ведут себя подобно маленьким частицам в полимере, которые деформируются и сохраняются в твердом состоянии в аморфной составляющей расплава. Как только аморфные зоны при повторном нагреве снова становятся формуемыми (например, при стерилизации), стакан начинает деформироваться, потому что напряженные кристаллические зоны стремятся восстановить свою первоначальную форму. С другой стороны, если температура формования 163 °С (рис. 2.3, с, справа), кристаллиты практически полностью расплавились, и формуемый ПП материал стал аморфным. Затем в зависимости от условий охлаждения образуются новые ненапряженные кристаллиты, которые не будут стремиться вернуться в прежнее состояние при стерилизации при 121 "С, поэтому конфигурация стакана не изменится. Заключение для формовщика: если известно, что термоформованпые детали при эксплуатации будут подвергаться воздействию более высоких температур, или они должны, например, стерилизоваться, желательно формовать материал соответственно при более высоких температурах. Для частично -кристаллических термопластов температура термоформования должна быть, по крайней мере, в верхней части температурной области плавления кристаллитов. Способность к восстановлении аморфных термопластов также будет снижена, если будет использована более высокая температура термоформования. Даже если приведенные рекомендации учитываются на практике, возможно, что возникнет следующая проблема: лист не может быть переработан, потому
2 Термопласты 23 MS VJ \U VJ a) to) Рис. 2.3. Конфигурации термоформованного химического стакана из ПП (температура термоформования увеличивается слева направо): левая сторона — температура термоформования 155 'С; правая сторона — температура термоформования 163 °С; а) после формования (схематический рисунок); о) после стерилизации при 121 'С в течение 1 ч (схематический рисунок); с) фотографии после стерилизации что на термоформовочной машине нельзя достичь требуемой высокой температуры формования (нет «гладкого прохождения через машину»). Причиной этого может быть слишком низкая прочность нагретого полимера, значительное провисание заготовки при нагреве или материал при соответствующей температуре прилипает к форме. Термопласты, которые проявляют способность кристаллизоваться при нагревании и формовании, такие как СР£Т(табл. 1.1), являются исключением. Кристаллизующийся ПЭТ — это аморфный ПЭТ (АРЕТ), содержащий нуклеирующие агенты (центры кристаллизации, зародышеобразования). Поэтому, как формуемый материал, СРЕТ фактически является аморфным, но имеет особенность — быстро кристаллизуется при соответствующих рабочих условиях. Скорость кристаллизации зависит от температуры материала (температуры формования). Она максимальна при 170 °С (рис. 2.4). Область плавления кристаллитов СРЕТ находится между 255 и 258 °С; температура размягчения аморфной фазы лежит между 78 и 85 "С. Поэтому к СРЕТ применимы следующие условия термоформования: • Температура термоформования от 130 до 135 "С. • Время нагрева должно быть как можно короче для получения наименьшей степени кристалличности, чтобы при этом формуемость материала оста-
24 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ 170 °С Температура Рис. 2.4. Поведение СРЕТ при кристаллизации (схематический рисунок) лась идеальной. Более высокая степень кристалличности препятствует хорошему оформлению изделия. Инструмент для термоформовапш должен быть нагрет до 170 "С. В течение времени формования C,5-4 с для листа толщиной 0,6-0,7 мм) материал может достигнуть степени кристалличности до 25 или 30%. После формования окончательное охлаждение происходит на второй форме при температуре около 60 °С. Изделия из СРЕТ, полученные термоформованием, как описано выше, имеют максимальную постоянную рабочую температуру почти 220 "С. Но необходимо принять во внимание, что при такой высокой рабочей температуре стабильность изделия зависит только от содержания кристаллитов, а для бутылок из СРЕТ, например, содержание кристаллитов составляет всего лишь от 25 до 30%. 2.2 Свойства термопластов и их влияние на процесс термоформования 2.2.1 Абсорбция влаги Некоторые листы из термопластов являются гигроскопичными, то есть они поглощают влагу, если базовый материал является гигроскопичным, или если были добавлены в них гигроскопичные добавки типа талька, технического углерода или особых пигментов. Возможно, в течение таких процессов влага поглощается полимерным материалом или преимущественно остается на поверхности. АБС-пластик, сополимер акрилового эфира, стирола и акрилонитрила, производные целлюлозы, экструзионный ПММА, ПК, ПЭТ, ПЭС и, прежде всего, ПА являются гигроскопичными пластмассами. Гигроскопичные формуемые материалы обычно поставляют в герметичной упаковке, которую вскрывают только во время процесса переработки, поскольку материалы могут вновь поглощать влагу, если их хранить во влажной атмосфере. Простых методов для определения содержания влаги в формуемых материалах не существует. При нагревании влажных материалов во время термоформования на поверхности образуются пузыри. Поэтому гигроскопичные материалы необходимо всегда перерабатывать в сухом состоянии, то есть непосредственно из герметичной упаковки или
2 Термопласты 25 немедленно после сушки. В зависимости от марки материала и при нормальной относительной влажности 60-70% лист ПК может оставаться на открытом воздухе от получаса до 5 ч до термоформования, тогда как АБС-пластик может оставаться незащищенным в течение 2-3 дней. Если нет конкретных рекомендаций изготовителя, соответствующие инструкции для предварительной сушки можно найти в табл. 2.4. Сушка проводится в сушильных шкафах с циркуляцией воздуха. Листы должны ставиться вертикально с такими промежутками между ними, чтобы горячий воздух мог циркулировать свободно между обеими сторонами. Чрезвычайно редко сушат тонкие листы, полученные экструзией. Влажные рулоны требуют нескольких дней сушки. Высушенный формуемый материал должен немедленно плотно упаковываться в полиэтиленовую пленку, если его не собираются перерабатывать сразу после сушки. 2.2.2 Фрикционное поведение (трение) материала при термоформовании Фрикционное поведение пластмасс при термоформовании становится проблемой, когда существует движение скольжения между материалом и термо- формующим инструментом или вытяжным пуансоном. Это может происходить на установках для негативного формования, при предварительной вытяжке на пуансоне или при позитивном формовании, когда инструмент контактирует с материалом во время подачи. Если трение велико, материал будет застревать в форме или на пуансоне при первом же соприкосновении. Любая дальнейшая вытяжка материала в таких местах окажется невозможной. Если трение очень незначительно, как, например, для случая с пуансоном с покрытием или пуансоном, изготовленным из политетрафторэтилена (фторопласта, ПТФЭ), перерабатываемый материал скользит по контактирующей поверхности очень легко. Это оказывается серьезным недостатком при попытке продавить полимерный материал в придонную часть такой формы на установке для негативного формования: материал слишком легко скользит по пуансону. Донная часть всегда будет слишком тонкой. Таким образом, на фрикционное поведение при термоформовании нужно обратить особое внимание. Со стороны инструмента на трение влияют: • материал, из которого изготовлен инструмент для термоформовання, температура инструмента в области контакта с термопластом; • шероховатость поверхности инструмента. Со стороны формуемого материала на трение влияют: • природа материала (при многослойных заготовках природа материала со стороны контакта);
26 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ • поверхностная обработка и состояние (с добавлением или без антиблоки- рующего агента или агента для извлечения из формы); • температура формуемого материала во время контакта. Рекомендации для практического применения • Слегка обработанная на пескоструйной установке или полученная вручную более грубая поверхность инструмента гарантирует лучшее скольжение формуемого материала, чем грубо обработанная на пескоструйной установке или хорошо отполированная поверхность. Только углы на позитивных формах могут/должны полироваться до зеркального блеска, что позволит нагретому материалу относительно легко скользить по поверхности. • Температура инструмента играет важную роль в тех случаях, когда формуют материалы, имеющие тенденцию сильно прилипать к инструменту. Трение уменьшается при понижении температуры инструмента. • При формовании материалов с явно выраженной тенденцией к прилипанию — таких как многослойные листы с герметизирующими слоями и многослойные формуемые материалы — контактирующий слой требует более низкой температуры формования, чем основной материал. Двухслойные материалы АБС-пластик/ПММА не вызывают проблем, поскольку АБС-пластик и ПММА имеют похожие температуры термоформования. Проблемы возникают при формовании двухслойного листа УПС/ПЭ, когда требуется предварительная вытяжка с помощью вспомогательного пуансона, а ПЭ-сторона контактирует с поверхностью формы. Это особенно проблематично при вакуумном формовании, поскольку при термоформовании УПС требуется температура по крайней мере 160 "С. При этой температуре ПЭ и специальные герметизирующие слон становятся уже достаточно липкими и возможно их прилипание к форме. Многие материалы с герметизирующими слоями могут термоформоваться, но при этом герметизирующий слой должен контактировать с «холодным» инструментом. Подобный прием применяют, конечно, только в тех случаях, когда нет конструктивных ограничений для процесса или изделия. Практические советы для трудных случаев «прилипания» • Перерабатывать термоформуемый материал при низких, насколько это возможно, температурах. • Использовать более низкую температуру для «липкой» стороны по сравнению с противоположной. • Если «липкая» сторона контактирует с инструментом, работать нужное настолько холодным инструментом, насколько это допустимо. • Если «липкая» сторона вступает в контакт с пуансоном для предварительной вытяжки, должны использоваться или пуансон из ПТФЭ, или алюминиевый пуансон с покрытием из ПТФЭ.
2 Термопласты 27 • Особое внимание должно уделяться термоформуемым материалам с ан- тиблокирующим (например, ПЭТ) покрытием. ВНИМАНИЕ Фрикционное поведение при скольжении листа с антиблоки- рующим покрытием и без него очень различается. Если геометрия пуансона была установлена для определенного листового формуемого материала, нужно обратить внимание, чтобы последующие партии были с идентичным покрытием. Если покрытие отличается, то необходимо попробовать нормализовать процесс изменением технологических параметров. Кроме того, можно рекомендовать использование набора пуансонов для предварительной вытяжки для получения удовлетворительного распределения толщины стенок при работе с новым листовым материалом с другим покрытием. 2.2.3 Уменьшение размеров и усадка термопластов При термоформовании усадка означает изменение размеров, которое происходит с термопластичным листом или отформованным изделием под действием тепла без каких-либо других дополнительных механических воздействий. Целесообразно проводить определение усадки перерабатываемого материала перед его термоформованием: • Образец размером 200 х 200 мм точно измеряют и регистрируют эти измерения; направление экструзии отмечают стрелкой, также отмечают и противоположное направление. • Термошкаф нагревают до температуры, при которой лист должен термо- формоваться. • Образец помещают в термошкаф. Для этой цели пленку из ПТФЭ (например, тефлон или хостафлон) расстилают на деревянной доске, а затем опудривают «французским мелом», на который кладут образец, и также опудривают «французским мелом». Систему свободно накрывают фторопластовой пленкой, которую также прикрепляют к деревянной доске (но за пределами образца), например, тонкими кнопками (булавками). • Время выдержки в шкафу должно быть, по крайней мере, 30 мин плюс дополнительные 5 мин на 1 мм толщины листа. • Образец извлекают из шкафа и охлаждают. • После охлаждения образец снова измеряют и определяют усадку следующим образом:
28 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ (Размер до испытания-Размер после испытания) х 100 Усадка = ~ . ™- Размер до испытания Чтобы определить анизотропию материала, рекомендуется измерить его продольную и поперечную усадку. Если с вновь поставленным материалом возникают такие проблемы при формовании, как коробление, вырывание из прижимной рамы или сильная усадка при соприкосновении с контактным нагревателем, целесообразно сравнить усадку на образцах из старой и новой поставок. Различные параметры переработки этих двух партий материала приведут к различным значениям усадки и, следовательно, разному поведению при термоформовании. С помощью величин усадки термоформованного изделия необходимо определить разницу размеров изделия по сравнению с размерами термоформующего инструмента (формы). Усадка подразделяется на технологическую усадку, последующую усадку (постусадку) и полную усадку. Усадку при переработке вычисляют следующим образом: (Размер на форме - Размер на изделии) х 100 Технологическая усадка = ' ; , %■ Размер на форме Размеры на форме и изделии должны устанавливаться по стандартным методикам, то есть через 24 ч после термоформования при температуре 23 "С. В зависимости от условий переработки для некоторых полимеров постусадка может быть найдена при комнатной температуре уже через некоторое время. Если термоформованные изделия далее подвергаются обработке, например, заполняются пеной, необходимо знать точные значения постусадки для того, чтобы размеры отформованной детали точно соответствовали вторичному инструменту. Полная усадка вытекает из уравнения: Общая усадка = технологическая усадка + последующая усадка. Например, усадка наформованного листа АБС-пластнк/ПВХ может продолжаться в течение 5 дней. Поэтому должно быть известно поведение при усадке, а последовательность обработки согласована между поставщиком и потребителем, потому что также могут возникнуть колебания в составе материала (качество материала). Особая проблема состоит в определении размеров как для обрезного устройства, входящего в конструкцию формующего инструмента, так и для любого другого вырубного штампа, занимающего отдельную позицию в термоформовочной линии. Поскольку усадка не завершается сразу после термоформования, и при обрезке отформованные изделия остаются еще теплыми, размеры ножей должны быть определены очень точно. Если отдельные части в обрезном уст-
2 Термопласты 29 роистве могут устанавливаться порознь, это является преимуществом их конструкции. Значения усадки для отдельных полимерных материалов можно найти в табл. 2.4. Их можно использовать только как ориентировочные значения, поскольку они в очень большой степени зависят от условий переработки. Для полимеров с широким разбросом значений усадки желательно определить точные значения усадки перед началом термоформования или с помощью консультации с изготовителем материала, или проведя внутренние испытания. Точные значения усадки могут быть определены только в результате испытаний на термоформовочной оснастке, по крайней мере, подобной производимому изделию конфигурации. Для формованных изделий с очень высокими требованиями к допускам для их размеров должны быть изготовлены опытные образцы оснастки и определена усадка в конкретных частях изделия. К наиболее важным факторам, влияющим на усадку, относятся: • полимеры с нестабильным составом и молекулярной массой; • высокая скорость охлаждения, которая приводит к меньшей технологической усадке; • высокая температура формы (то есть когда формовку извлекают недоох- лажденной), что приводит к более высокой усадке, чем при извлечении из более холодной формы; • высокая вытяжка, что в большинстве случаев означает меньшую усадку; • условия производства формуемого материала: из одинакового гранулята на различных экструдерах или на том же самом экструдере при различных параметрах переработки можно получить формуемые материалы с различным поведением при усадке, причем изделия, полученные позитивным формованием, обычно имеют незначительную или меньшую усадку, чем полученные негативным формованием; • для одинаковых термоформованных изделий, полученных из идентичного материала, максимальное колебание усадки обычно составляет ±10%. Советы для формовщиков Области (части) на формованном изделии, которые были измерены для определения усадки, и/или сам метод измерения нужно выбирать таким образом, чтобы при измерении отсутствовали какие-либо деформации. Никогда нельзя согласовывать получаемые отклонения величины усадки менее чем ±10%. 2.2.4 Ориентация Определение усадки (см. раздел 2.2.3) также дает информацию относительно ориентации макромолекул в формуемом материале и изделии. Если материал, например, имеет очень высокую ориентацию в направлении экструзии, то это
30 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ неблагоприятно скажется на образовании складок (рис. 2.5). При расположении на равном расстоянии вдоль и поперек сегментов (гнезд) в многогнездных формах складки в направлении экструзии значительно более выражены, чем в поперечном направлении (рис. 2.5, а). При термоформовании происходит дополнительная ориентация макромолекул, которая увеличивается с увеличением степени вытяжки. На рис. 2.6 показан термоформованный стакан из УПС, который может легко быть порван на продольные полосы. Сама полоса очень прочна в продольном направлении, потому что она сильно ориентирована в этом направлении. Значительная ориентация во время термоформования существенно снижает прочность перпендикулярно направлению вытяжки, приводя к разрывам параллельно направлению вытяжки (рис. 2.7). ' TFE& / a) b) Рис. 2.5. Складки как результат ориентации в формуемом материале (показано схематично): а) для одногнездной формы; Ь) для многогнездной формы ВНИМАНИЕ Полимерные материалы очень прочны в направлении ориентации (например, веревки, упаковочные ленты), но весьма непрочны в перпендикулярном направлении. Ориентация на готовом изделии подтверждается с помощью: • определения усадки (см. раздел 2.2.3); • вырубкой круглых образцов из формованного изделия (рис. 2.8, а), затем измерением а, и 6, (рис. 2.8, Ь); эти образцы затем помещают в термошкаф (условия приведены в разделе 2.2.3) и нагревают. После усадки проводят измерения а2иЬ2 (рис. 2.8, с) и, в случае необходимости, определяют усадку. Ориентация очень высокая, если: а2 « Ь2. 'А-
2 Термопласты 31 ВНИМАНИЕ Для такого исследования желательно провести испытания усад- |ки и не подвергнутого формованию материала для того, чтобы стала Шсна ориентация, уже присутствующая в исходном материале. I Рис. 2.6. Разрыв круглого стакана, Рис. 2.7. Разрыв в направлении ори- обусловленный высокой ориентацией ентации на квадратном баке а) Рис. 2.8. Доказательство ориентации на стакане: а) вырубка круглого образца; Ь) измерение образца перед усадкой; с) измерение образца после усадки
32 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ 2.2.5 Статический заряд термопластичных формуемых материалов За исключением электропроводящих материалов, например, наполненных углеродом материалов с гальваническим металлическим покрытием или содержащих антистатические вещества, термопластичные формуемые материалы приобретают электростатический заряд во время: • размотки с бобины; • извлечения из упаковки; • снятия защитной пленки с листов; • нагревания; • охлаждения. Неблагоприятные последствия электростатического заряда Частицы большого размера, такие как полимерная крошка, образующаяся при резке, или дробленые отходы (стружка), притягиваются поверхностью формуемого материала со статическим зарядом и в дальнейшем вдавливаются в его поверхность. Это приводит к браку, по крайней мере, при формовании ответственных изделий. Такое негативное влияние можно предотвратить или, по крайней мере, уменьшить за счет: • проведения любой окончательной обработки, включая механическую обработку в отдельном помещении; • направления струи ионизированного воздуха на поверхность формуемого материала; • очистки формуемого материала проводящими, заземленными щетками. Термопластичные формованные изделия притягивают пыль после процесса формования, если они изготовлены из материала без антистатической обработки. Простой, действующий в течение короткого времени способ состоит из смывания пыли водой, содержащей жидкое моющее средство. 2.2.6 Поведение термопластов при нагревании Важными факторами при нагревании термопластичных материалов являются следующие: • время нагрева; • расширение и провисание; • прочность формуемого материала в диапазоне температур формования; • температурный градиент по толщине формуемого материала.
2 Термопласты 33 2.2.6.1 Влияние времени нагрева На время нагрева заготовки влияет тип установленных нагревателей (см. раздел 5.3). При использовании на термоформовочной машине идентичных параметров время нагрева термоформуемого листа зависит от: • марки полимера (ПС, УПС, ПВХ, ПП и т. д.); • его цвета; • толщины листа. Время нагрева увеличивается пропорционально толщине формуемого материала, поскольку пластмассы плохие проводники тепла. Наиболее короткое время нагревания достигается, когда обе поверхности подвергаются максимальному воздействию тепла в течение всего времени нагрева (но без деструкции полимера). На практике начинают с максимально возможного воздействия тепловой энергии, затем постепенно уменьшают тепловую мощность. Как функция интенсивности теплового воздействия и времени нагрева, по толщине любого формуемого материала, перерабатываемого таким способом, возникает градиент температуры. Если после нагревания или во время формования температура формуемого материала будет ниже минимальной температуры формования, то термоформование либо станет невозможным, либо приведет к низкому качеству. К сожалению, температуру внутри материала пока нельзя измерить без его разрушения. Поэтому требуется очень большой опыт для того, чтобы правильно установить такие оптимальные параметры нагрева, как подводимая к нагревателям мощность и время нагрева. В современных термоформовочных машинах основные установочные параметры и параметры нагрева могут быть рассчитаны. ВНИМАНИЕ Заготовку с небольшим перепадом температур по поперечному сечению, то есть медленно нагреваемый лист, легче формовать, и конечное изделие будет иметь лучшие механические свойства. Лист, нагретый вблизи температуры разложения, имеет худшие механические свойства и распределение толщины стенок готового формованного изделия. Лист толщиной примерно до 2,5 мм может и меть достаточно большое время нагрева при одностороннем нагревании. Материал толщиной более 2,5 мм необходимо нагревать с обеих сторон. УПС часто рассматривают как эталонный материал, то есть если время нагрева для ударопрочного полистирола известно, то время нагрева для других пластмасс можно приблизительно вычислить, умножая установленное для УПС значение на «фактор материала» (табл. 2.4). 3 За* 796
34 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ 2.2.6.2 Расширение и провисание Для определения провисания при нагревании термопластичного материала в термоформовочной машине должен быть известен термический коэффициент линейного расширения полимера / (табл. 2.4). Расширение пластмасс является примерно линейной функцией и может быть вычислено при помощи термического коэффициента линейного расширения следующим образом: где Д/— термическое расширение, мм; /, — длина или размер при температуре Г„ мм; X — термический коэффициент линейного расширения; Г, — начальная температура, обычно температура окружающей среды; Т2 — температура в конце времени нагрева. Вышеупомянутое уравнение верно только для рабочих температур, используемых в процессе термоформования. Пример расширения в области постоянных рабочих температур: Для заготовки из АБС-пластика длиной /, = 800 мм, А. = 90 • 10~6 • 1/К, Г, = 20 °С, Т2 = 60 °С линейное расширение Д/= 800 • 90 • 10~6 • 1/К • F0 - 20) К = 2,88 мм. Провисание f может быть рассчитано в упрощенной форме: / = 0,62Дд6, где/— провисание, мм; Ь{ — ширина листа в зажимной раме машины или ширина листа в транспортере для подачи материала, мм; Дб — линейное расширение листа в диапазоне температур Т2 — Ть рассчитывается по вышеупомянутой формуле для Д/. ВНИМАНИЕ Внутренние напряжения в формуемом материале не учитываются при расчете провисания по вышеприведенному уравнению. ПРИМЕР ===========:========^^ Для заготовки из ПП с А, - 700 мм, А,- 150-10" й, Г, = 20 "С, Т2 = 140 Т линейное расширение Д/j - 700 • 150 • 10 й ■ A40 - 20) - 12,6 мм, следовательно: /=0,62^700^6 =60 мм.
2 Термопласты 35 При нагревании термопластичного материала в термоформовочной машине по мере достижения материалом температуры формования происходят следующие процессы: • Термопластичный лист расширяется, пока не достигнет температуры размягчения. • При превышении температуры размягчения (температуры стеклования) высвобождаются любые «замороженные» внутри (остаточные) напряжения. Например, высокоориентированный лист из ориентированного полистирола (ОПС) или ПЭНП при этой температуре натягивается в зажимной раме или цепи. Другие материалы, такие как ПП или ПВХ, продолжают расширяться, пока не достигнут температуры формования. • При нагревании с помощью контактных пластин расширение может вызвать изменение давления контакта, приводя к возникновению полос прилипания на поверхности формуемого листа. • При нагревании нагревателями излучения (теплорадиационными нагревателями) возникают две проблемы. Если провисающий лист не имеет опоры, расширение, вызванное его собственным весом, должно быть прибавлено к тепловому расширению. Есть риск возникновения контакта листа с нижним нагревателем и неизбежной поверхностной деструкции заготовки. При формовании тонкого листа ПП чрезвычайно трудно подобрать режим таким способом, чтобы лист не провисал при нагревании в термоформовочной машине. В процессе поддува воздуха во избежание провисания формуемого материала для поддержания его уровня возникает волнистость (складки). Если складки ярко выражены, то между гребнями и впадинами возникает разница температур, которая отрицательно влияет на качество формовки. Невозможно сделать приемлемый расчет величины провисания для сильно провисающих формуемых материалов. Что касается теплового расширения и провисания, то формовщик должен знать следующее: • Провисание является функцией свойств полимерного материала и температуры формования. Почти для всех листов есть марки с малым провисанием; при заказе сырья в случае необходимости спросите о них. • При формовании материала из полипропилена, если это возможно, должны использоваться смеси, содержащие 10% ПЭ, или наполненные листы, которые вообще едва провисают. Кроме того, листы с высокой усадкой меньше провисают при нагревании. • При переработке листов на машинах с использованием воздушной подушки при нагревании необходимо, чтобы полипропиленовые листы немного провисли для компенсации складок при расширении. Помимо линейного расширения, если нагретый лист не поддерживается воздухом во
ТЕРМОФОРМОВАНИЕ время или после нагревания, провисание зависит от прочности полимерного материала при применяемой температуре формования, а также остаточных напряжений, заложенных при производстве листа. 2.2.6.3 Интервал температур формования Интервал температур формования определяется таким образом: * самая низкая температура та, при которой материал еще может формоваться с удовлетворительным оформлением детали; • самая высокая температура та, при которой материал еще не начинает де- структировать. Деструкция вызвана перегревом поверхности, определяемым по изменению цвета, крайнему осветлению, пузырям, разрывам на поверхности, или тем, что материал больше не перерабатывается (начинается его переход в вязкотекучее состояние). ПРИМЕР ================================ Лист из УПС (HIPS 80 К) с широким интервалом температур формования. Температура формования при пневмоформовании: от 120 до 150 B00) °С. Температура формования при вакуумформовании: от 165A40)до 190 B00)°С. Лист из ОПС (OPS 10 К) с узким диапазоном температур формования. Температура формования при пневмо- и вакуумформовании: от 110 до 115 A20) "С. Для определения температуры формования см. табл. 2.4. Главная цель во время нагревания термоформуемого листа состоит в достижении, насколько возможно, однородного прогрева материала по всей поверхности формования. При использовании нагревателей излучения необходимо обратить внимание, чтобы зажимная рама и направляющие цепи обеспечивали хорошее отражение в нагретом состоянии. 2.2.7 Вытяжка термопластичного материала Для каждого термопластичного материала определен свой температурный диапазон, в котором он может быть в достаточной мере подвержен вытяжке. В пределах этой оптимальной области температур формования (см. раздел 2.2.6.3) должны прилагаться относительно небольшие усилия формования. Если необходимых усилий формования на термоформовочной машине нельзя достигнуть, то для получения необходимой детали к формуемому материалу нужно подвести больше тепла (см. раздел 2.2.8). Это означает, что лист не может формоваться в области оптимальных температур. Формуемый материал также
2 Термопласты 37 а) Ь) Рис. 2.9. Определение вытяжки путем нанесения подходящей сетки на формуемый материал: а) сетка на материале; Ь) сетка на термоформованной детали должен иметь большую температуру, если необходимо сформировать большое количество деталей, а также при высокой вытяжке. Это верно, например, при получении холодильных камер позитивным вакуумным формованием с радиусом & области фланца менее 6 мм. Или при негативном пневмоформовании питьевых стаканов при радиусе закругления в месте перехода от стенок к днищу менее 1,5 мм. Более высокие требования способствуют выходу за пределы области оптимальной высокоэластичности. Это делает распределение толщин стенок более рискованным, на боковых стенках формованного изделия появляются тонкие участки с высокой вытяжкой. При жестких требованиях к качеству оформления деталей процесс термоформования в целом для ряда формуемых , материалов может стать нестабильным. Даже самые маленькие допуски по толщине формуемого материала могут привести к браку. В конечном счете, конструкция изделия должна быть благоприятной для процесса, но чаще всего, к сожалению, конструкторы не уделяют этому внимания. Можно определить величину вытяжки после термоформования, если нанести сетку на исходный лист (рис. 2.9). 2.2.8 Оформление деталей изделия Под оформлением деталей изделия понимают точность, с которой контуры формующего инструмента воспроизводятся на формованном изделии. Критерием оформления и основном являются маленькие радиусы и структура поверхности (текстура иод кожу или дерево) со стороны, контактирующей с инструментом. Оформление деталей зависит от многих факторов: • полимерного материала; • толщины листа; • температурь! формования по толщине формуемого листа; • усилия формования в системах пнеимо- и какуумформовання;
38 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ • температуры термоформующего инструмента; • расположения отверстий в термоформую- щем инструменте; • коэффициента (кратности) вытяжки. УПС, ПП, ПЭ, АБС-пластик и полифе- ниленовый эфир — это полимеры, которые могут термоформоваться при высоком качестве оформления деталей. ПК, ПЭТ и некоторые марки ПВХ могут достигнуть такого качества только при определенных условиях. Толщина листа определяет конструкцию термоформующего инструмента и оформление деталей. Табл. 2.2 и рис. 2.10 показывают соответствующую взаимозависимость. Таблица 2.2 Рекомендуемые радиусы R для легкой вытяжки полимеров, таких как УПС, ПП, ПЭ, АБС-пластик и полифениленовый эфир Вытяжка по площади* низкая (< 2 : 1) средняя (от 2 : i до 3 : 1) высокая (> 3 :1) Рекомендуемый радиус R, мм > 0,5 • s > @,5 до 1) • s > 1,5 • $ * С соответствующим уменьшением толщины. Чем выше выбранная температура формования, тем лучше оформление изделия. Исключением являются только полимеры, которые начинают кристаллизоваться при нагревании, типа ПЭТ. При толщине материала от 4 мм и выше должно быть уделено внимание хорошему прогреву материала для достижения хорошего оформления деталей. При необходимости нужно уменьшить интенсивность нагрева и увеличить время нагрева. Чем выше усилие формования, тем легче получить хорошую четкость. ВНИМАНИЕ Для многих полимерных материалов недостаточное усилие формования, обусловленное типом машины (например, при вакуумном формовании), может быть компенсировано более высокой температурой формования. Рис. 2.10. Термоформуемый радиус R при стандартном оформлении изделия (сравните с табл. 2.4); s — толщина материала
2 Термопласты 39 Это также относится к площади вытяжки, составляющей около 4:1, или коэффициенту вытяжки высота/ширима до 2 : 1. При большей вытяжке в сочетании с очень высокими температурами материала достижение однородной толщины стенки становится затруднительным. Чем выше температура термоформующего инструмента, тем лучше четкость деталей. При пневмоформовании низкую температуру инструмента можно компенсировать более высоким давлением формования. Практически это применяют, например, к тонкому листу ОПС, где слишком холодная форма делает невозможным достижение хорошей четкости изделия. Если из листа должны формоваться технические детали со структурированной поверхностью, инструмент необходимо нагреть почти до температуры стеклования материала. Для четкого оформления деталей делают хороший отвод воздуха в форме. При захвате воздуха плоской, структурированной поверхностью формы на отформованной поверхности будет более мелкая глубина этой структуры в сочетании с более высоким блеском. Чем выше общая вытяжка., тем менее благоприятные условия для достижения высокой четкости. При термоформовании формуемый полимерный материал все еще сохраняет определенную остаточную эластичность, не является абсолютно пластичным и поэтому действует как резиновое покрытие. Для лучшего оформления деталей при увеличении общей вытяжки требуются большие усилия формования. 2.2.9 Поведение термопластов при охлаждении Как только процесс нагрева в термоформовочной машине завершен, например, после удаления источника тепла на одногюзиционнон машине или перемещения формуемого материала от станции нагрева к станции формования на машинах, где эти станции расположены отдельно, материал начинает охлаждаться. Но для начала процесса термоформования он должен иметь необходимую температуру формования. Практически это означает, что интервал между окончанием времени нагрева и началом формования должен быть как можно короче. Чем дольше это время, тем более горячим должен быть формуемый материал. Однако некоторые полимеры не должны быть нагреты гораздо выше их температуры формования, поскольку иначе они будут деструктировать, и технологичность переработки больше не гарантируется. Удаление источников тепла в однопозиционнон машине должно происходить как можно быстрее. Это же касается транспортировки листа на термоформовочной машине с отдельными станциями нагревания/формования. В начале процесса термоформования во время предварительного формования с помощью предварительной вытяжки, раздува или всасывания охлажде-
Рис. 2.11. Профили температуры как функции времени формования: а) для тонкого листа (при допущении о том, что температура поверхности равняется температуре внутри листа); о) для толстого листа, у которого температура поверхности (непрерывная линия) не равна температуре внутри листа (пунктирная линия): Я7"— комнатная температура; £Т— температура размягчения (температура стеклования Т„); Ти — температура формования; ГНтах — максимальная температура нагрева листа; Ттах- максимальная температура, которую выдерживает лист; 7 — окончание процесса нагрева; 2 — начало формования (предварительная вытяжка, раздув и т. д.); 3 - начало формования; 4 — лист полностью контактирует с формой; 4-5- время охлаждения; 5 — извлечение из формы ние начинается за счет излучения тепла, конвекции и, частично, при контакте со вспомогательным пуансоном. Как только начинается формование методами вакуум- или пневмоформова- ния, из-за контакта с формующим инструментом интенсифицируется охлаждение. Интенсивность охлаждения становится еще более сильной при увеличении контакта с формой. В течение времени формования, которое составляет только несколько десятых секунды для топкого листа, а для более толстого материала может составить несколько секунд, для получения качественного изделия лист должен оставаться достаточно теплым. Собственно, время охлаждения начинается только после окончания формования. На схематическом рис. 2.11, а показан температурный профиль как функция времени во время термоформования тонкого листа. В этом случае допускается, что температура поверхности равна температуре внутри листа. Рис. 2.11, Ь, с другой стороны, показывает температурный профиль для более толстого листа, где температура поверхности неравна температуре внутри листа. При термоформовании на время охлаждения влияют следующие факторы: • марка полимера; • толщина материала после вытяжки; • температуры формования и извлечения из формы, материал термофор- мующего инструмента; • температура термоформующего инструмента;
2 Термопласты 41 • интенсивность контакта между отформованным изделием и инструментом; • охлаждение несоприкасающихся с инструментом поверхностей изделия воздухом или другой средой. Из-за различных значений удельной теплоемкости большое влияние на характеристику охлаждения имеет марка полимера. УПС имеет удельную теплоемкость 0,361 Вт • ч/(кг • К) или 1,3 КДжДкг • К), ПП, с другой стороны, имеет 0,555 Вт • ч/(кг • К) или 2,0 КДжДкг • К), что означает, что время диссипации тепла при охлаждении ПП в 1,5 раза больше, чем для УПС. Также играет роль, естественно, различие в теплопроводности полимеров, которая может даже отличаться для разных марок, например, как в случае с ПП. Если известно время охлаждения эталонного материала из УПС tR, то время охлаждения tx другого полимерного материала идентичной толщины может быть вычислено следующим образом: Время охлаждения tx = tR • фактор материала для времени охлаждения. Фактор материала можно найти в табл. 2.4. Толщина формуемого материала после растяжения важна из-за теплопроводности, которая прямо пропорциональна площади контакта. Это означает, что чем больше материал вытянут, тем больше становится площадь, и чем более тонкий материал формуют, тем короче становится время охлаждения. ВНИМАНИЕ Процесс охлаждения закончен только тогда, когда наименее вытянутая и, следовательно, самая толстая часть формованного изделия остыла в достаточной степени для извлечения ее из формы. Поскольку практически для толстых материалов температуру внутри материала нельзя измерить, за основу необходимо взять деформацию формовки, то есть время охлаждения можно последовательно уменьшать до тех пор, пока не будет исключена какая- либо деформация изделия. Чем выше необходимая температура формования, тем больше тепла будет выделяться при охлаждении, и тем больше будет время охлаждения. По этой причине для пневматических термоформовочных машин цикл формования будет более коротким, чем при использовании вакуумформовочных систем. В большинстве случаев температура извлечения из формы только незначительно ниже температуры стеклования. Чем более твердым должно быть изделие при извлечении из формы, тем больше время охлаждения. Чем лучше теплопроводность материала термоформу ющего инструмента, тем короче время охлаждения. Таким образом, например, отношение времени охлаждения при
42 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ использовании инструмента из эпоксидной смолы, алюминия (при отсутствии термостатнроиаиия) и алюминия (с термостатированном) — 18:12:7. ПРИМЕР ====:=:::==========^ Примем, что время охлаждения формовки из листа УПС толщиной 3 мм при вытяжке по площади 1 : 2, изготовленной на форме из эпоксидной смолы, 54 с. Тогда на термостатированной форме из алюминия время охлаждения будет: Л, =54-—= 21 с. Л1 18 Для автоматических термоформовочных машин, работающих на рулонных материалах, части инструмента (формы) частично изготавливают из сплавов меди с бериллием, лучшая проводимость которых по сравнению с алюминием позволяет уменьшить время охлаждения тонкого листа толщиной до 0,5 мм от 15 до 20%.' Термоформовочный инструмент с низкой температурой требует более короткого времени охлаждения; но температуру инструмента нельзя снижать произвольно. Самую низкую температуру инструмента определяют: • полимерный материал; • необходимая четкость отпечатка; • скрытая толщина материала: с увеличением толщины стенки также увеличивается риск деформации, если формуемое изделие не может охлаждаться с двух сторон с равной скоростью (другими словами, более толстые материалы требуют более высокой температуры инструмента); • форма изделия: изделие с осевой симметрией может извлекаться из формы в более теплом состоянии, чем изделие с прямыми боковыми стенками. Если между формованным изделием и инструментом захватывается воздух, интенсивность контакта плохая, то время охлаждения увеличивается. Плохой контакт может возникнуть, когда поверхность инструмента слишком гладки или содержит слишком мало отводных каналов. Из-за воздушной прослойки в этих местах наблюдается плохой контакт с инструментом. Это приводит к более длительному времени охлаждения или, в противном случае, при слишком коротком времени изделие деформируется после выемки из формы. При термоформовании охлаждение стороны листа, контактирующей с поверхностью формы, в общем будет более эффективным, чем не соприкасающейся с ней (табл. 2.3). Предпочтительней было бы, конечно, если бы обе стороны равномерно охлаждались.
2 Термопласты 43 Таблица 23 Значения теплопередачи для термоформуемых материалов при использовании различных методов охлаждения ,-, , „ Охлаждение ¥. Свободное Воздушное Контакт воздухом охлаждение охлаждение с алюминием с водяным туманом Значение теплопередачи, 5,7 57 570 —»оо Вт/(м2 • К) Улучшение охлаждения воздухом достигается за счет: • усиления воздушной струи; • направления потока воздуха на толстостенные участки формуемого изделия; • нагнетания воздуха как можно ближе к формовке; • добавления воды в воздушный поток; • использования охлажденного воздуха. ВНИМАНИЕ Все же воздух вряд ли дает какой-либо охлаждающий эффект. На термоформовочных машинах, работающих на рулонном материале, при относительно холодном формующем инструменте различие между воздушным и контактным способами охлаждения настолько мало, что в течение коротких времен охлаждения, максимум 3 с за цикл, использование холодного воздуха не приведет к заметному снижению времени охлаждения. 2.3 Процессы производства термопластичных термоформуемых материалов Основными стадиями в производстве термопластичных формуемых материалов, то есть толстых и тонких материалов, являются: • производство полимеров; • компаундирование полимеров с получением экструзионных материалов (гранулят, порошкообразная смесь); • переработка этих материалов в материалы толщиной от 0,5 до 15 мм. Компаундирование — это добавление к полимеру пигментов, наполнителей, смазок, технологических добавок, пластификаторов, антиоксидантов и свето- стабилизаторов, антипиренов, антистатических добавок для получения техно-
44 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ логичных полимерных материалов. Перемешивание компонентов и смешение с другими полимерами и вторичными материалами также являются частью компаундирования. 2.3.1 Производство листового материала экструзией Материалы от пленок толщиной ОД мм до листов толщиной 50 мм с шириной до 2000 мм обычно являются экструзиониыми. Существуют даже линии для получения материала до 5000 мм шириной. В экструдере перерабатываемый материал, то есть гранулят, порошкообразная смесь, агломерат или вторичный ма- териал, нагревается, перемешивается и, в случае необходимости, дегазируется, затем экструдируется через плоскощелевую головку под давлением (рис. 2.12). В зависимости от марки полимера и толщины материала горячий экструдат вытягивается и калибруется, или экструдируется на охлаждающий валок и одновременно с его помощью вытягивается (процесс охлаждения на валке). Экструдат проходит через секцию охлаждения, затем обрезают кромки и наматывают. Лист обрезают по формату. Возможно производство одно- и многослойного формуемых материалов. Ниже перечислены ошибки при экструзии, которые могут вызвать проблемы при термоформовании листа: • Допуски по толщине: могут вызвать неравномерное распределение толщины стенки. Допуски по толщине, установленные изготовителем материала, около ±5%, для толщин ниже 2 мм — немного больше, а для толщин выше 5 мм — немного меньше. Если производят большие партии материала Рис. 2.12. Экструзионная линия (схема): / — гранулят; 2 — экструдер; 3 — плоскощелевая головка; 4 — каландр (калибрующий узел); 5 — тянущее устройство; 6 — рулон пленки/листа
2 Термопласты 45 для термоформоиания, могут быть выдержаны значительно более жесткие допуски. Высококачественные экструзионные линии, включающие автоматический контроль толщины с обратной связью, позволяют получить допуск по толщине ±0,005 мм при толщине пленки в пределах от 0,25 до 1 мм. Если разница температур расплава в экструдере слишком высокая, пострадает качество листа. Если температура расплава в экструдере слишком низка, или полированные валки слишком холодные, гладкая поверхность листа становится грубой и уподобляется апельсиновой корке при нагревании в термфофор- мовочной машине. Слишком высокая скорость отвода (вытяжки) приводит к высокой ориентации, которая может вызвать складки в продольном направлении. Очень низкие внутренние напряжения в листовом материале приводят к провисанию при нагревании. Слишком большой наплыв расплава на полированных валках вызывает пятна, то есть регулярные поперечные полосы на пленке или листе. Загрязнение головки вызывает продольные линии в виде слабых вмятин на листе. 2.3.2 Производство пленки с помощью раздувной головки (рукавная пленка) Тонкую двухосноориентированную пленку из ПЭНП производят на пленочныхраздувныхлиниях (рис. 2.13). Пленка в основном используется для упаковки (например, скин-упаковка). Многослойные и вспененные пленки (из ВПС, например) также могут производиться экструзией. Из-за высокой ориентации в плен- -&) ^^)J ке, вызванной высокой скоростью отвода, появляются сильные складки при термоформовании (продольные складки в скин- упаковке). 2.3.3 Производство пленки на каландрах или вальцах Пленка из ПВХ в основном производится на каландрах (рис. 2.14) с максимальной толщиной совершенно прозрачных пленок Рис. 2.13. Установка для получения пленки раздувом рукава (схема)
46 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Рис. 2.14. Каландровая линия для ПВХ (принципиальная схема): 1 — смеситель; 2 — экструдер; 3 — лластикатор (вальцы); 4 — питатель; 5— каландры; 6— рулон пленки 0,8 мм и непрозрачных окрашенных - 1,2 мм, а также тисненых под кожу или дерево пленок. ПП и АБС-пленки также можно получать каландровым способом. На современных каландрах достигают допуски по толщине ±0,005 мм. Существенные различия между экструдированными и каландрованными пленками состоят в том, что высококачественные материалы из ПВХ легче произвести каландрованием, а также иногда они имеют определенные преимущества при термоформовании. Это из-за напряжений, которые замораживаются при проведении этого производственного процесса, приводя к меньшему провисанию при нагревании материала, что особенно заметно для ПП. Каландрованием можно получать только однослойные материалы. Более толстые материалы производят на каландрах с помощью «дублирования». На каландрах можно получать текстурированные или тисненые материалы. Материал, полученный экструзией, всегда более дешев, чем каландрованный. 2.3.4 Литье термопластичных материалов и листов Литье (полив) - это редко используемый процесс производства. Например, акриловое стекло (ПММА) и ацетатные материалы получают отливкой. Литой ПММА по-другому ведет себя при термоформовании, чем экструзионпый аналог. Для термоформовщика большие проблемы с литыми материалами вызваны большим разбросом по толщине. В зависимости от толщины материала и изготовителя допуски по толщине составляют ±20%. Это вызывает большие проблемы при воспроизводимости процесса термоформовапия.
2 Термопласты 47 2.3.5 Специальные процессы производства термоформуемых материалов Листы маленького размера из особо высокосортных пластмасс иногда изготавливают литьем под давлением; например, лист из полиуретана для термоформования компонентов искусственного сердца (единичное производство). Когда двухслойный материал невозможно получить соэкструзией, два слоя соединяют в процессе ламинирования с использованием высокой температуры или адгезивов (полиуретановые клеи). ОПС получают двухосным растяжением сразу после экструзии. 2.3.6 Методы улучшения термопластичных термоформуемых материалов Поверхностное тиснение, или текстурирование, проводится немедленно после процесса экструзии. Поскольку экструдат остается еще горячим, его поверхность тиснят горячим тиснильным валком. Тисненая поверхность, полученная в слишком холодном состоянии, снова регрессирует (возвращается в первоначальное состояние), когда материал нагревается в термоформовочной машине, то есть поверхность теряет эффект тиснения и снова становится гладкой. Слои для склейки (сварки) или внешние покрытия обычно получают соэкструзией, то есть одновременным экструдированием и соединением двух слоев внутри щелевой головки или сразу после выхода расплава из этой головки. При нанесении печати на термоформуемый материал могут использоваться термолак, а также защитные краски, не считая цветовой гаммы печати. Для печати используются специальные термоформуемые пигменты, которые являются совместимыми с полимерным материалом, гарантируя хорошую адгезию. Флокирование — это процесс, с помощью которого флок (обычно ПА-во- локна) наносят на поверхность материала, используя специальные адгезивы для флока. При термоформоваиии возможно отделение флока от поверхности материала вследствие растяжения. Поэтому флокированная сторона материала не должна контактировать с инструментом во время термоформования, если это возможно. При металлизации в высоком вакууме пары алюминия покрывают материал с одной стороны. Возможна металлизация следующих полимеров: полистирола, полиэтилентерефталата, поливипилхлорида, полипропилена и других. Полученный слой не является плотным. Металлизированный материал можно совершенно обычным образом термоформовать, но при вытяжке алюминиевое покрытие становится более тонким и поэтому прозрачным.
48 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Лист с гальваническим покрытием, нанесенным плотным слоем, известный как отражающий лист, может формоваться методом термоформования только в ограниченной степени. Металлизированные, также как и гальванизированные, материалы для термоформования, отражают тепловые лучи радиационных нагревателей от покрытой металлом стороны. Поэтому их можно нагревать только со стороны, не покрытой металлом. Если формованные изделия должны быть покрыты гальваническим способом после термоформования, необходимо использовать специальный, способный к гальваническому покрытию, материал. 2.4 Подробно о термопластах для термоформования ВНИМАНИЕ Производители сырья обычно продают термоформуемыи ма-те териал под разными марками и наименованиями. Свойства термопластов, являющиеся важными для процесса термоформования, сведены в табл. 2.4. Более полную информацию о полимерных материалах можно найти в промышленных журналах (каталогах) и литературе. 2.4.1 Полистирол (стандартный полистирол) Общие свойства Полистирол (ПС) — это материал с высоким блеском и превосходной прозрачностью. Немодифицированный стандартный полистирол очень хрупкий, из-за этого его невозможно перерабатывать из рулона на стандартных термоформовочных машинах. Поэтому он перерабатывается «в линии», то есть непосредственно из экструдера. Стандартный ПС не может транспортироваться в «холодном» состоянии с помощью цепной передачи. Формованные изделия, полученные на машинах из листа, должны извлекаться из формы при температуре немного ниже температуры стеклования. Химическая стойкость Стоек к воде, растворам щелочей, разбавленным органическим кислотам, спиртам, за исключением высших спиртов.
2 Термопласты 49 c\i я к S S V в* я n v 2 X V о я о о, S н U S о. о к S CS в о s а о •е- о S о. и н со о н и я ч с о S а. <и и н и « о ю О К К О о- 5 я Й «* 5 5 я S | о. 55 « о. S, с .. S о. i> О н -е- 5 Ч - S во ь ~ о я « с s се X ю м О ww/h £-£'| яох -DHL" BMITI/fo КВНЧ1Г0ХИAвя1г'ЭAц HOXHirifuxondM киншгтмгп чхав1Г90 KBiicIXxBdauwaj, Bfoxadou олояоевф BdXxBdouw3j_ а S Н I It я 5 Й о. ч я щ U >, с f- ч s S С ё ч о ев S S s чхэоэтэогаэх квнч1гэ17£ KHiiadnninTtd охомээьии^эх ОЛОНИЭНИ1Г XlI31IlIH(|)(|)CO}I qxDOHhBdeodu ивмэоьихио HxooxXduX qirXtfop^ иинэжкхэвй Hdu 'uooiiiiodu ЧХЭ011ХСЭ1Щ эииеяонэкивн .юниотшЬюэ (випэь -вне aniihOflodHXHOHdo) hmhIii -Howdodpowdax Kin/ Btimrgej, О О О 1 о о. н о 05 l т со о ю I о CN О о CN I О Ю о ОО о CN I о -ч1 Щ СЧ I щ о о о 00 00 05 о о о t— г— t— -ь -н -н о о о н "Ч1 CN I I I о о 05 о о in ю СО -Г4 СО CN О о оо щ о 5 CN со т о со о со СО щ Щ О CN СЧ 1 160 160 -190 160 о CD О со 1Л оо о о 05 ю 05 3200 ю щ о 2500 о 1П Щ О 2050 CD со о со «о ■* a, oq to О -^ ч; о 05 i ю CD О in со 05 05 +79 о CD О о +85 т -Ч о 05 +75 о "Ч1 т О) +80 о CN О оо о о со со оо о "о 4 За*. 796
50 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ CN в s «а s Сц ч о О а * 5 я (X в о; о с s s е- О О - н -е- х к я я рен Я га и о X и са о с 5 о. я S я pa iviv/вэвь 2-S'T aoi -ЭИ1Г вяптХэ KBuqiraindBBtradu aommreiondM винэи-яетгн ЧХЗВ1Г90 KBHdXxBdaimax BCoxsdan олояоевф Bd^xBdauivax Я 5 О. « X Ь- S Я я л t- с ч ^ и щ >» с ^" " я s с I §* г* о и » я S я S ЧХЭОМ1МЭ01ШЭХ KBH4IT3tf£ BHHadHmoBd 0J0M33hmvd3X олониэншг хнэитшффеоэд qxooHhBdeodu квмээьихио иинэжкхочё Hdu qxooiibodjj ЧХ0ОНХО1ГЦ ЭИНВЯОИЭШИВН 00HII3'IFIBd>IO3 (КИЦЭ1. -вне ai4iihoaodHxn3Hdo) вми1н -иоийофои^эх Kirtr впшгдвх U т О О о я ч в о г а ЕЙ ел со Si CN I О о I о •ч1 + 1П CN in о in СП + о in cn" о о о о ш ст> о" 1-4 о. ч о с: ^Н СЧ I о ID I о I о о о -ч1 о + оо о ~Ч* ш СП о о о со -ч1 о cn" о ш о о CN о со ел о* §: о о о со со 1 I о о о о оо + о -ч1 I о о о го го о СО CN CN CN 1 I I о о о о to 1 У, о CN CN I I о о ч ш со ю I I in о в о о. с 1 с ч о 11 о о О -гн + in CD I I о о о о CN Ш Г— CN о о ш _ о го хг § + + + + §2 о о •ч1 со г- _, in ^ >£ Ш CN О 2 аз N N о о о о о о о in о го со -ч1 СО CN CN CN CD -<-i CD 1П CD CD CD Ш " -ч1 о Он я X о ж о ю а. Я 00 о о I о СО + Щ о m о ОО о о о CD о CD CN о CN i CN и 5 е. if: * S 5 s £> О О _£j._p и у cj с-> о, о w с с с с f^ с
2 Термопласты 51 о 00 о о 1П 05 CN CN I о CN I in о CN CD 1П CN CN CN О CN CN I О Щ о о CO -Ч1 I in CO CO I о го I m CO CN *- 8 о CN I О о in I О oo о CO о о го ср о in I Щ ГО о о о N П N I I in in о -ч1 CN О СП CN I О го CN CN оо со CD + in CD 1 CD oo +70 1 255+3 CD OO +220 о CN CD О CN CO 1 178 о in \ 220 о CO 280+8 260 CD *4* и т-< CN CD OO OO о о о CN in CD 1 со 05 о О CD 1 О о о en 1 о CN о en 170+8 о in о CN in 1 m CN О 4 час/ 1 1 CO о in о о о о ^ч1 см -ч< l I I о I о Щ I Щ о о CN CD о" О со о t^ CD in in in C7> CN CD CD О CN CD Ю + + + + + О о CD О CD CN CD О 1П О CD CD О О О CN CO t-! О ю со о о о о о о 00 О CD о о О О Щ щ оо m т-1 СМ о го "Ч1 <=> ° CN оо оо ^ со г- о со ГО -Ч1 CN -Я1 ^ CN го т t^. cn CN CO CD OO t^ CO CN CN ^-< OO e> к fej Q, К ^ Оч "^ S-, hj P" О с -е- с к с -е-
52 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ ■iHHRiioiiowimii оош1эигес!моэ (Е BMtfKoX KBMOOItHJOITOHXOX X И н о и в S с? U S ж CU ч се я et >> >> IS Я И я о. О н я S о. *|§ и й. ft. II II о а и X а. в >. s К -В О си в й, 4IfDtn ooiiiiairdDHoiqg ЭИХЭAЭ8Х0 ooHiiairdoaoNg |& и II -< !N М ^ 1Л СО t^ OS 5 Я а. H c« CD Я в s- if i i 2 и и о о и о о со cq о, со ,(А кинэ1/же1гхо HII3IM3dH KITl/ l!l.'l!lIllo.I.I!l\l dOAMUfl} BHadjBH Hiiawoda nirl/ biiiukIolkn doлмкф 0-3 Co a, cq О -ч; ft. m in m "Л о о о ° О о I со со о о" о I 1—» а, in о" I 3 г ft. -5 Он ев со со in ^ о о см I I I I ' 1 4; см in in m_ in о о -^ о о" — 333333S3S3333 SSS333SS233S3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 ю in см" со ю vn in in in см со" см см см ю ш л л- !3- CN СО ^ " N in см" m ■«* со in in "г ■*" СМ "Ч> in in - lo см -«r со CO _ in m __- . со CM ^ ^ CP <0 ^ . . ^ CD CO . л" . -Ч1 * "* ■^ ^ r- in m in- CN -4- ^r *"' "" со" . ^ r- t~ CO" CO CO 0- 0- . . со' cn ы ^ « см CM in о --. CM см" см см m со см -ч1 ■q"" •Ч' со" ем CO" CM in ю m <t in о о ;n t-h CM CM CO m m CM CM in in I Й CM CM ' rJ 1Л О Ш »-. CM —' о in m in см со см <N in о ю см in jn. о n ^ о с? to s « со щ _ ,,-> m m g> о о о >n "Лoo oo oo 00 Г- 1П СО °° „, см in in со <П ^н in OJ- 1П in <%■ °°. CO „ 4, CN <M" " " л n <o i^ ю- "• !3 *' ^ 'l • I,- и N CN »"
2 Термопласты 53 at 5 £ Si Е- r-. о, о. ta со со <о hj а, а, о, о, и, § а, 1-4 ,-* г~ оо in in о_ t-^ r-Г □- о" ■"" О" о" CN о" цэ |^. О) с U) N Ч Ч 1П 1Л ° ° о о" -^" о" о" о" о" 1П 0О_ ГО_ 0О_ CN_ 00 о' о" о" о" го' о" щ I l I I I I -Ч CN "Ч^ CN_ -5Г 0> СО г-н о" о" о" о" о' о" п со со го го_ со -ч*_ со го_ cn со_ со го_ cn_ го_ го_ о о" о" о" о" о" о" о" о" о" о" о" о" о" о" о" щ CD CD CD CD «> tD СО q 4f CO co_ CO_ •«* CD_ CO_ о о" о" о" © о" о" о" о" о о" о" о" о" о" о" ю in in m_ ^г_ -*r о* о" о" о" о' о" со_ сю оо_ оо_ оо_ оо_ о о" о" о о" о" in m_ со" го" in ю го" со" , in со_ го_ ->*_ in -«г in in in in ' о" о" о" о" о" о" о" о" о" о" оооосооооооооооооосо о о" о" о" о" о" о о" о" о" in cn" in cn" •А ю- in со со in in со" со" cn" cn" in_ cn" in cm" I I г- г- t-~ t— r^r^r~-t^r- t~~ r-- t^ . . . - ..... .r^r^r^ -COCOCOCO COCOCOCOCOincO COCD..--. . Ч Ч 1П . т ^г со со ч ■* ч if in cn ч CNCN.--- CM M CM - CN CN CN CN CN CN CN CN CN --i CN о о in ii,iCNtN,i11T-<1 ; ; * • —— ——-— ( ■ ■ • —--__ ' ' ' ' Ш Ш ' ' ' in ' со со со Ю CN О CO о о \ CN CN О Щ Щ со со I I I о CN m со о CN о о о _ CO СО CN °, О} ■" -^ ОО 00 "/- CN -Я1 C4J 00 00 ° CN --." о О CN СЧ «Ч « ~ 42 ^ й ш о 2 2 2 * ^ СО CN оо со щ со ш со" -"•" -н I I I со оо ^ ^ ел ">. СО 3 «- "-1 о" "^ ш _. г- m ~ ЭТ СМ" *-Г g X О СО ге X о X о. к ft X щ а, о с Л ж ге Ч X <и ft о о X 3J ч ч W ра £ 5 " 2 й s a 2 о д 6 ft ч В с о о о m ^ £ cn 2 о ге В х х О S О н £ ж « £ а ¥ | g о g о. к £ ге га э4 ра ра ге о о к й Я со ft ft к о о я ■&•■&• X о о и <- u й Ж ь & о X Н - О U ft _ о о и „ их. ft ft ^ о) о) Ь и ра й g g & s Ч Ч щ э о ч о я ч о с :S О X X о ч ч ге ге vo 0J о. OJ с Л X О) д н я \о ге о. о С с н 0) о с х g| s ft re x X и. о <u о 3* =" и £ 03 ft re pa re 4 ч I x S '^ ft Л 5 оч ч s м м ж с кая о 0J 9* ге о ра ге 1 а; ;^ 0) ге ч LI э— О Ж Ж п Ч >> ft ге Ж ж д ге CS ге 6 с о ■«• le ге л 1 ГС ■<! -1 с ге н 3 а. \п S о н иЦ *й >") U- Ж taj л К ч; ja i У >, Л ft о ^ « ж X ч п с ге к f ч п н 0J ft о ж Z* 3 ^ * 5, с S a w Ж ге т- о a <u ге э- s , . й | S ° 9 « i S о- ге о _^ ft, R S Ж Ol а* ге Ж со ге ж о о со 3 го ж * I il gj re ч, СО я s Ч ь о J! с 5 5 lS 2 ° Ч -А >. о, ft re 11 pa S ft с га Л - 2 » ! . И t> ' I О Ь О о ^ li
54 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Нестоек к органическим растворителям, таким как бензин, кетоны (ацетон), бензол, хлорированные углеводороды, эфирным маслам, жирам. Полистирол нестоек к ультрафиолетовому излучению (УФ-излучениго). Специальные материалы Многослойный лист ПС/УПС. Примеры применения Светотехнические технологии, дисплеи, упаковка в линии {in-line). Склеивается клеями на основе растворителей (толуол, дихлорметан, бутил- ацетат). Сваривается с помощью процессов термосварки, термоимпульсной, ультразвуковой сварки. Условия термоформования Оснащение машины: стандартное. Температуру материала и инструмента при термоформовании см. в табл. 2.4. Последующая обработка: штамповка возможна только в теплом состоянии. 2.4.2 Ударопрочный полистирол Обратите внимание: ударопрочный полистирол (УПС, HIPS) часто неверно называют ПС, также сравните символ для вторичной переработки (рециклинга) 06/ПС, который в основном всегда относится к SB. HIPS — правильное обозначение. Общие свойства EGC не является прозрачным из-за бутадиенового компонента. Совершенно прозрачные марки могут быть получены специальной модификацией, например, стиролюксом (производитель фирма BASI7) или К-смолон (производитель фирма Phillips Petroleum). Из-за его очень хороших свойств при термоформовании УПС может считаться «эталонным полимером» для термоформования. Химическая стойкость Аналогична стандартному полистиролу, отчасти несколько хуже. Из-за бутадиенового компонента УПС более чувствителен к старению, чем стандартный ПС. Необходимо избегать УФ-излучения. Специальные материалы УПС может также поставляться с флокироиапным, металлизированным, электропроводным покрытиями или в другом модифицированном виде.
2 Термопласты 55 Из-за его низких барьерных свойств по отношению к газу и водяному пару для упаковочного сектора требуется многослойный лист: УПС/ПЭ, УПС/ПЭ/УПС, У\ЛС/ЕУМ*/УПС, УПС/ЕУОН/ПЭ и др. Примеры применения Камеры холодильников, дверные панели холодильников, одноразовая посуда для пикника (стаканы, тарелки), все виды упаковки. Склеивается клеями на основе растворителей (толуол, дихлорметан, бутил- ацетат), содержащих до 20% полистирола. Сваривается с помощью процессов термосварки, термоимпульсной, ультразвуковой сварки. Условия термоформования Оснащение машины: стандартное. Температуру материала и инструмента при термоформовании см. в табл. 2.4. Последующая обработка: превосходно поддается штамповке и обрезке. Приваривается к картону с ПС-покрытием, фольге с ПС-покрытием для покрытия стаканов. Температуры сварки (ориентировочные значения): от 170 до 230 °С; время сварки: от 0,7 до 2,5 с. 2.4.3 Блок-сополимер стирол-бутадиен-стирол Общие свойства Чистый блок-сополимер стирол-бутадиен-стирол (СБС), например, стиро- люкс, является одним из наиболее рентабельных, абсолютно прозрачным, но также и ударопрочным полимером. Технологичность при переработке, барьерные свойства и атмосферостойкость идентичны УПС. Для термоформования в основном используют смеси СБС со стандартным PC в соотношении 60 ; 40. Химическая стойкость Нестоек к жирам, маслам и растворителям. Обратите внимание на набухание и возможность образования трещин под напряжением. Специальные материалы Многослойный материал (СБС+ПС)/ПС; (СБС+ПС)/ПЭТГ **. * Этилеивинилолый спирт. ** Полиэтилентерефталатгликоль, ПЭТ не кристаллизующийся.
56 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Примеры, применения Стаканы, коробки, блистерная упаковка для упаковочного сектора; непригоден для продуктов с вкусовой чувствительностью. Подходит для медицинских технических изделий, требующих стерилизации гамма-лучами. Склеивается толуолом или так же, как ПС. Сваривается с помощью процессов термосварки, фрикционной и ультразвуковой сварки. Условия термоформования Оснащение машины: стандартное; СБС имеет тенденцию к прилипанию при использовании контактного нагрева. Температуры материала и инструмента при термоформовании см. в табл. 2.4. Последующая обработка: штамповка и обрезка, а также приварка, как для УПС. 2.4.4 Ориентированный полистирол Общие свойства Для термоформования подходят только ориентированный полистирол (ОПС) с низким уровнем напряжений и ОПС со средним уровнем напряжений, поскольку «замороженные» напряжения и, следовательно, воздействие остаточных напряжений на заготовку для этих марок меньше. Остаточные напряжения зависят от условий, при которых происходила вытяжка (температура материала, скорость вытяжки, кратность вытяжки). Для ориентированного материала трудно поддерживать низкие отклонения по толщине. Для ОПС допуск по толщине в ±5% считается превосходным. Химическая стойкость Стоек к фруктовым и овощным сокам, маслу, меду, кофе, пищевой соли, маргарину, джему, майонезу, хрену, молочным продуктам, горчице, уксусу, жирным колбасам, лимонной кислоте, быстрорастворимому сахару. Нестоек к эвкалиптовому маслу, условно стоек к острому перцу. Специальные материалы Многослойный материал с покрытием термолаком используется для крышек и запайки вместо ПС. Также применяется металлизированный материал. Примеры применения В основном упаковка пищевых продуктов, например салатов, овощей, бутербродов, мяса и т. д.
2 Термопласты 57 Условия термоформования Оснащение машины: термоформовочные машины должны быть оборудованы замкнутой системой управления нагревательных элементов в линии, а также поддерживающей цепной передачей. Должна обеспечиваться повышенная скорость транспортировки листа и, в случае необходимости, термоформовочный инструмент должен быть подогрет до 60 "С. Температуры материала и инструмента при термоформовании см. в табл. 2.4. Последующая обработка: возможно применение штамповки и обрезки. Штамповка и обрезные штампы не вызывают никаких проблем. Штанцевые вырубные ножи должны быть нагреты до температуры от 110 до 130 °С. ОПС-бли- стеры могут привариваться к картону, покрытому полистиролом или термокле-^ ем, с помощью термопресса. Температура сварки ОПС-блистера к картону 180 °С при времени сварки 2 с, или покрывного материала из ОПС к стакану из УПС 180 "С при времени сварки 0,8 с. ВНИМАНИЕ ОПС теряет тепло очень быстро, поэтому необходимо минимальное время хода стола при максимальных скоростях, то есть короткое время цикла. Нагретый материал натягивается в машине. 2.4.5 Сополимеры акрилонитрил-бутадиен-стирол Общие свойства Обратите внимание: из-за большого разнообразия АБС-пластиков следует обратить внимание, что существует разница между марками этого материала. Поэтому при замене материала абсолютно необходимо проверить, чтобы «новый» АБС-пластик имел все необходимые характеристики. АБС-пластик можно классифицировать как один из наиболее рентабельных технических полимеров, в настоящее время даже отчасти конкурирующий с ПП. Выпускается множество марок с очень разнообразными свойствами. Формованные изделия из АБС-пластика отличают очень высокая прочность и хорошая теплостойкость. АБС-пластики являются антистатическими без добавления антистатика. АБС-пластик не подходит для применения на открытом воздухе, поскольку очень быстро стареет. Химическая стойкость Стоек к большинству неорганических химикатов, водяному пару, органическим кислотам, а также большинству масел и растительных, и животных жиров.
58 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Нестоек к кетонам, альдегидам, сложным эфирам, ацетону, простым эфирам, бензолу, толуолу, трихлорэтилену и ксилолу. Специальные материалы Многослойные материалы АБС-пластик/ПММА, АБС-пластик/ПВХ, АБС-пластик/ПК. Листы из смесей (например, АБС-пластик + ПК; АБС-пла- стик + ПВХ). Примеры применения В основном для технических деталей, таких как контейнеры, корпусные детали, облицовка, футляры дипломатов, санитарно-технические изделия, в основном полученные из соэкструзионных материалов, в которых вторым материалом обычно является ПММА. Склеивается метилэтилкетоном или двухкомпонентными клеями для долговременного склеивания. Сваривается с помощью процессов термосварки, фрикционной или ультразвуковой сварки. Особенность: АБС-пластик может свариваться с ПММА! Условия термоформования Оснащение машины: стандартное. Температуры формуемого материала и инструмента при термоформовании см. в табл. 2.4. 1 ВНИМАНИЕ Влажный АБС-лист перед термоформованием должен бып высушен. АБС-пластик имеет склонность к возникновению следо) охлаждения от инструмента, поэтому желательно применять «го рячий» инструмент, хорошо предварительно раздутый пузырь \ высокую скорость рабочего стола. Последующая обработка: штамповка и резка не представляют проблемы. 2.4.6 Сополимеры акрилонитрил-стирол-акрилат Общие свойства Сополимер акрилонитрил-стирол-акрилат (АСА) имеет свойства, подобные АБС-пластику, но прекрасные свето- и атмосферостойкость. Поэтому он особенно хорошо подходит для применения во внешних условиях.
2 Термопласты 59 Химическая стойкость Стоек к минеральным маслам, жирам, водным растворам солей, разбавленным кислотам и растворам щелочей. Нестоек к органическим растворителям и концентрированным кислотам. Специальные материалы Многослойный лист АСА/АБС-пластик. Примеры применения Главным образом для применения во внешних условиях: дорожные знаки, рекламные доски, чемоданы, оболочки и кожуха для садового инструмента; корпуса для бытовой техники. Склеивается метилэтилкетоном, дихлорэтиленом, циклогексаноном; двух- компонентные клеи дают прочное долговременное соединение. Сваривается термо-, фрикционной и ультразвуковой сваркой. Условия термоформования Оснащение машины: стандартное. Температуры листа и инструмента при термоформовании см. в табл. 2.4. Последующая обработка: штамповка и обрезка как для АБС-пластика. 2.4.7 Сополимеры стирола с акрилонитрилом Общие свойства Высокая поверхностная твердость, самый высокий модуль упругости для стирольных полимеров, ударная вязкость выше, чем у стандартного полистирола, но ниже, чем у УПС. Химическая стойкость Сополимер стирола с акрилонитрилом (САН) имеет лучшую стойкость, чем стандартный ПС, по отношению к бензину, маслам, жирам, ароматическим веществам; стойкость улучшается с увеличением содержания акрилонитрила. Нестоек: то же, что для стандартного ПС; боится УФ-излучения. Примеры применения Технические изделия, где также важна прозрачность; фурнитура для ванной комнаты, дисплеи, формованные изделия для рекламных целей. Склеивается клеями на основе растворителей, толуолом или дихлорме- таном. Сваривается термо-, термоимпульсной, фрикционной п ультразвуковой сваркой.
60 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Условия термоформования Оснащение машины: стандартное. Температуры материала и инструмента см. в табл. 2.4. Последующая обработка: формованные изделия с более глубокой вытяжкой имеют тенденцию к образованию трещин, особенно в тонких местах. 2.4.8 Непластифицированный поливинилхлорид (жесткий) Общие свойства. Поливинилхлорид (ПВХ) обладает высокой механической прочностью, жесткостью и твердостью, но марки, не содержащие модификаторы ударопрочно- сти, имеют низкую ударную вязкость и высокую чувствительность к надрезам. Из всех полимерных материалов ПВХ обеспечивает лучшую диффузионную стойкость (хорошие барьерные свойства). ПВХ состоит только на 50% из углеводородной части; другие 50% — это хлор; данные по воздействию на экологию для ПВХ по сравнению с другими полимерами не хуже, но должны соблюдаться специальные меры предосторожности при вторичной переработке. Химическая стойкость Стоек к кислотам, растворам щелочей, моющим средствам, спиртам, маслам, животным и растительным жирам, бензину. Нестоек к бензолу, хлорированным углеводородам, кетонам, эфирам. Специальные материалы Многослойные листы ПВХ/ПВДФ*, ПВХ/ПВДФ/ПВХ, ПВХ/ПЭ, ПВХ/РТОС/ПВХ/ПЭ, ПВХ/АБС-пластик, ПВХ/ПА, а также металлизированные материалы. Примеры, применения Упаковка для пищевой промышленности (большей частью в настоящее время заменен на ПЭТ и ПП), формованные изделия для строительной промышленности. Склеивание клеями на основе растворителей и специальными клеями для ПВХ. Сваривается всеми доступными методами, но в особенности высокочастотной сваркой. * Поливинилденфторид.
2 Термопласты 61 Условия термоформования Оснащение машины: стандартное. Температуры материала и инструмента при термоформовании см. в табл. 2.4. Нужно обратить внимание, что материал должен иметь достаточно высокую температуру. Недостаточно нагретые листы при термоформовании растрескиваются. Последующая обработка: при штамповке и обрезке листа из ПВХ толщиной более 1 мм необходимы усилия больше, чем для полистирола или полипропилена. При приварке блистеры из ПВХ привариваются к картону с покрытием; температуры сварки около 160 и 200 °С при времени сварки 2,5 и 1,5 с. Для всех полимерных блистерных упаковок используется материал из ПВХ с нанесенным термолаком. 2.4.9 Полиэтилен высокой плотности Общие свойства Механические и химические свойства зависят от степени кристалличности. Есть разные сорта полиэтилена, в значительной степени отличающиеся друг от друга: полиэтилен низкой плотности (ПЭНП), полиэтилен средней плотности (ПЭСП), линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПЭНП) и сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СПЭНП). Однако для термоформования чаще всего используют полиэтилен высокой плотности (ПЭВП). При толщине материала до 3 мм качеством ПЭВП, хорошо подходящим для термоформования, является практическое отсутствие провисания при нагревании в термоформовочной машине, но вместо этого возникает натяжение. ПЭВП имеет очень низкую проницаемость для водяного пара, но относительно высокую для газа. Из-за его частично-кристаллической природы технологическая усадка очень высока, что может вызывать размерные или деформационные проблемы. Химическая стойкость Стоек к кислотам, растворам щелочей, бензину, маслам, спиртам, растворам солей, воде, почти всем органическим растворителям при температуре до 60 "С. Нестоек к сильным окисляющим агентам, особенно при высокой температуре; становится хрупким под воздействием прямых солнечных лучей, если не стабилизирован соответствующим образом. Специальные материалы Многослойные пленки или листы из ПС/ПЭ, UC/EVOH/ПЭ, ПС/ПЭ/ПС; слои для термосварки в сложных пленках обычно состоят из ПЭНП или ПЭСП; барьерные слои по отношению к водяному пару могут состоять из ПЭВП или ПЭНП.
62 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Примеры применения Пищевые контейнеры, панели, кожухи, контейнеры для мусора, ящики для игрушек, бытовые контейнеры для продуктов, композитные материалы для пищевого сектора. Благодаря неполярной структуре полиэтилен трудно склеивается и требует сложной поверхностной обработки. Сваривается значительно легче. Основные методы сварки включают, прежде всего, термо- и фрикционную сварку. Условия термоформования Оснащение машины: рекомендуется предварительный нагрев из-за требуемой высокой удельной мощности. Температуры материала и инструмента при термоформовании см. в табл. 2.4. Последующая обработка: мономатериал из ПЭВП можно легко резать. Для композитов с тонкими слоями из полиэтилена требуется чрезвычайно узкий зазор между режущими кромками при штамповке и обрезке. 2.4.10 Полипропилен Общие свойства Полипропилен (ПП) обладает лучшими механическими свойствами, чем ПЭ, но более низкой ударной вязкостью (испытание с надрезом); очень низкой проницаемостью для водяного пара, но высокой проницаемостью для газов; очень высоким коэффициентом температурного расширения, сильной тенденцией к короблению, но это не относится к наполненным материалам. Химическая стойкость Стоек к спиртам, слабым органическим кислотам и растворам щелочей, разбавленным раствором органических солей, мытью мыльными растворами при температуре до 100 ° С. Нестоек к сильным окислителям, галогеиизированным углеводородам; набухает в бензине и бензоле. Специальные материалы Многослойные пленки YlH/EVOII/UYl, ПП/ПВДХ/ПП, наполненный ПП/П, ПП/EVA, ПС/ПВДХ */ПЭ/ПП, наполненный ПП/ПП/наполненный EVOH/m\/Ym, im/EVOH/ПА, ПА/ПП; материалы из ПП, модифицированные эластомерами (ПП + СКЭПТ**). * Поливинилденхлорид. ** Этиленпропиленовый каучук.
2 Термопласты 63 Примеры применения Пленки для упаковочных целей в пищевой промышленности (замена других полимеров); полученная для целевого назначения упаковка из полипропилена может стерилизоваться до 125 "С. Листовой материал перерабатывают в футляры для чемоданов, корпуса, стерилизуемое медицинское оборудование. Много модифицированного эластомером ПП используется в автомобилестроении. Склеивание проблематично, как и для ПЭ. Возможно после предварительной обработки. Сваривается достаточно успешно термо- и фрикционной сваркой. Условия термоформования Оснащение машины: стандартное, для многих моделей рекомендуется предварительный подогрев, для машин с рулонной подачей может требоваться контролирование нагревания в продольных рядах, плюс растяжение при транспортировке из-за теплового расширения материала. Для точного воспроизведения отпечатка (поверхностное формование, стерилизуемые контейнеры) сторона, обращенная к вспомогательному пуансону, должна иметь меньшую температуру, чем обратная сторона. Если необходимо, инструмент может быть поднят выше. Температуры материала и инструмента при термоформовании см. в табл. 2.4. Последующая обработка: вырубкой с помощью штампа или обрезки. Зазор при обрезке должен быть около 5 мм. При слишком высокой температуре материала обрезная кромка становится рваной. Необходимы специальные меры предосторожности для того, чтобы поддерживать минимальную деформацию при сварке. Горячая сварка проводится при 150-180 °С и времени сварки 1 с с применением в качестве покрывного материала ламинированной фольги. 2.4.11 Полиметилметакрилат Общие свойства Полиметилметакрилат (ПММЛ) является материалом, полученным экструзией или полимеризацией в форме. ПММА имеет хорошие прочностные характеристики, но только ограниченную способность к формованию (охрупчивание), которая улучшается при сопо- лимеризации. ПММЛ довольно стоек к царапанию, имеет высокий поверхностный глянец и в неокрашенном виде — превосходную прозрачность. ПММА имеет очень хорошую свето-, погодостойкость и стойкость к старению. Обрезанные кромки можно полировать.
64 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Химическая стойкость Стоек к неполярным растворителям, водным растворам щелочей и кислот, животным и растительным жирам, этиловому спирту с концентрацией до 30%. Нестоек к этиловому спирту, с концентрацией выше 30%, бензолсодержаще- му бензину, спиртам, нитроцеллюлозному лаку и разбавителям, концентрированным кислотам, определенным пластификаторам. Специальные материалы Соэкструзионный лист ПММА/АБС-пластик. Примеры применения Ванны, емкости для мытья, душевые поддоны, оборудование для ванной; плафоны для ламп, неоновые вывески, дорожные знаки, освещенные афишные и рекламные устройства, дорожные и рекламные щиты, световые фонари для крыш и окон, листы с двойными стенками (листы сотовой конструкции), корпуса для машин и оборудования. Склеивается специальными клеями для полиметилметакрилата (например, Acrifix); также склеивается дихлорметаном, чувствительными к контакту и давлению клеями, а также эпоксидными клеями. Прошу отметить: перед применением клея в формованных изделиях необходимо снять напряжения при температуре 60-90 °С. Сваривается ультразвуковым, фрикционным или высокочастотным методами сварки. Особенность: ПММА может свариваться с АБС-пластиком. Условия термоформования Оснащение машины: для экструдированного ПММА — стандартное. Для по- лимеризованного в форме ПММА с большими площадями формовки и высокой вытяжкой требуется, например, усиление гидравлического привода для стола и вспомогательного пуансона. Температуры материала и инструмента при термоформовании см. в табл. 2.4. ВНИМАНИЕ Экструзионный ПММА ведет себя как любой «стандартный» ;ермопластичный материал. Литой ПММА имеет большую молекулярную массу и поэтому требует больших усилий для формования. Последующая обработка: легкая. Сверление, фрезерование, резка лазером или струей воды не представляют проблемы. Достоинством ПММА является то, что также его можно полировать.
2 Термопласты 65 2.4.12 Полиоксиметилен Общие свойства Полиоксиметилен (ПОМ) обладает высокой прочностью и жесткостью при хорошей ударной вязкости даже при низких температурах. Стоек к ползучести. Химическая стойкость Стоек к спиртам, простым и сложным эфирам, гликолям, бензину, минеральным маслам, растворам слабых щелочей и кислот; хорошая стойкость к гидролизу. Нестоек к сильным кислотам, окисляющим средам. Примеры применения Изделия для занятий спортом и проведения досуга, также технические детали для автомобиле- и машиностроения. Склеивается с трудом из-за хорошей химической стойкости, необходима предварительная обработка при склейке; склеивается в основном реакционными или изоцианатными клеями. Сваривается термо-, фрикционной или ультразвуковой сваркой. Условия термоформования Оснащение машины: стандартное, но из-за значительной склонности к адсорбции воздуха для снижения цикла термоформования требуется инструмент, обработанный на пескоструйной установке. Очень узкий интервал температур формования. Температуры материала и инструмента при термоформовании см. в табл. 2.4. Последующая обработка: при штамповке и резке термоформованные детали склонны к образованию трещин, если они соответствующим образом не термо- обработаны. 2.4.13 Поликарбонат Общие свойства Покликарбонат (ПК) отличают большая прочность, жесткость и ударная вязкость, даже при низких температурах; высокая теплостойкость; очень хорошие электрические и диэлектрические свойства. Превосходная проницаемость. Химическая стойкость Стоек к разбавленным минеральным кислотам, бензину, жирам, маслам, спиртам, за исключением метилированных спиртов. 5 3UL796
66 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Нестоек к разбавленным щелочам, ацетону, воде с температурой выше 60 °С н водяному пару, бензолу. Специальные материалы Полимерные сплавы с АБС-пластиком, ПБТ и АСА: (ПК + АБС-пластик), (ПК + ПБТ), (ПК + АСА). Примеры применения Формованные изделия для применения в электротехнической, автомобильной промышленности и бытовой технике. Термостойкие покрытия. Склеивается двухкомпонентными материалами, в случае необходимости даже дихлорметаном. Рекомендуется предварительный отжиг при 90 °С, чтобы противодействовать образованию трещин под напряжением. Сваривается термо-, фрикционной и ультразвуковой сваркой. Условия термоформования Оснащение машины: стандартное. Температуры материала и инструмента при термоформовании см. в табл. 2.4. Из-за поглощения влаги листовой материал может оставаться на открытом воздухе максимально в течение только 2 ч. В противном случае его необходимо сушить. Извлекать изделия из формы после термоформования при самой высокой допустимой температуре предпочтительно при 110-125 °С. Последующая обработка штамповкой и резкой с применением очень острого инструмента. При фрезеровании фрезы охлаждают воздухом. 2.4.14 Полиэфиркарбонат Общие свойства Полиэфиркарбонат (ПЭК) отличается повышенной теплостойкостью (до 145 °С) по сравнению с ПК. Химическая стойкость аналогична ПК. Примеры применения Подобно ПК, с более высокими требованиями к теплостойкости. Склейка и сварка подобно П К. Условия термоформоваиия подобны ПК, но требуются более высокие температуры формования. Температуры материала и инструмента при термоформовании см. в табл. 2.4. Механическая обработка как для ПК.
2 Термопласты 67 2.4.15 Полифениленовый эфир (ранее полифениленоксид) Общие свойства Аналогичны ПК, но полимер не такой прозрачный, как сополимер. Химическая стойкость Стоек к разбавленным минеральным кислотам, растворам щелочей, спиртам, растительным и животным жирам и маслам, в зависимости от добавок; стоек к гидролизу в горячей воде. Нестоек к бензину, маслам и жирам в зависимости от добавок; ароматическим и хлорсодержащим углеводородам. Специальные материалы Полимерная смесь (ПФЭ модиф. + ПА). Примеры применения Корпуса и детали для электротехнической, автомобильной и транспортной отраслей промышленности, для экологических целей и строительства. Склеивается клеями на основе растворителей или двухкомпонентными клеями. Сваривается термо-, фрикционной и ультразвуковой сваркой. Условия термоформования Оснащение машины: стандартное. Температуры материала и инструмента при термоформовании см. в табл. 2.4. Последующая обработка превосходна при сверлении, фрезеровании и лазерной или водяной резке. 2.4.16 Полиамид Общие свойства Есть множество марок полиамидов: ПА 6, ПА 66, ПА 11, ПА 12, ПА 46 и т. д. Гигроскопичность полиамидов зависит от марки. Изменение соответствующих свойств ПА обратимо, то есть в сухом климате предварительно поглощенная влага выделяется вновь. ПА являются очень жесткими и стойкими к истиранию. Из-за гигроскопичности накопление электростатического электричества в полиамидах незначительно.
68 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Химическая стойкость Стоек к бензинам, маслам, жирам/смазочным материалам, некоторым спиртам, слабым растворам щелочей, простым эфирам, кетонам, сложным эфирам. Нестоек к минеральным кислотам, сильным растворам щелочей, гликолям, хлороформу. Специальные материалы Многослойные материалы с аморфным полиамидом в качестве барьерного слоя; многослойный материал с ПА в качестве подложки ПА/ПП/£УОЯ/ПП. Полимерные смеси (ПА + ПЭ, ПА + ПТФЭ). Примеры применения Комплектующие для машиностроительной, автомобилестроительной и электротехнической отраслей промышленности. Склеивается концентрированной муравьиной кислотой (принять во внимание Технические правила обращения с опасными материалами!) или двухком- понентными клеями. Сваривается термическим, фрикционным или ультразвуковым методами сварки; тонкие полиамидные пленки — высокочастотной и импульсной сваркой. Условия термоформования Оснащение машины: стандартное. ПА 6 и ПА 66 термоформуют с трудом; они склонны к захвату воздуха между материалом и инструментом в момент контакта. Поскольку полиамиды значительно отличаются друг от друга, их степень вытяжки различна. Например, ПА 12 превосходно формуется. Температуры материала и инструмента при термоформовании см. в табл. 2.4. Последующая обработка: ПА 12 штампуется и режется очень хорошо; ПА 6 и ПА 66 — особенно в сухом состоянии — имеют склонность к образованию трещин при резании. 2.4.17 Полиэтилентерефталат аморфный Общие свойства Прекрасная прозрачность и хорошая термоформуемость материала толщиной до 4 мм. Полиэтилентерефталат аморфный (АРЕТ) имеет превосходные барьерные свойства по отношению к водяному пару, воздуху и кислороду. Однако АРЕТ нестоек к УФ-излучению. Он обладает хорошими электроизоляционными свойствами.
2 Термопласты 69 Химическая стойкость Стоек к маслам, жирам/смазочным материалам, моторному топливу; водным растворам солей, растворам щелочей и кислот. Нестоек к концентрированным растворам кислот и щелочей, галогенизиро- ванным углеводородам. Специальные материалы Многослойный материал П ЭТТ/Л Р£Г/ПЭТГ, АРЕТ/Barex*, АРЕТ/ПЭ, ПЭТ**/алюминий/Вагех, ПЭТ/ПВДХ/ПЭ, ПЭТ**/ПВХ/ПЭ, ПЭТ**/ПВХ, ИЭТ**/ЕУ0Н/ПЭ. Примеры применения Альтернативный материал для ПВХ в упаковочной промышленности. Склеивается двухкомпонентными клеями. Гибкие материалы могут быть склеены полихлоропреновыми клеями или клеями-расплавами на основе ви- нилацетата. Сваривается термическим, фрикционным или ультразвуковым методами. Однако способность к сварке после термоформования снижается. Условия термоформования Оснащение машины: стандартное. Для приварки всех полимерных блистерных упаковок рекомендуются ребристые электроды с покрытием из ПТФЭ. В случае необходимости герметизирующую резину следует заменить ламина- том из стеклоткани с силиконовым покрытием. Температуры материала и инструмента при термоформовании см. в табл. 2.4. Последующая обработка: превосходно обрабатывается штамповкой и резкой, но усилия для штамповки на 60% выше, чем для поливпннлхлорида. С другой стороны, времена обработки соответственно короче. При обрезке нагретыми штанцевыми ножами длина реза может быть увеличена пропорционально: при 100 °С на 11 %, при 130 °С на 25% и при 160 °С на 40%. Приварка АРЕТ-блистеров к картону осуществляется при температуре 190-240 "С и времени сварки от 1,2 до 2,5 с; очень важно покрытие картона термолаком, ЛР£Т-монопленки более сложно привариваются, чем многослойные пленки. Приварка ЛР£Т-пленки к ЛР£У-пленке с покрытием (однокомпонентная упаковка) проводится при температурах в интервале 160-240 "С при времени сварки от 0,7 до 2,5 с. * Вагех — торговая марка; материал состоит из акрилонитрила/метакрилата/бутадиена. ** ПЭТ либо как АРЕТпли ПЭТГ (см. раздел 2.4.18).
70 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Особенности термоформования При температуре 120 "С и выше АРЕТ становится полупрозрачным, то есть происходит посткристаллизация, и его барьерные свойства снижаются. При толщине материала от 3 до 4 мм посткристаллизация начинается уже в процессе нагревания. В инструменте для термоформования АРЕТ требуется примерно на 20-30% больше воздушных каналов, чем это необходимо для УПС или ПВХ. Формованные изделия с очень точным отображением формы, например, упаковки для кнопочных замков или пленочных шарниров, необходимо изготавливать на пневмоформовочных машинах. 2.4.18 Полиэтилентерефталат некристаллизующийся Общие свойства Прочность полиэтилентерефталатгликоля (ПЭТГ) и долговременная рабочая температура несколько ниже, чем у АРЕТ, а его ударная вязкость больше. В отличие от АРЕТ (см. раздел 2.4.17), ПЭТГ не кристаллизуется при очень высоких температурах формования; даже для сложных конфигураций получают хорошую точность оформления изделия вакуумформованием. ПЭТГ является более дорогим, чем АРЕТ. Химическая стойкость та же, что для АРЕТ. Специальные материалы Многослойные материалы и листы ПЭТГ/ЛРЕГ/ПЭТГ, ПЭТГ/ПС/ПЭТГ, ПС/ПЭТГ, ПЭТГ/ПП. Примеры применения Обычная упаковка, блистерная упаковка, формы для заливки шоколадных конфет, контейнеры, покрытия/защита. Горячее заполнение при максимальной температуре 82 °С (пищевой сектор). Склеивается как АРЕТ. Сваривается как АРЕТ. ПЭТГ также может свариваться высокочастотной сваркой. Условия термоформования Оснащение машины: стандартное. Температуры материала и инструмента при термоформовании см. в табл. 2.4. Последующая обработка: прекрасно обрабатывается штамповкой и резкой; при штамповке требуются усилия примерно на 10% меньшие, чем для АРЕТ. Приварка ПЭТГ к картону с покрытием осуществляется при температурах свар-
2 Термопласты 71 км и интервале 180-250 "С и времени сварки от 1,2 до 3 с, к покрытой фольге — при 170-200 "С и времени 0,7-1,2 с. Все блистеры из ПЭТГили ПЭТГ/ЛРЯГ/ПЭТГ термосвариваготся. 2.4.19 Полиэтилентерефталат кристаллизующийся Общие свойства Кристаллизующийся полиэтилентерефталат (СРЕТ) — это ПЭТ с наведенными центрами кристаллизации, позволяющими ему очень быстро кристаллизоваться при переработке. Теплостойкость является функцией объемной кристалличности, полученной при термоформовании (максимально достижимая степень кристалличности 30%). СРЕТ имеет низкую проницаемость для газа и водяного пара. Химическая стойкость подобна АРЕТи ПЭТГ. Специальные материалы Многослойный СРЕТ/ПЭТТ, СРЕТ/Т1Э. Примеры применения Тарелки для упаковки пищевых продуктов и готовой к употреблению еды, которую можно подогревать в традиционных, а также микроволновых печах. Технические детали с высокой термостойкостью, такие как корпуса для горячих производственных линий (например, для нанесения эмали или сушильных установок). Склеивается и сваривается подобно АРЕТи ПЭТГ. Условия термоформования Для СРЕТ требуется специальное оснащение машины. Оно состоит из верхнего нагревателя с замкнутой системой контроля продольных рядов, плюс поперечное отключение, а также нижний нагреватель с контролем температуры по всему полю и поперечным отключением. Лист под нагревателями необходимо экранировать алюминием, чтобы за один проход нагревался материал кратной длины (а именно, двух- или трехкратной). Для определения точной температуры материала рекомендуется применять инфракрасный датчик температуры. Температуры материала и инструмента при термоформовании см. в табл. 2.4. Последующая обработка: для штамповки и обрезки требуются штанцевые вырубные ножи, нагретые до 130 "С. Приварку СРЕТ-тары к покрывной фольге и СР£Г-блистеров к картону проводят при 180 °С в течение 2,5 с.
72 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ ВНИМАНИЕ СРЕТ формуют на инструменте, нагретом до 170 °С, при давлении формования от 1 до 2 бар; время формования примерно 4 с. Для изделий, плохо извлекаемых из формы, требуется охлаждение оснастки до 65 °С. Уклон для съема изделия из конструктивных соображений и для воспроизводимости процесса должен; быть более 5 °С. 2.4.20 Полисульфон Общие свойства Высокая прочность и хорошая ударная вязкость даже в низких температурах. Хорошие электрические свойства, не меняющиеся до 200 °С. При поджигании наблюдается едва заметное образование дыма. Химическая стойкость Стоек к разбавленным кислотам и растворам щелочей, бензину, маслу, смазочным материалам, спиртам, горячей воде и пару; очень стоек к гидролизу. Стоек к радиоактивным излучениям. Нестоек к полярным органическим растворителям, сложным эфирам, кетонам. Примеры применения Комплектующие детали с механической, термической и электрической прочностью для электротехнической, электронной отраслей промышленности, для осветительных приборов и других изделий, где требуется прозрачность; для медицинской аппаратуры и комплектующих деталей самолетов. Склеивается клеями на основе растворителей или двухкомпонентными клеями. Сваривается термическим, фрикционным или ультразвуковым методами сварки. Условия термоформования Оснащение машины: стандартное. Перед началом термоформования необходимо удостовериться, что материал высушен. В случае необходимости уменьшают остаточные напряжения в изделии после формования с помощью отжига при 165 °С. Температуры материала и инструмента при термоформовании см. в табл 2.4. Последующая обработка фрезерованием.
2 Термопласты 73 2.4.21 Полиэфирсульфон Общие свойства аналогичны полисульфону. Химическая стойкость подобна полисульфону, но не подходит для наружного применения. Примеры применения Формованные изделия для автомобильной и медицинской отраслей промышленности, подвергающиеся действию высоких температур; внутренняя отделка самолетов. Склеивается клеями на основе растворителей или двухкомпонентными клеями. Сваривается термическим, фрикционным или ультразвуковым методами. Условия термоформования Оснащение машины: стандартное, но были бы полезны инфракрасные датчики для измерения температуры материала. Поскольку полиэфирсульфон легко поглощает влагу, материал перед термоформованием нельзя оставлять открытым в течение более 30 мин, иначе его нужно будет сушить. Оснастка должна быть разработана с большими радиусами, и ее необходимо нагревать. После подогрева листы материала из нагревателя подают непосредственно в термоформовочную машину. Регистрируют температуру точно по показаниям инфракрасных датчиков. Снимают с формы при температуре материала примерно 160 "С. Температуры материала и инструмента при термоформовании см. в табл. 2.4. Последующая обработка фрезерованием. 2.4.22 Сополимер акрилонитрил/метакрилат/бутадиен Общие свойства Этот специальный материал (торговая марка Вагех) обладает превосходными барьерными свойствами, и поэтому используется в композитных материалах для упаковки пищевых продуктов. Химическая стойкость превосходная. Специальные материалы Многослойный Вагех/ПЭ, ПА/Вагех/ПЭ, ПЭТ/Barex, ПЭТ/алюмн- ний/Вагех, бумага/алюминий/fiarex
74 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Примеры применения Материал или композитные материалы в секторе упаковки пищевых продуктов, подверженных действию кислорода, а также косметики, туалетных принадлежностей и химических продуктов. Вагех защищает содержимое упаковки от окисления, потери запаха, а также миграции запаха и вкуса. Он также служит барьером для смазочных материалов и масел. Склеивается ацетоном, этилметилкетоном. Сваривается ультразвуковым, термоимггульсным и высокочастотным методом. Условия термоформования Оснащение машины: стандартное. Температуры материала и инструмента при термоформовании см. в табл. 2.4. Последующая обработка: штамповка и резка как для ПВХ. Приварка возможна только на специально покрытый картон и фольгу. Температура сварки от 170 до 250 °С при времени сварки от 0,7 до 2,5 с. 2.4.23 Производные целлюлозы Общие свойства Производные целлюлозы (ацетат целлюлозы, СА, ацетобутират целлюлозы, CAB) очень жесткие; они содержат пластификатор. Очень легко окрашиваются. СА и CAB не притягивают пыль из-за низкой склонности к электростатическому заряду. Химическая стойкость Стойкие к воде, бензину, минеральным маслам и смазочным материалам, слабым растворам щелочей и кислот. CAB обладает превосходной атмосферо- стойкостыо. Нестойкие к спиртам, сильным кислотам и растворам щелочей. Примеры применения Информационные, рекламные и дорожные указатели, световые фонари, плафоны светильников, абажуры, защитные колпаки, дисплеи. Склеиваются специальными клеевыми растворами. Условия термоформования Оснащение машины: стандартное; очень важно высушить материал заранее. Температуры материала и инструмента при термоформовании см. в табл. 2.4. Последующая обработка штамповкой и обрезкой аналогично полипропилену.
2 Термопласты 75 2.4.24 Диацетат целлюлозы (CdA) Общие свойства Это бпоразлагаемый «полимерный материал», полученный из целлюлозы. Он может компостироваться и гореть без выделения экологически вредных веществ. Пленка из диацетата целлюлозы {CdA) разрушается биологически, подобно листу дуба. Химическая стойкость Хорошая стойкость к воде, слабым растворам щелочей, маслам, смазочным материалам и бензину; низкие барьерные свойства по отношению к водяному пару. Примеры применения: оболочка упаковок. Условия термоформования Оснащение машины: точный температурный контроль, предпочтительно изотермически замкнутая система или однорядный контроль нагревательных элементов. Необходима вытяжка воздуха на станциях нагрева из-за высокого испарения пластификаторов. Температуры материала и инструмента при термоформовании см. в табл. 2.4. Последующая обработка: при штамповке и обрезке требуются очень низкие усилия, как для ударопрочного полистирола. 2.4.25 Поливинилиденфторид Общие свойства Очень хорошая химическая, термическая и абразивная стойкость. Стоек к ультрафиолетовому, бета- и гамма-излучению. Огнестоек. Химическая стойкость Стоек к почти всем химикатам, исключая сложные эфиры и кетоны. Специальные материалы Материалы из ламинированной ПВДФ-ткани; следовательно, в этом случае вытяжка невозможна. Производится материал с электропроводной или химически активированной поверхностью. Примеры примене?шя Коррозионностойкая облицовка, формованные изделия для ядерной технологии, электроники и технологии производства. Упаковка.
76 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Сваривается термическим, фрикционным и ультразвуковым методами. Условия термоформования Оснащение .машины: стандартное. Температуры материала и инструмента при термоформовании см. в табл. 2.4. j ■ % ВНИМАНИЕ Все марки имеют очень узкий температурный интервал фор мования. Высокая технологическая усадка вызывает сильную де ' формацию, особенно в горизонтальных (плоских) областях и во круг зоны прижима. Плохое скольжение при температуре выш< 170 °С (подобно ПП). Последующая обработка: резка распиловкой или фрезерованием сразу после извлечения из формы. 2.4.26 Полиэфиримид Общие свойства Высокая прочность и высокий модуль упругости при прекрасной теплостойкости; огнестойкость без введения добавок; низкая диэлектрическая проницаемость и низкий, зависящий от частоты, коэффициент диэлектрических потерь. Химическая стойкость, превосходная к большинству углеводородов, автомобильных топлив и масел. Стоек также к минеральным кислотам, растворам минеральных солей и разбавленным кислотам. Примеры применения Комплектующие для электротехнической, электронной, автомобильной и авиационной отраслей промышленности. Склеивается клеями на основе растворителей или двухкомпонентными клеями. Сваривается термическим, фрикционным или ультразвуковым методами сварки. Условия термоформоваиия Оснащение машины: стандартное. Температуры материала и инструмента при термоформовании см. в табл. 2.4. Очень длительное время предварительной сушки. Полиэфиримид (ПЭИ) очень быстро затвердевает! Последующая обработка: при распиловке требуется мелкозубчатое пильное полотно (узкая ширина и высокое число TPI), так как ПЭИ легко колется.
3 ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ТЕРМИНЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ТЕРМОФОРМОВАНИИ 3.1 Станция формования Как только материал достигает заданной температуры на станции формования, он формуется для придания ему необходимой конфигурации. Принципиально и вне зависимости от модели машины формующая станция (рис. 3.1, я) состоит из следующих элементов. Два стола, которые необходимы для установки оснастки, движутся вертикально навстречу друг другу. Формующий инструмент (рис. 3.2) установлен на одном из столов. На другом столе может быть установлен вспомогательный инструмент для механической предварительной вытяжки или вспомогательный пуансон. Оба стола оборудованы штуцерами для подвода вакуума и/или сжатого воздуха. На многих термоформовочных машинах эти два стола идентичны, на других они устроены по-разному. Высота, на которой материал устанавливают на станции формования, известна как линия прижима (зажима). Формуемый материал зажимается: • между двумя рамами; • между рамой и формующим инструментом; • между формующим инструментом и контринструментом. На рис. 3.1, Ь, показано, где в станции формования требуются воздухонепроницаемые уплотнения. 3.2 Позитивное и негативное формование При термоформовании только одна сторона нагретого материала вступает в контакт с формующим инструментом. Точный отпечаток поверхности формующего инструмента передается контактирующей стороне формуемого материала.
78 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ а) Ь) Рис.3.1. Схема станции формования: а) станция формования термоформовочной машины общего назначения; to) уплотнения в станции формования; 7 — верхний стол; 2 — верхний инструмент (вспомогательный пуансон); 3 — верхний нагреватель; 4 — верхняя рама; 5 — нижняя рама; 6 — нижний нагреватель; 7 — нижний инструмент; 8 — основание; 9 — (нижний) стол; 10 — пневмокамера; 7 7 — воздух для предварительного раздува, вакуум или воздух для снятия изделия с формы; 12 — материал; 13 — уплотнения ==JE Ш У77Г-^77Г--&7Л J\ Рис. 3.2. Схема конструкции инструмента в пневмоформовочной машине для комбинирования термоформования с вырубкой путем сдвиговой резки: 7 — сжатый воздух; 2 — верхний (подвижный) стол; 3 — пневмокамера; 4 — плита пуансона; 5 — уровень прижима; 6 — пуансон для предварительной вытяжки; 7— матрица с режущей кромкой; 8 — нижний стол; 9 — выталкиватель Контуры, а также размеры формованного изделия со стороны, не контактирующей с инструментом, определяются толщиной стенки. В зависимости от того, какая сторона формуемого материала контактирует с инструментом, метод называется позитивным или негативным формованием (рис. 3.3). При позитивном формовании внутренняя поверхность изделия воспроизводится точно, потому что эта сторона контактирует с термоформующим инструментом.
3 Основные принципы и термины, применяемые в термоформовании 79 Рис. 3.3. Виды формования: а) схема позитивного формования; to) схема негативного формования; 1 — толстые участки; 2 — тонкие участки; 3 — конечный внутренний размер изделия; 4 — внешний размер изделия Напротив, при негативном формовании точно воспроизводится внешняя сторона изделия, которая четко оформляется, поскольку наружная сторона формовки контактирует с термоформующим инструментом. При позитивном формовании необходимо учитывать следующее." • тенденцию появления складок для высоких, заостренных форм, особенно при большом расстоянии между инструментом и прижимной рамой (рис. 3.4); • тенденцию образования следов охлаждения на углах (рис. 3.4); • неравномерную толщину стенок в области фланца (рис. 3.4); • трудности съема с формы, вызванные недостаточным уклоном боковых стенок; • малые промежутки между элементами многогнездной формы возможны только при помощи нижнего прижима внутри области формования (прижимной рамы); • инструмент для позитивного формования обычно менее дорогой, чем для негативного. При негативном формовании необходимо учитывать следующее (рис. 3.5): • толстый обод (фланец); • повсюду однородная толщина фланца; • утонения в углах; • хороший съем изделия для одногнездных форм; • негативный формующий инструмент обычно стоит дороже, чем позитивный. В разумных пределах любые отрицательные эффекты в каждом случае могут быть уменьшены применяемыми технологическими и техническими приемами (см. главу 4).
80 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Рис. 3.4. Недостатки и типичные особенности позитивного формования (схема): / — следы охлаждения; 2 — складки; 3 — утонение; 4 — утолщение Рис. 3.5. Типичные особенности негативного формования (схема): 1 — однородный фланец; 2 — утонение в углах 3.3 Конечное давление формования Кроме таких факторов, как температура формуемого материала/инструмента и вытяжка, достигаемая точность формования изделия также существенно зависит от конечного давления контакта еще теплого изделия с формующим инструментом. Контактное давление возникает при предварительной вытяжке на форме (рис. 3.6, а). При формовании детали с использованием вакуума или ежа- Рис. 3.6. Схема суммирования сил, определяющих конечное давление формования: a, b — позитивный инструмент; с, d— негативный инструмент; (+) области на форме, в которых конечное давление формования может быть увеличено с помощью давления контакта; (-) области на форме, в которых конечное давление формования уменьшается из-за напряжений, возникающих в формуемом материале
3 Основные принципы и термины, применяемые в термоформовании 81 того воздуха в точках контакта применяют давление формования. Это означает, что конечное давление в точках контакта является суммой вызванного вытяжкой контактного давления и давления формования. В остальных областях нагретый формуемый материал после предварительного формования еще не контактирует с инструментом и даже сопротивляется вытяжке. Здесь конечное давление контакта определяется разницей воздействий давления формования и сил, возникающих за счет напряжений, возникающих в формуемой заготовке при формовании (рис. 3.6). Обычно давление формования при пневмоформовании составляет: • для формовок с большой поверхностью: 0,2-0,3 МПа B-3 бара); • для небольших деталей: до 0,7 МПа (до 7 бар). При вакуумном формовании давление формования ниже и зависит от атмосферного давления. На уровне моря, а также при использовании высококачественных вакуумных насосов давление формования составляет приблизительно 0,098 МПа @,98 бар). Поскольку вызванное вакуумом давление контакта соответствует разнице между атмосферным давлением, действующим на одну сторону формуемого материала, и вакуумом — на другую сторону, давление контакта зависит от превалирующего давления воздуха и жесткости уплотнений, даже при использовании самых лучших вакуумных насосов. Давление формования уменьшается при увеличении высоты над уровнем моря (рис. 3.7). со С со 1 о ш 0> S X (О § (О 0,1 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 1 "* 1 бар = 0,1 МПа ^~^-1 1000 2000 3000 4000 5000 Высота выше уровня моря, мм Рис. 3.7. Влияние давления воздуха при вакуумформовании как функции расположения термоформовочной машины выше уровня моря 6 Зис.796
82 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ 3.4 Площадь формования, площадь вытяжки, зажимной фланец Ширина внутри поверхности зажимной рамы известна как площадь формования (рис. 3.8, а-с). Площадь вытяжки (рис. 3.8, а-с) — это та область, из которой происходит вытяжка при термоформовании. Она зависит от требований к изделию, будет ли зажимной фланец нагреваться или нет. Учитывают следующее: • ненагретые части формуемого материала (например, ненагретый фланец под зажимом) не усаживаются, в то время как подвергшиеся формованию части усаживаются после формования; • части с различной усадкой вызывают деформацию формованного изделия. Что это означает для практического применения: • если зажимной фланец формованного изделия отрезается немедленно после снятия с формы, он не должен нагреваться; • если зажимной фланец остается на формовке (процесс формования также известен как формование без обрезки), он должен быть нагрет выше температуры стеклования материала путем контакта с нагретой зажимной рамой. а) Ь) с) Рис. 3.8. Площадь формования и площадь вытяжки: а — площадь формования равна площади вытяжки при позитивном формовании; b — уменьшение площади вытяжки за счет экрана при позитивном формовании; с — обусловленная процессом площадь вытяжки при негативном формовании; L- В — область формования; /., • 8, - область вытяжки; f— зажимной фланец; Е— начало вытяжки при негативном формовании (изменяется от толщины стенки)
3 Основные принципы и термины, применяемые в термоформовании 83 3.5 Поперечное сечение выпускных отверстий*, просверленные отверстия, щели, щелевые выпускные отверстия Для удаления воздуха, остающегося между полимерным материалом и формующим инструментом в процессе формования, инструмент должен быть либо проницаем для воздуха, либо оснащен достаточным количеством отводных каналов или щелей; это позволяет удалять воздух весьма быстро всасыванием или вытеснением. Справочные значения поперечных сечений выпускных отверстий см. в табл. 2.4. 3.6 Нижние и верхние держатели Когда область формования должна служить нескольким позитивным формам (многогнездная форма, рис. 3.9, Ь), целесообразно разделить общую площадь формования на отдельные области формования при помощи нижних держателей. Расстояния между отдельными элементами формы могут таким образом быть уменьшены. Отдельные пузыри гарантируют лучшее распределение толщины стенок. В машинах для переработки листа нижние держатели могут заменить вспомогательный пуансон. Верхние держатели (рис. 3.10) облегчают снятие с формы. Они сохраняют готовое изделие при снятии с формы. При переработке сильно провисающего формуемого материала, типа ПП, возможно применение верхних держателей на многогнездных формах для поддерживания уровня материала при нагревании. я V ж 1 а) Ь) Рис. 3.9. Схемы предварительного раздува: а) без нижнего держателя на двугнездной форме; Ь) с нижним держателем на двугнездной форме * В отечественной литературе эти отверстия чаще всего называют эвакуационными. — Примеч. науч. ред.
84 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ ДГ IflS^l ИГ а) i/TUTU* IT I X b) IT с) Рис. 3.10. Верхние и нижние держатели как помощь при снятии с формы: а) позитивное формование на двугнездной форме; to) процесс снятия с формы; с) негативное формование на двугнездной форме; 1 — нижний держатель; 2 — верхний держатель 3.7 Уклоны для съема с формы При позитивном формовании изделие при усадке обтягивает формующий инструмент, тогда как при негативном формовании на одногнездных формах оно усаживается, отделяясь от поверхности формующего инструмента. Поэтому, чтобы снимать изделие, формующий инструмент должен иметь конусные боковые стенки. Углы на боковых стенках — в направлении снятия изделия с формы — известны как технологические уклоны (рис. 3.11). Уклоны для съема должны быть выбраны как можно больше. Чем больше угол уклона, тем быстрее извлечение из формы и короче время цикла. Тогда меньше риск деформации изделия при извлечении его из формы. Технологический уклон соответственно для позитивного и негативного формования на одногнездной форме должен составлять: а = от 3 до 5°; а > 0,5° (при медленном съеме изделия допускается < 0,5°). Рис. 3.11. Технологические уклоны (одногнездная форма): а — при позитивном формовании; b — при негативном формовании
3 Основные принципы и термины, применяемые в термоформовании 85 3.8 Поднутрения и закладные элементы в инструменте Изделия с поднутрениями (рис. 3.12, 3.13) обычно можно извлечь только с помощью закладных или скользящих элементов инструмента. Более детально об особенностях снятия с формы деталей с поднутрениями см. в главе 7. а) Ж ъЛ I а) Ж J-, Рис. 3.12. Позитивный инструмент с поднут- Рис. 3.13. Негативный инструменте поднутрением и; снятие с формы с помощью сколь- рением и; ручное снятие с формы закладных зящего элемента/: частей/: а) формование; Ь) снятие с формы а) поперечное сечение; Ь) вид в плане 3.9 Предварительный раздув, предварительное всасывание*, отвод воздуха, компенсатор давления, поддув Предварительный раздув означает предварительную вытяжку материала формованием пузыря избыточным давлением (рис. 3.14). Давление для предварительного раздува генерируется внутри раздувиой камеры. Оно обычно ниже 0,03 бар. Предварительное всасывание материала путем формования пузыря осуществляется вакуумированием (рис. 3.15,3.16). При вакуумном формовании эвакуация воздуха из формы реализуется вакуумной системой формовочной машины. В настоящее время элемент «компенсации давления перед извлечением из формы» стал стандартным технологическим приемом, который может быть осуществлен на каждой термоформовочиой машине. Как только процесс формования завершен должным образом, вакуум или сжатый воздух должны быть от- * В отечественной литературе предварительный раздув и предварительное всасывание чаще всего называют предварительной пневматической вытяжкой. — Примеч. науч. ред.
86 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Рис. 3.14. Позитивное фор- Рис. 3.15. Позитивное Рис 3.16. Позитивно-нега- мование с предварительным формование с предвари- тивное формование с пред- раздувом тельным всасыванием в верительным всасыванием раздувную камеру во всасывающий раструб ключены для снятия изделия с формы. Выравнивание с атмосферным давлением происходит немедленно, чтобы облегчить процесс извлечения изделия. Без компенсатора давления необходимая регулировка цикла машины становится значительно труднее. При снятии изделия с формующего инструмента большого объема или с большой поверхностью воздух должен быть направлен в область, обеспечивающую движение в сторону съема изделия. Этому препятствует вакуум, созданный между изделием и инструментом при формовании, что может привести к деформации изделия. Управление воздухом для съема с формы — процесс ввода воздуха {поддув); его объем должен соответствовать скорости съема изделий. 3.10 Метки, следы охлаждения, задиры, складки Метки (рис. 3.17), следы охлаждения {наплывы) (рис. 3.18), задиры и открытые разрывы (рис. 3.19) — поверхностные дефекты, которые приводят к отбраковке изделий, но их можно избежать, соблюдая следующие предосторожности (см. главу 4). Рис. 3.17. Метки от отверстий для отвода воздуха на прозрачном формованном изделии
3 Основные принципы и термины, применяемые в термоформовании 87 а) Ь) Рис. 3.18. Следы охлаждения (наплывы) на изделии: а) следы охлаждения на позитивной формовке; to) сечение А-А с рис. 3.18, а a) b) Рис. 3.19. Задир (утонение) и открытый разрыв: а) задир при позитивном формовании; о) открытый разрыв при позитивном формовании 3.11 Термоформующий инструмент Набор инструмента включает все связанные с функциональным назначением термоформовочной машины элементы, различаясь для машин, формующих лист, и автоматических машин с рулонной подачей. Для машины для формова- ниялиста с единичной загрузкой и отдельной станцией нагрева в перечень инструментов входят: • термоформовочный инструмент в комплекте с опорной плитой; • прижимная рама для формующей станции; • пуансон для предварительной вытяжки; • прижимная рама для станции нагрева; • плита с чашечными присосками для станции загрузки. Для автоматической машины с рулонной загрузкой с вырубной и пакетирующей станциями в перечень инструментов входят: • термоформующий инструмент, комплектующийся на плите; • прижимная рама;
88 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ • пуансон для предварительной вытяжки; • штамп со стальными линейками (штанцевый) с подушкой для вырубки; • устройство пакетирования. 3.12 Коэффициент формования и вытяжки Коэффициент формования (рис. 3.20) применяется к максимальной глубине вытяжки Я и ширине В или диаметру D площади формования. Коэффициент формования не дает какой-либо точной информации о вытяжке. Он применяется согласно рис. 3.20. Площадь формования: L • В, где L > В (прямоугольные изделия). Коэффициент формования: Я: В (прямоугольные изделия) или Я: D (цилиндрические). Коэффициент вытяжки — это отношение между площадью поверхности формованного изделия перед обрезкой (без зажимного фланца) к площади формования и определяется согласно рис. 3.21. Степень зыгяжкиА F, где F, — первоначальная площадь поверхности формуемого материала без зажимного фланца; F2 — площадь поверхности на формованном изделии (см. последующий пример для расчета толщины стенки, раздел 3.13). у ^S^- ~?^ /' Ч \- ЕЛ"Сч. Н \ Ь) /''■" >*£- в \^ 1 1 .' н Ч. <■ "V с) Рис. 3.20. Коэффициент формования: а) иЬ) коэффициент формования Н : В для различной конфигурации; с) коэффициент формования Н : О для цилиндрической конфигурации
3 Основные принципы и термины, применяемые в термоформовании 89 Совет для практического применения Для формованных изделий со сложной геометрией коэффициент вытяжки легко и просто может быть измерен гибкой лентой в месте с наибольшей вытяжкой (рис. 3.22): коэффициент вытяжки по ширине В = размер, измеренный лентой ширина В В Рис. 3.21. Размеры изделия для расчета толщины стенки Рис. 3.22. Коэффициент вытяжки по ширине В данной формовки: 7 — измерение гибкой лентой 3.13 Расчет толщины стенки термоформованных изделий Упрощенная оценка толщины стенки термоформованного изделия возможна, когда известна первоначальная толщина неформованного материала. В зависимости от конструкции изделия и конечного неравномерного распределения толщины стенки, необходимо учесть разброс +30% в дальнейших окончательных результатах расчетов. При таком расчете необходимо принять, что объем материала не изменяется при формовании. Таким образом, используют следующее равенство: V, = V,. И, соответственно, F, • 5, = Е2 ■ s2, из чего следует: *,=£*, где V, — объем материала без зажимного фланца; V-, — объем термоформованного изделия; Fx — площадь поверхности материала без зажимного фланца; F, — поверхность изделия; 5, — толщина исходного материала; s2 — толщина стенки изделия.
90 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Пример расчета толщины стенки а) Определение толщины стенки прямоугольного термоформованного изделия В соответствии с рис. 3.21 зададим следующие размеры: а = 800 мм, Ь = 500 мм, с = 400 мм, L = 880 мм, В = 580 мм и используем эти размеры для определения площадей и их соотношения: FX=L-B = 510 400 мм2, F, = L • В + 2Ьс + 2ас = 1 550 400 мм2, Fi =0,3292, F, ^- = 3,0376. При толщине материала s{ ^ А мм и однородном распределении толщины стенки на термоформованном изделии получаем: F s, =—-s, =0,3292-4 мм = 1,32 мм. 2 F2 ' Из-за флуктуации толщины стенки в формованном изделии на практике действительная толщина стенки будет составлять от 0,9 до 1,7 мм: s2m, = 52 ± 30% = 1,3 ± 0,4 мм и от 0,9 до 1,7 мм. Ь) Определение необходимой толщины материала, если толщина изделия была задана Деталь, показанная на рис. 3.21, должна иметь среднюю толщину стенки s2 = 2 мм, необходимо определить толщину материала 5,. Получаем следующую расчетную толщину материала: F. s, = —~-s2 =3,0376-2 мм = 6,075 мм. Л Из-за неравномерного распределения толщины стенки толщина материала должна быть выбрана на 30% больше: 5, ж,-6,075+ 30% «8 мм.
3 Основные принципы и термины, применяемые в термоформовании 91 3.14 Усадка и деформация термоформованных изделий В разделе 2.2.3 уже объяснялись термин усадка и сокращение размеров вообще. Здесь эти термины будут объяснены с помощью термоформованных изделий. Сокращение размеров Формующий инструмент и воздействующий на него во время охлаждения вакуум или сжатый воздух препятствуют изменению размеров формованного изделия. Однако при съеме изделие может все равно пострадать, а размеры со временем могут значительно измениться. Эти изменения размеров известны как усадка, которая состоит из технологической и последующей усадки (постусадка). Деформация Под деформацией понимают изменение формы как отклонение от заданной геометрии. Изделие, термоформованное на цилиндрической форме, становится овальным. Поверхность частей термоформованного изделия, сформованных на плоской горизонтальной поверхности формы, деформируется после съема в трехмерные поверхности, то есть они коробятся или перекашиваются. Причины усадки и деформации не могут быть разделены. Обе характеристики зависят от: • полимерного материала; • условий производства материала; • величины вытяжки при термоформовании; • скорости охлаждения; • температуры снятия с формы.
4 ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ПРОЦЕССА ТЕРМОФОРМОВАНИЯ Последовательность процесса термоформования может быть разделена на две стадии: предварительную вытяжку и процесс реального формования, целью которых является получение однородного распределения толщины стенок тер- моформованного изделия. Предварительная вытяжка может быть получена различными способами: • механической предварительной вытяжкой с использованием непосредственно формующего инструмента; • механической предварительной вытяжкой с использованием вспомогательного пуансона; • пневматической предварительной вытяжкой за счет предварительного раздува или вакуумирования; • комбинированной механической и пневматической предварительной вытяжкой. Цель предварительной вытяжки — создать преформу, конфигурация и распределение толщины стенок которой в процессе реального формования приведут к получению формованного изделия с оптимальным распределением толщины стенок. В зависимости от оснащения машины и состава формующего инструмента реальное формование проводится с помощью: • вакуума (вакуумформование); • сжатого воздуха (пневмоформоваиие); • вакуума, применяемого со стороны инструмента, а сжатого воздуха - с другой стороны; • применения вакуума с двух сторон (например, при формовании газонаполненных материалов); • дополнительного обжатия, прижима, калибрования ограниченных участков;
4 Последовательность процесса термоформования 93 вспомогательных механических средств типа бегунков, ползунов, пуансонов, главным образом, для предотвращения складок во время процесса формования. 4.1 Позитивное формование 4.1.1 Позитивное формование с механической предварительной вытяжкой Формованные изделия острой конической формы предварительно вытягивают за счет внедрения формующего инструмента в материал (рис. 4.1). На распределение толщины стенок оказывают влияние температура инструмента и скорость формования: на «холодном» инструменте при низкой скорости формования получают изделие с более толстостенной верхней частью, в то время как «горячий» инструмент при высокой скорости формования приведет к утонению верхней части. ь) Рис. 4.1. Позитивное формование с механической предварительной вытяжкой: а) механическая предварительная вытяжка; Ь) готовое изделие 4.1.2 Позитивное формование с предварительным раздувом ВНИМАНИЕ Площадь поверхности, полученная при предварительном раздуве, не должна быть больше, чем площадь поверхности готового изделия. Вариант 1 для коэффициента формования Я: D до 1 : 1,5 (рис. 4.2) при предварительной вытяжке раздувом и следующей последовательности процесса: • нагревание; • предварительный раздув пузыря до высоты Я = высоте инструмента; • введение инструмента; • включение вакуума.
94 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ 1/1 \г \l£^Ua&2s////j Рис. 4.2. Позитивное формование с предварительным раздувом ! ! т E^zzffiSZs^] Рис. 4.3. Позитивное формование с предварительной вытяжкой за счет предварительного раздува с помощью формующего инструмента Такой процесс оказывает следующее влияние на распределение толщины стенок: • низкая высота пузыря приведет к получению толстого основания; • высокая высота пузыря приведет к тонкому основанию и складкам. Вариант 2 для коэффициента формования Н: D = 1 : 1 (рис. 4.3) при предварительной вытяжке с помощью раздува, формующего инструмента и следующей последовательности процесса: • нагревание; • предварительный раздув с одновременным введением термоформующего инструмента; • включение вакуума. Для прямоугольных конфигураций можно предотвратить образование складок в углах за счет: • уменьшения диаметра выходного сопла (скорость удаления воздуха); • увеличения радиусов вертикальных кромок; • уменьшения площади вытяжки за счет «ограничения» углов верхней рамой; • удаления складок в углах механически (вспомогательным пуансоном) перед началом вакуумирования; • если необходимо, увеличивая время нагрева формуемого материала. Вариант 3 для коэффициента формования Н: D = A,5 -*- 2) : 1 при предварительной вытяжке раздувом, предварительной вытяжке формующим инструментом, плюс реальное формование с помощью вакуума и механического вспомогательного пуансона для удаления складок (рис. 4.4, а) при следующей последовательности процесса:
4 Последовательность процесса термоформования 95 \zzzzzzzx Ь) Рис. 4.4. Термоформованное изделие с очень большим коэффициентом формования: а) формующий инструмент с ограничителями; to) ограничители и кольцо для удаления складок; 1 — вспомогательный пуансон с кольцом для удаления складок; 2 — форма; 3 — верхняя рама; 4 — ограничитель для предварительного раздува; 5— нижняя рама, 6 — стол; а — расстояние до ограничителя 4;Ь — расстояние до кольца для удаления складок / • нагревание в течение как можно более короткого времени, то есть низкая температура формования; • сильный предварительный раздув; • введение формующего инструмента; • подача вакуума при нахождении формы в верхнем положении; выбирают по возможности наименьшую скорость отсасывания воздуха; • опускание вспомогательного пуансона со скоростью, сравнимой со скоростью формования. На рис. 4.4, b показано расположение ограничителей для предварительного раздува и расположение складок. Если ограничители при предварительном раздуве установлены на верхней раме термоформовочной машины, для расстояния а применяют следующее соотношение (рис. 4.4, Ь): а«@,15-0,2)-Я, где Н — высота инструмента. Для снятия изделия с формы необходимы цилиндрические отверстия. Щелевые отверстия при Н: D >1 : 1 приводят при предварительном раздуве к появ-
96 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ леншо следов охлаждения. Расстояние b (рис. 4.4, Ь) до кольца для удаления складок вычисляется как: b = 1,5 • толщина материала. 4.1.3 Позитивное формование с предварительным раздувом и соплами для обдува углов Если при предварительном раздуве материал в определенных местах охлаждается холодным воздухом, эта специально охлажденная область будет подвергаться меньшей вытяжке, то есть углы на позитивных и негативных формовках будут более толстыми при систематическом охлаждении пузыря угловыми соплами для обдува (рис. 4.5, а и Ь). Преимущества сопел для обдува углов: • отсутствуют следы контакта; • объем воздуха, конус обдува воздухом, направление обдува и время обдува регулируются в зависимости от модели сопла и программы машины; • очень часто холодный воздух более эффективно влияет на инфракрасные нагреватели, чем любые другие средства. Воздух ж X Ь) 25 мм > I 1 г I Рис. 4.5. Позитивное формование с предварительным раздувом и соплами для обдува углов: а) схема формования; Ь) параметры установки сопел для обдува углов
4 Последовательность процесса термоформования 97 4.1.4 Позитивное формование с помощью предварительного раздува до пластины и предварительное формование с помощью раздува с механическим ограничением раздува по высоте Процесс предотвращает появление следов охлаждения или в значительной степени их уменьшает. Пузырь сверху становится плоским (рис. 4.6), что облегчает вхождение инструмента в пузырь с новой конфигурацией. Значительно снижается скольжение по углам инструмента. Порядок проведения процесса (в соответствии с рис. 4.6): 1) нагревание; 2) вспомогательный пуансон опускают вниз; 3) предварительный раздув до поверхности вспомогательного пуансона; 4) поднимают вверх форму; 5) включают вакуум. Но возможна также другая последовательность проведения процесса формования: A), C), B), D), E) или A), B) и одновременно C), D), E). ВНИМАНИЕ Пластину на вспомогательном пуансоне покрывают ворсистой тканью, типа перчаточной или фетровой ткани и т. п., чтобы горячий пузырь как можно меньше охлаждался. тГ т (^^ZZl С а) Е^^) д, t X2Sz^zA^z2221z} b) Рис. 4.6. Позитивное формование с предварительным раздувом, ограниченным пластиной: а) схема формования; Ь) пластину отодвигают для проведения охлаждения 7 3«к 796
98 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ 4.1.5 Позитивное формование в колоколообразную форму путем предварительного раздува или всасывания При этом способе переработки (рис. 4.7) также можно избежать появления следов охлаждения, вызванных контактом с инструментом. Рекомендуется для полимеров с высокой жесткостью при температурах формования, например, литого акрилового стекла (ПММА). Порядок проведения процесса (в соответствии с рис. 4.7): • нагревание; • вспомогательный пуансон опускают вниз; • предварительная вытяжка или всасывание в колокол; • форму поднимают вверх; • включают вакуум; • вспомогательный пуансон поднимают вверх; • охлаждение. Примеры применения этого метода: • душевые поддоны с острыми краями из литьевого ПММА; • прямоугольные контейнеры без следов охлаждения при коэффициенте формования Я: £К1 :2. ZZZZZZ2EYZZ7ZZ2 Рис. 4.7. Позитивное формование в колокол за счет предварительного всасывания: 1 — колокол на вспомогательном пуансоне; 2 — верхняя рама; 3 — нижняя рама; 4 — форма; 5 — стол ВНИМАНИЕ В машине для формования листа предварительный раздув можно обычно проводить при максимальном давлении 0,025-0,05 бар; однако максимальное давление при предварительном всасывании может быть 0,9 бар при соответствующей конструкции колоколообразной формы. Это означает, что большие усилия для> формирования пузыря достигаются в процессе предварительно^ го всасывания. Для проведения предварительного всасывания el колоколообразную форму термоформовочная машина должна быть оборудована подводом вакуума к вспомогательному пуансону (верхнему столу).
4 Последовательность процесса термоформования 99 4.1.6 Позитивное формование с помощью предварительного всасывания в пневмокамеру Цель этого метода — развернуть па коническом инструменте материал, из которого был предварительно вытянут пузырь, чтобы избежать проскальзывания материала на форме (рис. 4.8). Преимущества этого метода: • хорошее распределение толщины стенок для позитивно формованных изделий с большой конусностью боковых стенок; • при благоприятной конструкции изделия предотвращается захват воздуха за счет предварительного всасывания, даже если поверхность инструмента очень гладкая; • падение температуры в материале меньше, чем при предварительном раздуве (это имеет большое преимущество при адгезионном ламинировании). Ь) с) Рис. 4.8. Позитивное формование с помощью предварительного всасывания в пневмокамеру: a-с)последовательность процесса; 1 - верхняя рама; 2 — нижняя рама; 3 - форма
100 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ 4.2 Негативное формование 4.2.1 Негативное формование без предварительной вытяжки Негативное формование без предварительной вытяжки при коэффициенте формования Н: D< 1 : 3 показано на рис. 4.9. Распределение толщины стенок изделия при негативном формовании приведено на рис. 4.10; самая толстая часть формовки находится на фланце (А), самая тонкая — на пересечении боковой стенки с основанием (D). Большие радиусы между основанием и боковой стенкой плюс большая конусность боковых стенок (уклон для съема изделия) улучшают распределение толщины стенки. На рис. 4.11 показаны благоприятная и нежелательная конструкции изделия. сг 5 л D(B) Х- V Г \ У ' У ^7//У/?/ If 1 /JP У л 1^^4-Ь^^ $ ♦ Q. Нргятиршпр гЬппмппяние без поед- ABCD Е 0s | 80 1 60 о 2 40 | 20 Ё п •^ и ч \ N ч А £ То ч. ■угщ -ч N. N 3 С 1 чки измер • ) £ ения варительного раздува: D — диаметр; Н — высота; В — ширина для прямоугольного изделия Рис. 4.10. Принципиальное распределение толщины стенок при негативном формовании для коэффициента вытяжки И ; D - 1 : 3 в точках измерения от А до Е 4ll/J.//\l а) !/>>!//А/г/тггГл Ь) Рис. 4.11. Распределение толщины стенки в зависимости от конструкции термоформо- ванного изделия при коэффициенте вытяжки Н : D- 1 : 3: а) нежелательная конструкция; to) благоприятная конструкция Термоформованные изделия с хорошим распределением толщины стенок при негативном формовании без предварительной вытяжки при Н: D> 1 : 2,5 получают даже без дополнительного пуансона (вспомогательного пуансона), если:
4 Последовательность процесса термоформования 101 • инструмент вспомогательного пуансона не может применяться из-за следов контакта на лицевой стороне; • формованные изделия являются достаточно большими, поэтому отдельные участки материала могут целенаправленно нагреваться до различной температуры. Менее интенсивно нагретые или специально охлажденные участки материала будут меньше вытягиваться по сравнению с остальной областью. Более нагретые участки позволяют больше вытягивать материал, где это необходимо. Примеры использования этого метода переработки — ванны, душевые поддоны, раковины, и т. д. Порядок проведения процесса: • предварительное формование путем раздува, если готовое изделие имеет увеличенную площадь фланца; • формование с применением вакуума. Сетка на формуемом материале, соответствующая сетке экранов для нагревательных элементов, способствует любому методическому изменению поля высокотемпературного излучения. На рис. 4.12 в качестве примера показана ванна, в которой в области фланца требуется более высокая температура, чем для днища. Рис. 4.12. Производство ванн методом термоформования 4.2.2 Негативное формование с помощью механической предварительной вытяжки При коэффициенте формования II: D > i : 3 для негативного формующего инструмента абсолютно необходим механический пуансон для предварительного формования материала (рис. 4.13). Трение между пуансоном и материалом при введении пуансона в форму способствует тому, что больше полимерного материала остается в основании изделия (более толстое основание). Распределение толщины ств}юк существенно зависит от: • конструкции вспомогательного пуансона; • глубины погружения вспомогательного пуансона; • взаимного перемещения пуансона для предварительной вытяжки и формы;
102 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ • температуры материала; • структуры материала пуансона; • температуры пуансона. Порядок проведения процесса: • нагревание; • формующий инструмент поднимают вверх при одновременном опускании устройства для предварительной вытяжки; • включают вакуум, когда стол находится вверху, а пуансон внизу; • поднимают устройства для предварительной вытяжки; • охлаждение; • извлечение из формы. Толщину основания формованного изделия можно увеличить за счет: • запаздывания поднятия стола или достижения конечного положения устройства для предварительной вытяжки раньше, чем это сделает форма; • установки величины зазора Ъ как можно меньше (рис. 4.13); • использования большого пуансона (для маленького пуансона маленький R, рис 4.13). Распределение толщины стенок с предварительной вытяжкой с помощью пуансона и без него см. на рис. 4.14. Материалы для пуансона приведены в разделах 4.8.1 и 10.4.1; конструкции устройств для предварительной вытяжки обсуждаются в разделе 10.4.2. i ш \- о го I 5 с; о 100 80 60 40 20 I \ > N N Ч \ Ч > Ч ^^._ I ^*—^ --' i 1 2 1 ft Го 1 'fc №~ А В D Рис. 4.13. Негативное формование с предварительной вытяжкой пуансоном: а и b - зазоры между пуансоном и формовкой; Я — радиус на пуансоне Рис. 4.14. Распределение толщины стенки (в %) с предварительной вытяжкой и без нее при степени вытяжки Н : D > 1 : 3: 1 — с предварительной вытяжкой; 2 — без нее
4 Последовательность процесса термоформования 103 4.2.3 Негативное формование с предварительным формованием путем раздува и инверсии на пуансоне Сочетание предварительного раздува и инверсии па пуансоне (рис. 4.15) дает дополнительную возможность регулирования распределения толщины стенок. Центральная часть пузыря всегда тоньше, чем его края. Порядок проведения процесса (рис. 4.15): • нагревание; • предварительный раздув; • инверсия пузыря с помощью вспомогательного пуансона; • поднятие формующего инструмента вверх непосредственно перед завершением инверсии; • подача вакуума при достижении формующим инструментом верхнего положения. На распределение толщины стенок влияют: • температура пуансона; • конструкция пуансона; • последовательность проведения процесса; • температура материала. + 7 с) Рис. 4.15. Схема негативного формования с предварительным раздувом и инверсией: a-с) последовательность процесса; 7 — устройство для предварительной вытяжки; 2 — верхняя рама; 3 — нижняя рама; 4 — форма; 5 — воздух для раздува; 6 — высота раздува; 7 — вакуум
104 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Основание становится толще, когда: • глубина пузыря небольшая; • инструмент (стол) достигает своего верхнего конечного положения с запаздыванием; • устройство для предварительной вытяжки входит в форму более глубоко. 4.2.4 Специальные процессы при негативном формовании 4.2.4.1 Воспроизведение структуры поверхности формующего инструмента При определенных условиях структура поверхности термоформующего инструмента может быть воспроизведена на формованном изделии. Этот процесс также известен как поверхностное формование (surfасе forming, SF). Типичные структуры поверхности — обработанная пескоструйным устройством поверхность с различной шероховатостью, тиснение под кожу или дерево. Существенное ноу-хау поверхностного формования состоит в процессе изготовления инструмента. Есть несколько способов изготовления термоформующего инструмента для поверхностного формования. На алюминиевом инструменте структура поверхности создается с помощью: • пескоструйной обработки; • травления (фотохимический процесс) для получения текстуры под кожу или дерево; • получения шероховатой поверхности методом напыления металла. Инструмент из полимерных смол вначале получают с гладкой поверхностью, на которую затем наносят необходимую структуру поверхности с помощью высококачественного двухкомпонентного лака. Шероховатая структура поверхности также может быть получена при непосредственной отливке смолы. На гальванический инструмент структура поверхности передается от шаблонного инструмента на полученную гальваническим способом оболочку из алюминия или никеля, которая затем упрочняется за счет повторного нанесения металла. Для получения образцов может использоваться деревянный инструмент, покрытый двухкомионентным лаком. В каждом из вышеупомянутых случаев последними сверлят вакуумные каналы. Основные правила для воспроизведения поверхностной структуры: • температура формования материала должна быть на верхнем пределе; • температура формующего инструмента несколько ниже температуры стеклования материала;
4 Последовательность процесса термоформования 105 • время нагрева и охлаждения приблизительно на 50-100% больше, чем для обычного формованного отпечатка; • размеры каналов для отвода воздуха составляют только 60-75% от значений, приведенных в табл. 2.4, то есть 0,3-0,5 мм; • уклон боковых стенок зависит от глубины гравировки (в принципе >5°, если это возможно). Типичные ошибки, встречающиеся при поверхностном формовании: глянцевые пятна на шероховатой стороне — результат плохого контакта с инструментом, вызванный захватом воздуха и/или плохим отводом воздуха. Появление поверхностных дефектов на формованном изделии более вероятно по причине, не связанной с качеством инструмента. 4.2.4.2 Термоформование полусфер, например, половинок глобуса На рис. 4.16 показано предварительное формование материала с нанесенной печатью с помощью пуансона в форме конуса. ВНИМАНИЕ Для материалов с нанесенной печатью необходимо обеспечить экраны для нагревательных элементов, чтобы края, не подвергающиеся формованию, были защищены от воздействия тепла. На рис. 4.17 — формование материала с печатью при использовании центрального отверстия. Направляющий диск (рис. 4.17) препятствует перегреву материала и вытяжке вокруг отверстия в центре листа. На верхней раме устанавливают алюминиевые ограничители для предотвращения нагревания нефор- муемой кромки. Порядок проведения процесса: • поднятие инструмента вверх; • установка материала; • установка направляющего диска; • нагревание; • включение вакуума; • охлаждение, отключение вакуума; • извлечение изделия из формы; • удаление изделия.
106 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Рис. 4.16. Негативное формование полусфер, конструкция пуансона: / — пуансон для предварительной вытяжки; 2— негативная форма Рис. 4.17. Негативное формование полусфере использованием центрального отверстия в материале: 1 — нагреватель; 2 — верхняя рама; 3 — нижняя рама; 4 — форма; 5 — направляющий диск; 6 — материал с печатью с отверстием; 7— направляющий шток 4.3 Комбинированное позитивно-негативное формование 4.3.1 Позитивно-негативное формование, включая предварительный раздув и инверсию на вспомогательном пуансоне Этот метод имеет большое преимущество там, где требуется высокая позитивно-негативная вытяжка. Необходимо получить преформу, чтобы ее контур был почти идентичен контуру готового изделия (рис. 4.18). Расстояние между термоформующим инструментом и рамой должно составлять 15-20% от высоты формуемого изделия. Последовательность процесса (рис. 4.18): • нагревание; • предварительный раздув; • инверсия пузыря на вспомогательном пуансоне; • поднятие формы, когда пуансон уже остановился; • включение вакуума;
4 Последовательность процесса термоформования 107 • поднятие вспомогательного пуансона вверх; • охлаждение; • повторное опускание вспомогательного пуансона для облегчения съема, иначе изделие с трудом снимается; • извлечение из формы. Рекомендуется предварительная настройка: стол и вспомогательный пуансон должны достигать конечных позиций одновременно. Скорости стола и вспомогательного пуансона необходимо снизить, если распределение толщины стенок трудно контролировать. Hi rh 1 tr\ 2^4i|tzL^^ Ь) 1' 1 1 лг—т— Zz. i6 1 1 - iiu ^X:/ZAUZA с) d) Г рис. 4.18. Позитивно-негативное формование, включая предварительный раздув и инверсию: a~d) последовательность процесса; ' — пуансон для предварительной вытяжки; 2 — верхняя рама; 3 — нижняя рама; 4 — форма; 5 — стол; б — вакуум; 7 — готовое изделие
108 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ 4.3.2 Позитивно-негативное формование конструкции изделий с различными коэффициентами вытяжки Мы здесь имеем дело с предварительным формованием за счет вытяжки раздувом с последующей вытяжкой вспомогательным пуансоном и формующим инструментом. Позитивная форма с выраженными негативными элементами известна как позитивно-негативный формующий инструмент (рис. 4.19). Порядок проведения процесса: • нагревание; • предварительный раздув; • формующий инструмент поднимают вверх, а вспомогательный пуансон опускают вниз при одновременном достижении обоими конечных положений; • подвод вакуума к верхней части формы или нижней части пуансона для предварительной вытяжки; • поднятие пуансона; • охлаждение; • съем изделия, в случае необходимости, с помощью повторного опускания пуансона. Рекомендации при запуске нового позитивно-негативного инструмента: стол и вспомогательный пуансон должны достигнуть конечного положения одновременно (рис. 4.19). Начинать с низких скоростей движения стола и пуансона, если распределение толщины стенок является сложным. Если пуансон оставляет в основании каждого изделия слишком мало материала, скорость движения стола должна быть уменьшена. rh 1 I лт^ / 2 1^2 VZ^^uZZZZ^^ Более благоприятное распределение толщины стенок достигается за счет: • как можно более низкой температуры формования, если не требуется высококачественный отпечаток; • низкой скорости движения формы н пуансона. Рис. 4.19. Позитивно-негативное формование при различных степенях вытяжки: 1 — протяжной пуансон; 2 — форма; 3 — верхняя рама; 4 — нижняя рама; 5 — стол
4 Последовательность процесса термоформования 109 4.4 Ламинирование и облицовка 4.4.1 Ламинирование воздухонепроницаемыми материалами Ламинирование — это приклеивание материалов покрытия или облицовки на отформованное изделие. Примеры применения ламинирования Приборные панели, дверные панели, центральные стойки в производстве автомобилей; весы для ванной комнаты, защитные шлемы, чехлы для музыкальных инструментов и подобные виды продукции. Формованные изделия для ламинирования могут состоять из полимеров, дерева, металлов или других материалов. В качестве ламинирующего материала может использоваться термопластичный одно-, многослойный или вспененный ламинат. Для соединения ламинируемого материала с ламинатом используют клеящее вещество, метод также известен как «адгезионное ламинирование». Клей обычно наносится на ламинируемое изделие и активируется при контактировании с горячим ламинатом. Но существуют комбинации материалов, где клеи отсутствуют. Например, при ламинировании и облицовке формованных изделий из вспененного ПС полистирольным ламинатом. Важно, чтобы воздух между двумя ламинируемыми материалами был полностью удален. Поэтому изделие, которое ламинируют, должно быть воздухопроницаемым или, иначе, снабжено выпускными отверстиями. Можно обойтись без отверстий, когда ламинируемое изделие сконструировано таким способом, чтобы воздух не задерживался во время процесса ламинирования, а клей обеспечивал достаточную адгезию даже при низком контактном давлении. Поддерживающая оправка или инструмент Необходимо использовать поддерживающую оправку или инструмент идентичной ламинируемому изделию конфигурации для противодействия давлению около 0,1 МПа A бар), возникающему при вакуумформованни. Процесс ламинирования Для данной геометрии изделия может быть выбран соответствующий метод ламинирования, при этом ламинируемое формованное изделие рассматривают в качестве формующего инструмента. Отличие от обычного процесса термоформования состоит в возможности ламината с нанесенным на него клеем скользить по инструменту (ламинируемому изделию). Плоские и воздухонепроницаемые формованные изделия обычно ламинируют с помощью предварительного всасывания в ппевмокамеру. В этом
110 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ случае предварительное всасывание имеет преимущество перед предварительным раздувом в том, что горячий ламинат практически не охлаждается с обратной стороны. ВНИМАНИЕ Для верхней и нижней сторон ламината обычно требуется раз личная температура, которая достигается за счет настройки, со ответственно, верхнего и нижнего нагревательных элементов. Качество ламинированного изделия зависит от: • формы ламинируемого изделия; • количества и расположения отверстий для отвода воздуха (на воздухонепроницаемых деталях); • качества ламината (легкость вытяжки, стабильность качества поверхности при температурах формования и стойкость к трещинообразова- нию); • толщины ламината; • температуры ламината в процессе нагревания; • температуры ламината во время процесса активации клеящего вещества; • приложенного к ламинату давления (плюс конечное значение вакуума, количество отверстий для отвода воздуха); • поверхностной структуры ламинируемого изделия; • правильного выбора подходящего клея, пригодного для соединения материалов при возможно более низких температурах; • применяемого клеящего вещества (количества, окружающей температуры, вентиляции цеха, времени испарения растворителя); • температуры ламинируемого изделия при подаче в машину; • возможной конструкции вспомогательного пуансона, который может быть необходим. ВНИМАНИЕ Перед применением клея необходимо удалить остаток лету-^ чих с поверхности ламинируемого изделия. Возможности ламинирования в краевых зонах показаны на рис. 4.20. Ламинирование с фальцовкой (быстро фиксирующее приспособление) показано на рис. 4.21.
4 Последовательность процесса термоформования 111 Рис. 4.20. Виды ламинирования при адгезионном ламинировании на термоформовочных машинах: а) ламинирование до бордюра; Ь) ламинирование, включая бордюр, при В : Г> 2 : 1; с) ламинирование, включая 2-3-мм сгиб U без фиксирующего устройства, при В : 7> 2,5 : 1; d) ламинирование сгиба U до 10 мм шириной с фиксирующим устройством; 1 — ламинат; 2 —- ламинируемое изделие; 3 — оправка; U — сгиб ШШ^ \ZJ-^zA^M2ZZZh Ь) с) d) Рис. 4.21. Ламинирование с фальцовкой: а) ламинирующий инструменте вдвигающимися вставками стола; Ь) вставки стола вдвинуты; с) фрагмент позиции a; d) фрагмент позиции Ь; 1 — верхняя рама; 2 — нижняя рама; 3 — движущийся фиксирующий стол; 4 — фиксирующая оправка; 5 — стол; 6 — ламинат; 7 — ламинируемое изделие
112 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Последовательность процесса: • нагревание; • предварительное всасывание (провисание), предварительный раздув (используется редко); • подача ламинирующего инструмента с вдвигающимися вставками стола в ламинат (рис. 4.21); • включение вакуума; • движения вставок стола внутрь; • охлаждение; • отключение вакуума и проветривание; • извлечение из формы. 4.4.2 Ламинирование воздухопроницаемыми материалами Воздухопроницаемые материалы не могут перерабатываться вакуум- или пневмоформованием сами по себе. Давление контакта может формироваться, например, с помощью герметичной листовой резины (рис. 4.22). При использовании контактных клеев ламинирование может проводиться без подогрева ла- мината. В одном из вариантов процесса необходимая резиновая ткань (обычно на основе силиконового каучука) прикрепляется с обратной стороны верхней рамы. Она также может контактировать со вспомогательным пуансоном; в этом случае к последнему прикрепляют контроправку с идентичной конфигурацией. Чтобы получить равномерное давление контакта, поверхность контроправки покрывают эластичным вспененным листом. а) Ь) Рис. 4.22. Ламинирование воздухопроницаемых материалов с помощью листовой резины: а) схема процесса; to) узел А (см. позицию а); 7 — ламинируемая формовка; 2— опорный инструмент (оправка); 3 — воздухопроницаемый ламинат; 4 — листовая резина
4 Последовательность процесса термоформования 113 Последовательность процесса при установке заготовок вручную (рис. 4.22): • формовку 1 с нанесенным контактным клеем устанавливают на оправке 2; подъемный стол находится в положении «установка»; • устанавливают заготовку ламината; • опускают раму; • стол поднимают вверх; • подают вакуум; • отключают вакуум; • поднимают раму; • удаляют ламинированное изделие. 4.4.3 Облицовка вспененных ПС-контейнеров При облицовке формовок из вспененного полистирола покрытием из ударопрочного полистирола (рис. 4.23) еще горячее полистирольное покрытие соединяется с поверхностью пенопласта; производится негативное формование. ВНИМАНИЕ • в формовке из вспененного полистирола должны быть отверстия для удаления воздуха; !• слишком горячее полистирольное покрытие начинает под- [ плавлять поверхность пенопласта; [• слишком холодное полистирольное покрытие не прилипает к формовке из вспененного полистирола. Рис. 4.23. Облицовка контейнеров из вспененного полистирола: 1 — устройство для предварительной вытяжки; 2 — верхняя рама; 3 — облицовка из ударопрочного полистирола; 4 — верхняя рама; 5 — ламинируемый контейнер; 6 — оправка; 7 — стол FША<?{М c^sssffi^sa 8 За*. 796
114 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ 4.5 Термоформование с помощью двух полуформ При термоформовагши воздухонепроницаемых вспененных материалов, таких как полиэтиленовые пены, возникает проблема, поскольку многие вспененные материалы расширяются при нагревании. Применение двухстороннего вакуума (рис. 4.24) способствует тому, что обе стороны материала формуются в детали с четкой формой. Толщина нагретого материала должна соответствовать максимальной толщине готового изделия. Воздухопроницаемые термопластичные материалы (нетканые материалы, ткани, ковры, открытоячеистые пены) могут термоформоваться с помощью формы и контрформы (ответной формы) без вакуума. После нагревания материал формуется механически с помощью формы на нижнем столе и контрформы соответствующей конфигурации на верхнем столе (или на вспомогательном пуансоне, позитивная/негативная). В зависимости от способности к растяжению материал может или оставаться жестко зажатым в прижимной раме, или имеет возможность выскальзывать. Во многих случаях также возможна усадка (за счет сжатия). I W////A W/ZZZj \4\WNI | BWW^N Рис. 4.24. Термоформование воздухонепроницаемых пен за счет двухстороннего контакта с формами: 7 — верхняя полуформа; 2—нижняя полуформа; 3 — вакуум 4.6 Термоформование прозрачных формованных изделий 4.6.1 Термоформование прозрачных формованных изделий сложной формы, требующих очень высокой местной вытяжки Абсолютную прозрачность формованных изделий очень трудно получить в обычном процессе термоформования. Каждый контакт материала с поверхностью инструмента влияет на прозрачность.
4 Последовательность процесса термоформования 115 Однако могут быть получены удовлетворительные результаты при следующих условиях: • инструмент изготовлен из алюминия; • температура инструмента как можно более высокая, только несколько ниже температуры стеклования полимерного материала; • поверхность инструмента полированная; • удаление воздуха из протяженных плоских областей необходимо проводить только при очень слабом отсосе; • по возможности, вспомогательный пуансон должен быть сконструирован как каркасный инструмент для того, чтобы на большой площади избежать контакта. ВНИМАНИЕ При термоформовании абсолютно прозрачных изделий необходимо попытаться создать как можно меньшую воздушную прослойку между формованным изделием и формующим инструментом. Таким образом, для оптимальной прозрачности всегда требуется длительное время охлаждения. 4.6.2 Термоформование с помощью свободного отсоса или раздува Метод переработки с помощью свободного отсоса показан на рис. 4.25. Ва- куумирование прерывают при помощи светового барьера, таким образом задавая глубину отсоса и/или высоту изделия. В большинстве случаев максимачь- ная глубина вытяжки должна равняться половине диаметра или ширины формованного изделия. Последовательность процесса: • нагревание; • поднятие инструмента (камеры для отсоса) вверх; • включение вакуума; • охлаждение вентилятором; • извлечение из формы и немедленная обрезка для снижения деформации и остаточных напряжений. Метод переработки раздувом показан на рис. 4.26. Ограничитель, положение фотоэлемента или датчика, контролирующего высоту пузыря, определяют конфигурацию готового изделия.
116 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Рис. 4.25. Термоформование путем свободного отсоса: / — верхняя рама; 2— нижняя рама;3— форма; 4 — световой барьер Последовательность процесса: • нагревание; • раздув; • охлаждение; • извлечение из формы, сопровождаемое немедленной обрезкой. Воспроизводимость конфигурации пузыря существенно зависит от разно- толщинности полимерного материала. 4.6.3 Сочетание механического формования с независимым раздувом Если в краевой области требуется определенная конфигурация, а в центре- конфигурация наподобие пузыря, края могут быть сформованы механически инструментом и контринструментом (вспомогательным пуансоном). Центральная часть может раздуваться отдельно (рис. 4.27). Высота пузыря регулируется фотоэлементом или датчиком. ■ ■ ■ I „ , , ■ Рис. 4.27. Термоформование светового фонаря с механически отформованной внешней кромкой: / — контринструмент; 2 — стол; 3 — инструмент t Рис. 4.26. Термоформование путем свободного раздува: / — емкостный конечный выключатель (датчик); 2 — световой барьер; 3 — ограничитель
4 Последовательность процесса термоформования 117 Порядок проведения процесса: • нагревание; • вспомогательный пуансон опускается вниз; • стол поднимается; • раздув. [ВНИМАНИЕ |Цля предотвращения трещин в последующем необходимы: h термостатируемый или изготовленный из дерева инстру- f мент и контринструмент; |» если зажимной фланец не отрезается, то зажимную раму тоже необходимо термостатировать; {• если зажимной фланец обрезается, раму необходимо нагреть перед формованием, и формовка должна быть обрезана сразу после формования. 4.6.4 Термоформование с применением каркасного инструмента Каркасный инструмент, также известный как инструмент рамной конструкции (рис. 4.28 и 4.29), используется для производства окон автоприцепов, колпаков для соляриев, крышек для морозильных камер и подобных изделий. Можно изготавливать только формованные изделия простой геометрической формы. Материал вытягивается просто с помощью механических средств на каркасных формах. Кромки и прилегающие области в готовом изделии являются результатом конфигурации этих форм. У Рис. 4.28. Форма и пуансон каркасной конструкции: / — вспомогательный пуансон; 2 — форма; 3 — верхняя рама; 4 — нижняя рама Рис. 4.29. Термоформование путем вытяжки на форме рамной конструкции без пуансона и без вакуума из прижимной рамы (каркасная форма изготовлена из полосовой стали)
118 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Порядок проведения процесса: • нагревание; • вспомогательный пуансон опускается вместе с наружной рамой; • стол поднимается вместе с формой для внутреннего контура; • при необходимости применяется слабый раздув воздухом; • охлаждение. На рис. 4.29 показана форма в виде рамы из полосовой стали, а на рис. 4.30, а каркасная форма. Соответствующее термоформованное изделие изображено на рис. 4.30, Ь. а) о) с) сО Рис. 4.30. Термоформование с помощью каркасной формы: а) каркасная форма; о) формованное изделие; с) неровная поверхность после охлаждения без раздува; d) поверхность немного выпуклой формы за счет дополнительного поддува при охлаждении % ВНИМАНИЕ Плоские, горизонтальные, свободно охлаждаемые поверхнО' сти деформируются и обычно становятся неровными (рис. 4.30, с) В таких случаях поверхность делают преимущественно выпуклой применяя небольшое давление воздуха (рис. 4.30, d). Это особе важно для глянцевых поверхностей. Поверхность с небольшой выпуклостью за счет поддува воздуха имеет лучший внешний вид чем неровная волнистая поверхность. 4.6.5 Термоформование при низких температурах формования Изделия простой конфигурации с очень большими радиусами, типа стекол для легковых и грузовых машин, могут быть отформованы, как показано на рис. 4.31, при более низкой, чем обычно, температуре формования. Может быть применено следующее эмпирическое правило: ТФ т +т 1 мтр т 1 фв где Тф — температура формования; ГМТР — максимальная текущая рабочая температура; ГФВ — температура формования при вакуумировании.
4 Последовательность процесса термоформования 119 ъ= шп Ь) Рис. 4.31. Формование изделий простой конфигурации с большими радиусами: а) формование деталей остекления на форме из дерева или смолы, у которых ровная поверхность ламинирована кожей; Ь) высота кромки термоформующего инструмента правильная, хорошее воспроизведение кромок; с) высота кромки на термоформовочном инструменте неверная, кромки не формуются; 1 — верхняя рама, 2 — материал или готовое изделие, 3 - зажимной фланец и боковую кромку формы ■ форма; f-f — линия, соединяющая Выбор более низкой температуры со стороны, соприкасающейся с инструментом, по сравнению с другой стороной, является в этом случае преимуществом. Инструмент может быть изготовлен из дерева или смолы, причем гладкие поверхности должны быть ламинированы перчаточной тканью. Правильная и неверная конструкции формы фланца показаны на рис. 4.31, Ь и с. Порядок проведения процесса: • механическая вытяжка на форме без вакуума; • охлаждение без вентилятора, при необходимости используют вентилятор с запаздыванием; • обрезка сразу после съема изделия, если возможно. 4.6.6 Термоформование изделий с элементами абсолютно прозрачных смотровых панелей Этот метод используется, например, для блистерных упаковок, навесов, деталей помещений. Возможности метода показаны на рис. 4.32. ВНИМАНИЕ На полученном «обычным способом» изделии прозрачной mcj жет быть область, не контактирующая с инструментом. Здесь важ но создать небольшую воздушную подушку в той области, которй должна остаться совершенно прозрачной. Такого положени! можно достигнуть только при увеличении времени машинное цикла.
120 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Важные рекомендации для проведения процесса • 1\4атсриал необходимо формовать при возможно более низких температурах. Контактирующая с формой сторона материала должна быть в любом случае более холодной, чем противоположная сторона. • Должно допускаться получение менее четкого отпечатка формованного изделия в непрозрачных частях. Радиус R у основания (рис. 4.32) на форме гарантирует равномерное формование контура при переработке материала при относительно низкой температуре. • Для материала толщиной, превышающей 2 мм, вся поверхность формы полируется. Не должно быть никаких отверстий для отвода воздуха в смотровой области. Отсос применим только в зоне радиуса основания R через отверстия для отвода воздуха или щели. Чтобы свести следы охлаждения на изделии к минимуму, требуется предварительный раздув. Инструмент должен вводиться в пузырь при высокой скорости стола и только с применением медленного отсоса. Если воздушная подушка между материалом и инструментом остается слишком большой, поверхность инструмента должна постепенно загрубляться в зоне радиуса RЛ (рис. 4.32, с) в направлении вытяжки материала до тех пор, пока оставшийся воздух не будет в достаточной степени удаляться через шероховатые края в верхней части изделия. В различных вариантах без отсоса радиус RA может также быть заменен фаской под углом 45°. • Для материала толщиной до 2 мм, например, для блистеров из пленки толщиной от 0,25 до 0,8 мм, рекомендуется более дешевое решение для такой конструкции формы (рис. 4.32, d): — дуговой радиус R (где это возможно); — угол краевой фаски выбирается под углом 45° при а > 2 мм; — полированная поверхность инструмента; — поверхность с полированным покрытием инструмента (L/ml • 5;W), х~ 2 мм; остальные части формы обрабатываются пескоструйной установкой — в них входят боковые стенки, кромочные фаски а, кромки .г верхней части, зона вокруг радиуса основания R, а также область фланца и/или опорной плиты; — в области х (рис. 4.32, d) должно быть обеспечено по возможности максимальное число маленьких отверстий для отвода воздуха диаметром 0,5-0,6 мм при расстоянии от 10 до 20 мм между отверстиями. Недостатком этих отверстий для воздуха является наличие следов, остающихся на готовом изделии. Качественно лучшим решением являются щели для отсоса, показанные на рис. 4.32, е, где используется полированная плита (L/w/ • В/1Ы), а остальная поверхность обрабатывается пескоструйной установкой.
4 Последовательность процесса термоформования 121 При предварительном раздуве или предварительном всасывании пузыря высота раздува должна быть ограничена поверхностью, ламинированной резиной, силиконовой резиной или тканью. Расстояние от ламинированной поверхности до формы — 3-8 мм, в зависимости от размеров формы. На очень большую плоскую горизонтальную поверхность видовой панели размером от 100 мм и выше необходимо наносить буквы или подобную гравировку, таким образом улучшая отсос воздуха с этой плоской поверхности. -& К щ т 0Q 3X45* LxB Я^ // W//A а) Ь) LxB ,-fl я / X t-polx Bpol ' ' щ d) е) Рис. 4.32. Термоформование изделий с прозрачными видовыми панелями: а) формованное изделие; Ь) позитивная форма; с) узел А на рис. 4.32, Ь при варианте конструкции без отсоса на видовой плоскости, радиус RA может быт i. заменен фаской под углом 45"; d) узел А на рис. 4.32, Ь при варианте конструкции с отверстиями для отсоса в периферийной области видовой панели; е) сечение А для рис. 4.32, о при варианте конструкции со щелями для отсоса в периферийной области видовой панели; 1 — абсолютно прозрачная видовая панель
122 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ 4.7 Специальные процессы в термоформовании 4.7.1 Процесс формования сдвоенных листов В процессе формования сдвоенных листов происходят нагрев, формование и сварка двух листов одновременно. На рис. 4.33 показан одновременный односторонний нагрев двух листов на однопозиционной машине. На термоформовочных машинах со станцией предварительного нагрева и двумя нагревателями на станции формования оба листа могут быть нагреты с двух сторон. Однако после нагревания только один лист транспортируется к станции формования для формования и сварки. Рис. 4.33. Процесс формования сдвоенных листов: а) нагревание двух листов в термоформовочной машине общего назначения; Ь) термоформование и сварка в процессе формования днойного листа; с) формованное изделие из сдвоенных листов перед обрезкой; 1 — верхняя гюлуформа; 2 — верхний нагреватель; 3 — верхняя рама; 4 — верхний лист материала; 5 — промежуточная рама; 6 — нижний лист материала; 7 — нижняя рама; 8 — нижний нагреватель; 9 — нижняя полуформа; 10 — вакуум; /1 — сжатый воздух Оборудование машины: • должно быть обеспечено подведение вакуума к вспомогательному пуансону, двум негативным формам и к столу;
4 Последовательность процесса термоформования 123 • одна промежуточная рама, по крайней мере, с одним отверстием для подвода воздуха для возможности «поддува» во время процесса формования больших поверхностей формования; • при нагревании должно контролироваться провисание. Порядок проведения процесса формования сдвоенных листов с ручной загрузкой: • установить нижний лист в нижней зажимной раме; • поднять вверх раму с промежуточной рамой, установленной в позиции загрузки; • установить верхний лист в промежуточной раме и закрыть ее; • подвести нагреватели, причем каждый лист нагревается индивидуально; • вернуть нагреватели в исходное положение; • поднять стол с формой вверх, одновременно опустив вспомогательный пуансон; • подать вакуум к столу и вспомогательному пуансону; • охладить; • снять с формы; • поднять раму и удалить формовку. Преимущество процесса формования сдвоенных листов состоит в том, что нет необходимости в их последующем соединении склейкой или сваркой. Недостатки процесса формования сдвоенных листов: • ограничены возможности конструкции; • применение вспомогательного пуансона невозможно на стандартных машинах; • при больших степенях вытяжки необходимо смириться с плохим распределении толщины стенок; • жесткость готового изделия снижается из-за очень высокой температуры формования. Значительно более короткое время цикла достигается на термоформовочных машинах с двумя станциями нагрева, в которых каждый из листов может быть нагрет с двух сторон. Больше нагревают те области, которые позднее свариваются. Наиболее важные параметры, влияющие на хорошее сварное соединение, — давление при сварке и время выдержки сварного шва. Обычные давления при сварке (давление прижима) во время процесса формования сдвоенных листов: • при обрезке с кромками: от 0,15 до 0,5 МПа; • при обрезке без кромок: более высокие давления до 15 МПа. Если при формовании сдвоенных листов требуются высокое давление сварки и ппевмоформование для достижения хорошей четкости отпечатка н качест-
124 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Рис. 4.34. Инструмент для формования сдвоенных листов с системой запирания с высокими усилиями запирания: 7 — система запирания С //~////7//////;л Рис. 4.35. Обрезка (отсекание кромок) в форме для формования сдвоенных листов: а) обрезка кромок а готового изделия при давлении сварки 0,15 МПа; Ь) обрезка кромок а готового изделия при давлении сварки 0,5 МПа; с-е) схемы конструкций для отсекания кромок при бескромочной обрезке и при давлениях сварки от 5 до 15 МПа ва поверхности, то необходимые усилия должны быть обеспечены либо высокими усилиями прижима на термоформовочной машине, либо зажимным инструментом. Преимущество последнего варианта (рис. 4.34) в том, что он может подходить для стандартных машин: машина только должна выдерживать вес инструмента, но не усилие прижима. На рис. 4.34 усилие прижима воспринимают колонны. Усилие самого прижима создается за счет хода цилиндров сильфона, чтобы обеспечить обрубку сваренной части. Сварные швы получают в соответствии с опытом, полученным при выдувном формовании. В качестве предложений см. схемы на рис. 4.35. 4.7.2 Двухкамерный метод (формование с обратным контуром) 'еометпии , {Пра,тоР!ппые поддоны) часто необходимо разрабатывать точной стопоГ С„В"утре,,неи CT°P°™ - Для частей несущих элементов, а с внешней ^нГй .;ч^?Гг,,ортировки паллсты-Для этой цел"необходим двухстп lldKT С HHCTDVMPH-rr»», Гг. ... , м ггпкЯЗаН0' >). На рис. 4.3о покал" рониий контакт г «,".^""Р",нии,ЧИ 1ШЛЛеты- Для э™й цели необходим
4 Последовательность процесса термоформования 125 Рис. 4.36. Двухкамерный метод формования с обратным контуром: а) открытая станция формования; Ь) закрытая форма; с) готовое изделие; d) запирающая кромка для вакуумформования (узел А из рис. 4.36, о); 1 — запирающая кромка; 2 — верхняя полуформа; 3 — верхняя рама; 4 — материал; 5 — верхняя рама; 6— нижняя полуформа; 7—стол; 5—впускные отверстия (атмосферное давление); 9 — вакуум; 10 — материал, контактирующий с верхней полуформой 2; 11 — материал, контактирующий с нижней полуформой 6 Порядок проведения процесса при двухкамерном методе (формование с обратным контуром): • нагревание; • предварительный раздув; • нижнюю форму поднимают, а верхнюю форму опускают; две формы зажимают горячий материал вплотную к запирающим кромкам d; • верхняя форма формирует область внутри запирающих кромок, поэтому необходимо обеспечить возможность для подвода воздуха через отверстие в нижней форме (в то же время область снаружи от запирающих кромок формируется нижней формой); • охлаждение; • извлечение из формы.
126 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ 4.7.3 Термоформование воздухопроницаемых материалов с использованием резинового полотна Когда воздухопроницаемые материалы необходимо формовать методом ва- куумформования (рис. 4.37), необходимо использовать воздухонепроницаемое резиновое полотно. Порядок проведения процесса при термоформовании с помощью резинового полотна: • устанавливают материал; • закрывают раму; • нагревание (но может использоваться только нижний нагреватель!); • отодвигают нагреватель; • поднимают форму; • включают вакуум, это заставляет резиновый лист прижимать материал к формующему инструменту; • охлаждение; • извлечение из формы. Преимущество: не требуется контрформа! Недостаток: более длительное время нагрева и охлаждения, поскольку резиновое полотно должно нагреваться и охлаждаться в каждом цикле.  т w тт "г -о Г' Ь) Г D- с) f. Рис. 4.37. Термоформование воздухопроницаемых материалов: a-с) стадии процесса; 1 — верхняя рама; 2 — резиновое полотно устанавливается на верхней раме; 5 - ницаемый материал; 4 — нижняя рама; 5 — форма; 6 — нижний нагреватель; 7 - ■ воадухопро- - вакуум
4 Последовательность процесса термоформования 127 4.7.4 Термоформование листов с двойными стенками Листы с двойными стенками (сотовые) могут формоваться только на формах с очень большими радиусами, потому что внутренние перегородки не могут выдерживать большие деформации (рис. 4.38). В любом случае рекомендуется определить возможные пределы формования на опытной форме. а) ш Ь) Рис. 4.38. Ограничения для формования листов с двойными стенками: а) желателен большой радиус формования Я; Ь) деформация внутренних перегородок, вызванная неблагоприятными условиями формования 4.7.5 Термоформование двух листов, один из которых помещен над другим Принципиально возможно термоформование двух суперпозиционных (наложенных) листов (рис. 4.39), но необходимо принять во внимание следующее: • листы должны иметь примерно равную толщину; • листы необходимо устанавливать тщательно, чтобы как можно меньше воздуха проникло между ними; • время нагревания верхним и нижним нагревателями должно соответствовать толщине листа; • более благоприятно позитивное формование; • при негативном формовании требуются пуансоны; • для каждой формовки захваченный воздух будет оставаться между листами, сваренными вместе в процессе формования; • из-за этого оставшегося воздуха неизбежно более плохое качество; • для листов, склеенных заранее, остаток растворителя приведет к газообразованию, поэтому эти два листа будут «раздуты по отдельности» уже в начале процесса нагревания. / Рис. 4.39. Термоформование двух наложенных листов: 7 — пуансон; 2 — захватываемый воздух
128 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Захватываемый воздух является типичным недостатком описываемого метода. 4.7.6 Компрессионное формование — пленочные шарниры, штампы с датой, швы Термопласты в виде пленок или фольгированных материалов, листа и даже вспененные могут подвергаться компрессионному формованию во время процесса термоформования, пока находятся в высокоэластическом состоянии (рис. 4.40-4.42). Компрессионное формование используется, например, для формирования пленочных шарниров, штампа с датой, швов или локального сдвига в формованных изделиях при термоформовании. Поскольку усилия сжатия являются высокими, штамповке могут подвергаться только относительно небольшие площади. В большинстве случаев должно быть определено давление штамповки, чтобы гарантировать, что термоформовочная машина не будет перегружена, и решить, выполнимо ли компрессионное формование вообще. Рис. 4.40. Штамповка тиснения на фланце: 1 — штамп для тиснения; 2 — формовка Рис. 4.41. Компрессионное Рис. 4.42. Штамповка тис- формование шарнира на вспе- неного клейма: ненном материале: . г 1 — вспомогательный пуансон в 1 — линия канавки; 2— формов- качестве контрштампа; 2 — мака териал; 3 — тисненая вставка, например, для маркировки даты 4.7.7 Запрессовка закладных деталей Небольшие закладные детали типа рифленых гаек, болтов и подобные им могут запрессовываться в большинство изделий в процессе термоформования (рис. 4.43). ВНИМАНИЕ Материал вставок должен иметь хорошую теплопроводность, а также важен вопрос свободного отсоса для того, чтобы закладная деталь идеально запрессовывалась.
4 Последовательность процесса термоформования 129 а) Ь) с) Рис. 4.43. Запрессовка закладных деталей: а) форма и установочная шпилька для запрессовки гайки; Ь) запрессованная гайка на форме; с) готовая деталь с запрессованной гайкой; 7 — гайка, например, рифленая; 2 — установочная шпилька на форме; 3 — форма; 4 — формовка 4.7.8 Термоформование армированных длинноволокнистым наполнителем термопластов путем механического формования между формой и контрформой Длинные волокна (например, стеклянные волокна) могут только выпрямляться, но не растягиваться. Поэтому наполненный длинными волокнами материал должен скользить вдоль (зажима) во время термоформования (рис. 4.44). Порядок проведения процесса термоформования армированных длинным волокном термопластов: • нагревание материала; • перемещение материала к формующей станции; • закрытие формы и контрформы так, чтобы материал растягивался и механически формовался; • охлаждение; • извлечение из формы. Для очень сложной конфигурации изделия или если материал требует полного двустороннего контакта его поверхности с инструментом, требуются очень высокие усилия прессования. Перед изготовлением формующего инструмента желательно рассчитать распределение толщины по моделирующей программе, чтобы свести к минимуму затраты на производство формообразующего инструмента. I \S /V7 / / Л Т } / / /У7Т71 Рис. 4.44. Механическое позитивное формование, позволяющее вытянуть и прижать материал: 1 — пуансон и/или контрформа; 2 — зажимное устройство для регулирования вытяжки и прижима; 3 — верхняя рама; 4 — материал; 5 — нижняя рама; 6 — форма 9 За*. 796
130 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ 4.7.9 Термоформование армированных длинным волокном термопластов — предварительное формование путем механической предварительной вытяжки и формования сжатым воздухом Если требования к качеству поверхности лицевой стороны изделия являются очень высокими, а вакуумное формование не обеспечивает их, применяют пневмоформование (рис. 4.45). Порядок проведения процесса: • фиксация материала; • нагрев материала; • перемещение материала к формующей станции; • механическая предварительная вытяжка мгггериала, позволяющая его быстро «зафиксировать»; • изоляция пневмокамеры герметично с пневмоколоколом; • применение сжатого воздуха для формования (на рис. 4.45 лицевой является сторона, контактирующая с термоформующим инструментом, то есть нижней формой); • охлаждение; • извлечение из формы. Рис. 4.45. Негативное формование армированных длинным волокном термопластов с предварительной вытяжкой, позволяющей зажать материал (формование сжатым воздухом): 1 — подвод сжатого воздуха; 2— пмевмоколо- кол; 3 — пружинный нижний держатель для фиксации материала; 4 — армированный длинными волокнами термопластичный материал; 5 — форма и/или нижняя полуформа; 6 — устройство для предварительной вытяжки и/или верхняя полуформа
4 Последовательность процесса термоформовани 131 4.8 Термоформование комбинированным формующим и вырубным инструментом 4.8.1 Формующий/вырубной инструмент со сдвиговой обрезкой На рис. 4.46 показан комбинированный формующий и вырубной инструмент со сдвиговой обрезкой. Порядок проведения процесса формования и вырубки: • транспортировать нагретый материал в открытую форму; • закрыть форму (полуформа с закладным элементом является подвижной, другая полуформа неподвижна); при закрытии начинается вырубка материала с помощью вырубной плиты и вырубного пуансона, а кромки формованного изделия захватываются нижним держателем; • ввести пуансон в нижнюю полуформу; происходит предварительное формование зафиксированного материала с помощью механической предварительной вытяжки; • формующий воздух подается во время движения пуансона, и изделие формуется при давлении от 500 до 700 кПа E-7 бар); • охлаждать до тех пор, пока температура формованного изделия в его самой толстой части (обычно в зоне фланцев) не опустится ниже температуры стеклования, чтобы изделие можно было бы извлечь из формы без деформации; • отключить формующий воздух; • вырубка за счет движения штампа; готовое изделие вырубается за счет поднятия нижней полуформы примерно на 0,8 мм; • формующий инструмент открывается путем опускания нижней полуформы; • удаление вырубленного изделия при вертикальном движении основания выталкивателя. Преимущества комбинирования формование/вырубка сдвиговой обрезкой в одной установке: • точная обрезка, сооспая с изделием («смещение» при обрезке равно нулю); • чистая, гладкая обрезная кромка, то есть не остается обязательных перемычек, задирой на изделии, нет пыли или облоя при штамповке; • длительный срок службы инструмента: от 1,5 до 3,5 млн штамповок перед перешлифовкой штампа.
132 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Факторы, влияющие на распределение толщины стенок формованного изделия: • геометрия пуансона (пуансон служит для предварительной вытяжки); • ход пуансона; • материал пуансона; • температура пуансона; • начало подачи формующего воздуха в соответствии с движением пуансона; • температура материала во время формования, где температура верхней поверхности может быть так же важна, как температура обратной стороны; • сумма поперечных сечений всех отверстий для отвода воздуха как функция объема воздуха, вытесненного за время формования. Далее на примере круглого формованного изделия показаны факторы влияния (рис. 4.47). Рис. 4.46. Установка для формования и вырубки со сдвиговой обрезкой: 1 — верхняя плита; 2 — сжатый воздух для нижнего держателя; 3 — промежуточная плита верхней части инструмента (охлаждающая рубашка); 4 — формующий воздух (сжатый воздух для процесса формования); 5 —устройство для предварительной вытяжки; 6 — нижний держатель; 7 — охлаждающая вода для плиты штампа; 8 — плита матрицы (основание штампа); 9 — материал; 10 — вырубной штамп (верхний штамп); 11 — охлаждающая вода для нижней полуформы; 12 — вставка в инструмент; 73 —отформованное изделие; 14 — основание выталкивателя; 15 — охлаждающий блок, нижняя полуформа (охлаждающая рубашка); 16 — плита-основание D* Рис. 4.47. Конструкция пуансонаД"я формующего и вырубного инструм
4 Последовательность процесса термоформования 133 Влияние конфигурации пуансона Конфигурация пуансона (рис. 4.47) может быть определена с помощью следующих известных значений. Применим следующее уравнение для расстояния а между пуансоном и формой: а = 1,5 -5 + A-3мм), где 5 — толщина материала. Внешний диаметр Ds пуансона для предварительной вытяжки является функцией внутреннего диаметра нижнего держателя DN, поэтому получаем Ds = Dx - B-4 мм). Радиус основания R зависит от применяемого термоформуе- мого материала. Маленький радиус основания i?, выбран для материалов с низким кинетическим трением, типа ПС, УПС, ПЭТ, ПВХ, а большой радиус основания R2 — для материалов с высоким кинетическим трением, подобных ПП: i?, = 5-6 мм, 7?, = 10-20 мм и выше. ВНИМАНИЕ Чем меньше радиус основания пуансона R, тем будет толще дно изделия, и наоборот. Область дна становится более тонкой при увеличении радиуса пуансона R. Когда используется пуансон с маленьким радиусом основания R, наиболее тонкое место на формованном изделии находится около основания боковой стенки (рис. 4.48, а) и в углу основания формовки (рис. 4.48, Ь), или в области зажимного фланца при использовании пуансона с боль шим радиусом основания R. а) Ь) Рис. 4.48. Распределение толщины стенки в области основания: а) радиус пуансона слишком мал; Ь) радиус пуансона слишком велик; / — пуансон; 2 — формованное изделие; 3 — форма
134 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Рис. 4.50. Увеличение толщины боковой стенки, если радиус Я маленький, а расстояние до пуансона Ь слишком велико Влияние хода пуансона В исходном положении при закрытой форме пуансон не должен касаться зажатого материала перед началом его движения. Когда пуансон достигнет конечного положения (самая нижняя точка), расстояние а от основания (рис. 4.47) должно приблизительно соответствовать следующему значению: а = 1,5-s + A-2mm). Пуансон ни в коем случае не должен заходить до такой степени, чтобы материал прижимался к дну формы. Способ определения этого зазора при моделировании с помощью глины демонстрируется на рис. 4.49. Если для получения меньшей толщины основания глубина вхождения пуансона слишком мала, результатом может стать неравномерная толщина стенок (рис. 4.50). Влияние материала инструмента В табл. 2.4 рекомендованы материалы для изготовления пуансона для предварительной вытяжки, которые применяют для формования полимерных материалов. Сочетания несовместимых материалов необходимо избегать. Если при термоформовании материала из IIП используют покрытый войлоком пуансон для предварительной вытяжки, то основание чашки окажется слишком толстым из-за грубой поверхности войлока. При применении покрытия из ПТФЭ (например, тефлона) пуансона для предварительной вытяжки основание чашки при термоформовании ударопрочного полистирола будет слишком тонким. Это также произойдет при подаче формующего воздуха в момент, когда пуансон достигнет своего конечного положения. В табл. 4.1 даны рекомендации по подбору материалов для устройств предварительной вытяжки при использовании для формования полимерных материалов, в основном перерабатываемых на машинах с рулонной загрузкой. Рис. 4.49. Определение точного зазора между пуансоном и основанием формы с помощью пластилина (зазор а = толщине сжатого пластилина)
4 Последовательность процесса термоформования 135 Для многослойного материала с наружным слоем из ПЭ, где сторона из полиэтилена контактирует со вспомогательным пуансоном, должны использоваться пуансоны из ПТФЭ. Таблица 4.1 Материалы для устройств предварительной вытяжки, используемых на машинах с рулонной загрузкой Формуемый материал УПС Slyrolux ПП ПП (совершенно прозрачный) ПВХ ПВХ (совершенно прозрачный) ПЭТ ПЭТ (совершенно прозрачный) ПОМ X X X X X Man ■сриал вспомогательного Отверждаемый войлок X X i nyai icona Синтаксическая пена'* X X X X X ' Стеклянные сферы, инкапсулированные в эпоксидной смоле. Ниже приводятся свойства некоторых конкретных материалов для пуансонов предварительной вытяжки. Полиоксиметилеи (ПОМ), например, делрин (DuPont), ультраформ (BASF), хостаформ (Hoechst): • рентабельный материал для вспомогательного пуансона; • обрабатывается без проблем; • наилучший материал для совершенно прозрачных изделий; • не подходит для поливмнилхлорида; • низкое время выдержки при высокой температуре, максимальная температура 110-120 "С, поверхность разглаживается, становится коричневатой и растрескивается; • в большинстве случаев поверхность должна повторно загрубляться через каждые 30-100 ч работы, за исключением полированных пуансонов для совершенно прозрачных изделий; • при переработке полистирола из-за охлаждения возникают трудности при запуске, если вспомогательный пуансон холодный. Отверждаемый войлок (отверждаемый композицией 647, фирмы Filzfabrik Fulda, может поставляться в листах толщиной до 80 мм; неотвержденпые плиты
136 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ из войлока толщиной выше 80 мм могут быть «поверхностно отвсрждены» низковязким праймером Clou): • никаких проблем с работой на материалах из ПС и ПВХ; • не подходит для прозрачных материалов из-за различных видов меток на формованном изделии, непригоден для ПП из-за прилипания к материалу; • простое соединение со штоком пуансона для предварительной вытяжки; • среди предлагаемых материалов войлок является наиболее дорогим материалом. Синтаксическая пена (например, Syntac 350, продукт фирмы Emerson &Cum- ming, США): • универсальна для применения, небольшое исключение — совершенно прозрачные изделия; • образует пыль при резке; • также доступна в литьевой модификации Syntac 351; однако сам процесс отливки является очень сложным процессом. Влияние последовательности процесса формования или синхронизация подачи формующего воздуха и движения пуансона Зажатый материал предварительно формуется с помощью пуансона за счет механического формования сразу после закрытия формы. Если движение пуансона начинается рано, то есть раньше, чем зажимается материал (рис. 4.51), он, вероятно, может вовлечь в формование небольшое количество нового кромочного или пристенного материала. Но мы не советуем это делать по причине соблюдения точной воспроизводимости и хорошего распределения толщины стенок. Если формуют относительно горячий материал, то слишком быстрое движение пуансона может привести к следам охлаждения и неравномерной толщине стенок в краевой области готового изделия (рис. 4.51). Когда формующий воздух включают слишком рано, это способствует слишком быстрому отделению материала от пуансона. Таким образом, пуансон не выполняет своей задачи, несмотря на продолжение его движения. Дно изделия также станет слишком тонким. Если формующий воздух включают слишком поздно, пуансон подаст слишком много материала в основание: тогда дно изделия будет слишком толстым, а стенки изделия слишком тонкие. Рис. 4.51. Невоспроизводимое распределение толщины стенок в зоне кромок, когда пуансон начинает движение до закрытия формы
4 Последовательность процесса термоформования 137 Влияние температуры формуемого материала на распределение толщины стенок Целью является достижение достаточной точности оформления при наиболее низкой температуре формования. При более высоких температурах формования, но такой же последовательности процесса формования дно изделия становится более толстым. Причина: при более высокой температуре в материале остаются меньшие напряжения, а сила трения между пуансоном и листом одновременно увеличивается. Общая площадь поперечных сечений отверстий для отвода воздуха: их влияние на распределение толщины стенок Если суммарная общая площадь поперечных сечений отверстий для отвода воздуха в негативной форме слишком мала, возникает противодавление при входе пуансона в форму. Это увеличивает силу трения между материалом и пуансоном и время задержки отделения материала от пуансона с помощью формующего воздуха. Результат: изделие с более толстым днищем. 4.8.2 Комбинированный инструмент для формования и вырубки для получения бескромочных формованных изделий В противовес стандартному инструменту для формования и вырубки со сдвиговой обрезкой вырубная плита является подвижной, а пуансон неподвижен (рис. 4.52). С Ь) Рис. 4.52. Форма для формования и вырубки для бескромочных формованных изделий: а) форма; Ь) формовка; 1 — вырубной пуансон; 2 — вспомогательный пуансон; 3 — нижний держатель; 4 — готовое изделие перед выталкиванием; 5 — вырубная плита; 6 — выталкиватель
138 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ 4.8.3 Термоформование чашек с углублением в основании Чашки с углублением в основании (рис. 4.53, с) производятся в две стадии: чашка первоначально формуется с вытянутым основанием (рис. 4.53, а). Основание затем вдавливается (рис. 4.53, Ь, слева). Как только заканчивается время охлаждения, изделие удаляется из формы (рис. 4.53, Ь, справа). Ь) с) Рис. 4.53. Производство чашек с углублением в основании: а) форма в позиции «формование»; Ь) форма в позиции «инверсия основания» (слева), форма в позиции «удаление» (справа); с — готовая чашка 4.8.4 Формующий/вырубной инструмент, оснащенный просечной обрезкой Под просечной обрезкой понимают обрезку ножом по твердой оправке. В качестве обрезных ножей наиболее часто используются обрезные контуры со стальными узкими ножами (шпгаищевые ножи), а также могут использоваться кованые ножи или полученные методом электроэрозии. На рис. 4.54 показана комбинированная форма для формования/вырубки со штапцепыми ножами для просечной вырубки. Последовательность проведения процесса формования и вырубки: • нагретый материал помещается в открытую форму; • зажимная рама закрывается, и материал фиксируется; • опорная плита с нижней полуформой перемещается в верхнее конечное положение; • одновременно пуансон верхней полуформы входит в материал без проведения предварительный просечки и предварительно его вытягивает (при
4 Последовательность процесса термоформования 139 необходимости механическое предварительное формование сопровождается предварительным всасыванием, то есть подается вакуум через опорную плиту); • изделие термоформуют с помощью сжатого воздуха, подаваемого через верхнюю плиту, и вакуума через опорную плиту; • формованное изделие охлаждается до тех пор, пока его можно будет извлечь из формы; • формованное изделие вырубается за счет дополнительного просечного движения верхней плиты; • формованное изделие остается подвешенным на перемычках в отдельных точках (непрорезанный паз в просечных ножах); • сегмент формы опускается, а выталкиватель держит формовку в позиции формования, причем пуансон отодвигается от формы позже; • зажимная рама открывается; • соединенное перемычками с обрезными кромками формованное изделие подается на станцию накопителя. Основным преимуществом метода комбинированного формования и вырубки - по сравнению с отдельными операциями на различных станциях - является предотвращение неточности при вырубке. Требования к качеству форм для комбинированного формования/вырубки очень высоки, особенно к допускам по высоте. Допуск по высоте для вырубных ножей должен быть как можно меньше, но рекомендуется максимальное значение ±0,02 мм. Любая последующая «точная настройка» ножей — что вполне возможно и обычно на отдельных станциях вырубки — здесь недопустима. В отличие от вырубного контура в отдельных станциях вырубки обсуждаемые здесь вырубные контуры не нагревают. Срок эксплуатации может достигать до миллиона циклов при комбинировании вырубного инструмента со встроенными ограничителями. Рис. 4.54. Формующий и вырубной инструмент с просечной вырубкой (слева — предварительное формование; справа — вырубка): 7 — верхняя плита; 2— верхняя зажимная рама; 3 — вырубной контур со штанцевыми ножами; 4 — вырубной лист; 5 — устройство для предварительной вытяжки; 6 — фрагмент формы; 7 — выталкиватель (основание формы); 8 — охлаждаемая плита; 9— нижняя зажимная рама; 10 — опорная плита; 11 — материал/изделие
140 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ 4.8.5 Формующий/вырубной инструмент, оснащенный зубчатыми ножами Если требования к качеству обрезки не очень высоки, гибкие и вспененные материалы могут вырубаться с небольшим усилием при использовании зубчатых (пилообразных) ножей. На рис. 4.55 показана комбинированная форма для формования и вырубки, оснащенная зубчатым ножом. Рекомендации по конфигурации зубчатых ножей и вырубного зазора приведены на рис. 4.56. г-Ь) Рис. 4.55. Инструмент для формования и вырубки, оснащенный зубчатыми ножами {слева — формование; справа — вырубка): 7 — цилиндр вспомогательного пуансона; 2 — оправка вспомогательного пуансона (поднята вверх); 3 — оправка пуансона формы в положении «сжатие»; 4 — оправка пуансона формы в положении «вырубка»; 5 — цилиндр пуансона в положении «сжатие»; 6 — цилиндр пуансона в положении «вырубка»; 7 — опорная плита для пуансона; 8 — зубчатый нож для грубой вырубки; 9 — верхняя рама; 10 — нижняя рама; 17 — пуансон для механической предварительной вытяжки; 12 — форма; 73 —стол машины (заменитель стола) Рис. 4.56. Зубчатый нож и вырубной зазор: 7 — зубчатый нож (расстояние между зубьями 4-6,5 мм, толщина ножа 1-1,5 мм, угол заточки а = 30-60°; вырубной зазор 3-4 мм, высота ножа Н = 40-150мм); s — толщина формуемого материала Порядок проведения процесса: • фиксация материала; • нагревание материала; • предварительное формование за счет компрессии, причем цилиндрический пуансон выдвигается в позицию «компрессия»; • формование с помощью вакуума; • возврат вспомогательного пуансона и оправки пуансона в исходное положение; • охлаждение;
4 Последовательность процесса термоформования 141 • обрезка зубчатым ножом, который перемещается в вырубном зазоре формующего инструмента; формованное изделие остается соединенным перегородками на выступающих частях обрезаемых кромок; • оправка пуансона возвращается назад; • изделие извлекают из формы, стол машины с формой опускают вниз; • изделие может транспортироваться вместе с обрезаемыми кромками. Например, этот вид грубой вырубки используется для: • вспененных материалов из ПЭ, ПП, ПС при толщине примерно до 20 мм; • ламинированного листа толщиной до 2 мм в полужестком или гибком состоянии, со вспененной подложкой или без нее; • (менее часто) для тонких липких материалов примерно толщиной до 0,3 мм. Ориентировочные значения для усилий резания при вырубке зубчатыми ножами: • для вспененных материалов: около 2000 Н/м длины реза; • для жестких материалов: около 4000 Н/м длины реза. Усилия резания должны определяться на опытных формах. Конструкция вырубного зазора Через вырубной зазор не должен выходить воздух. Но нельзя избежать создания ограниченного вакуума внутри вырубного зазора, поэтому материал будет незначительно затягиваться в зазор. Необходимо изготавливать инструмент для одновременного формования и вырубки как можно более точным, чтобы Рис- 4-57' Крышеобразное распо- / „ .. „ ложение зубчатых ножей для гру- выруонои зазор был плотно притерт. При бой резки- большой длине резания как бы само напрашивается крышеобразное расположение ножей (рис. 4.57). Угол зависит от усилий, развиваемых в термоформовочной машине вспомогательным пуансоном. Длина контакта I, в метрах для углового ножа (рис. 4.57) определяется из уравнения: d I, — длина контакта; s —толщина материала; р — угол наклона L, =■ tan C ■10" где5 — толщина материала, мм; C — угол наклона «крыши» в градусах.
142 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ ПРИМЕР ====================^^ Конструкции зубчатого ножа для грубой обрезки. Предположим, что: Общее усилие резания (цилиндра вспомогательного пуансона) F=10 290H Общая длина резания L = 8 м Толщина разрезаемого материала 5 = 3 мм (ПЭ-пена с плотностью 60 кг/м,! и удельным усилием реза, найденным опытным путем) Fs = 2000 Н/м Вес вырубного инструмента (вместе со столом) G = 250 кг (—2450 Н) Вариант расчета 1 при горизонтальном положении ножа и запасе прочности 5= 1,8 приводит к следующему: L-FS-S^F+G, L-Fs-S=8- 2000 ■ 1,8 = 28 800 Н, F+ G = 10 290 + 2450 = 12 740 Н < 28 800 Н. Усилия резания термоформовочной машины, следовательно, недостаточно для резки материала горизонтальными ножами! Вариант расчета 2 при крышеобразном положении ножей (с таким же запасом прочности 5 = 1,8): количество отдельных ножей х = 16; длина контактирования I, для углового ножа (рис. 4.57). Прих= 16 (отдельные ножи) и S = 1,8 (запас прочности), поэтому: x-LrFs-l,8^F+G, 16 • L, ■ 2000 • 1,8 < 10 290 + 2450 = 12 740 Н, 57 600 -Д< 12 740, ЦК 0,22 м. Угол Р затем рассчитывается как: tanP > y--10-f = 0,01356 или р > 0,78°. i В зависимости от заданных условий структуры инструмента угол наклона «крыши» Р> 0,78° должен быть выбран для каждого из 16 вырубных контуров.
4 Последовательность процесса термоформования 143 4.9 Специальные процессы при термоформовании на машинах с рулонной загрузкой 4.9.1 Ламинирование чашек, тарелок и подносов Контейнеры со стабильными размерами из картона, волокнистых материалов, твердой пены и подобных материалов могут облицовываться в процессе термоформования, как показано на рис. 4.58. Последовательность процесса: • форма открыта; • автоматически устанавливается изделие для ламинирования (часть 1); • форма закрывается; • материал 2 (покрытие) формуется по форме изделия; • вырубка ламинированного изделия; • форма открывается; • изделие выталкивается и/или автоматически укладывается. ВНИМАНИЕ Пленки, которые усаживаются более чем на 0,5-0,6% (например, полипропилен), принципиально не подходят для этого процесса. Высокая технологическая усадка покрытия вызывает отслоение и деформирование изделия. Необходимые условия для ламинирования • Контейнер (чашка), который ламинируют, должен быть совершенно проницаем для воздуха; воздух между ламинируемым контейнером и инструментом должен удаляться достаточно быстро; следовательно, поверхность инструмента должна быть грубо обработана на пескоструйной установке. Отверстия для отвода воздуха с достаточной площадью поперечных сечений должны быть распределены по всей плоскости контакта. В большинстве случаев могут быть сделаны отверстия с большим диаметром 1-1,2 мм, а также более широкие щели @,4-0,5 мм), поскольку они не будут отпечатываться на ламинированном изделии. • При ламинировании внутреннюю часть контейнера и, возможно, даже ламинирующий материал необходимо покрывать клеем для обеспечения хорошего соединения. Однако существуют совместимые пары материалов, хорошая адгезия которых обеспечивается без дополнительной обработки.
144 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ • Адгезионное покрытие должно активироваться при возможно более низкой температуре, то есть количество аккумулированного при термоформовании тепла в ламинирующем материале должно быть достаточным для активации клея и/или гарантировать достаточную адгезию между этими двумя материалами. Прошу отметить: тепло, аккумулируемое материалом, зависит от сорта полимера, толщины материала и его температуры. Практика показала, что достаточная адгезия не обеспечивается для очень тонких ламинирующих и формуемых материалов. Если применение клеевого покрытия ограничено определенными точками контакта, можно также получить ламинированные контейнеры, составные части которых легко отделяются при рециклинге. Преимущества этого процесса: • при ламинировании картонных подносов на картон можно нанести печать, пока он остается плоским, то есть перед ламинированием; • картон может быть «улучшен» с помощью пленки с низкой усадкой, типа ударопрочного полистирола; • подносы, полученные из органических или волокнистых материалов, которые из-за их химической стойкости не подходят для прямого контакта с определенным содержимым, можно ламинировать и сделать пригодными; • для чувствительного содержимого возможно ламинирование барьерными материалами. Рис. 4.58. Ламинирование в форме для формования/вырубки: слева — ламинирование тонким материалом контейнера с фланцем; справа — ламинирование толстым материалом безкромочного контейнера: 1 — ламинируемый контейнер; 2— материал 4.9.2 Этикетирование в формующем инструменте (этикетирование в форме, In Mould Labeling, IML) Художественное оформление или тексты могут наноситься на чашки, стаканы или подносы с помощью печати или этикетировапия. С точки зрения качества на деталях из пластмасс более эффективна лш/жм- ровка, чем прямая печать.
4 Последовательность процесса термоформования 145 Есть два вида способов маркировки: • при «этикетированин вне формы» этикетки с липким слоем приклеивают на готовое изделие в отдельной операции, за пределами формовочного инструмента; • при «этикетированин в форме» этикетки, вложенные в формующий инструмент, не являются самоклеящимися, но на них обычно нанесено клеящее вещество, которое активируется горячим материалом во время процесса термоформования. Последовательность проведения процесса и специальные элементы /ML-npo- цесса (см. рис. 4.59): • форма открыта; • предварительно сформованная этикетка укладывается в форму (этикетка должна «прилипать» к внутренним стенкам формы, например, с помощью вакуума); • чашка формуется внутри этикетки; • форма открывается после проведения процесса вырубки в форме для одновременной формовки/вырубки; • чашка с этикеткой удаляется, а другая этикетка вставляется в форму. Обычные пары материалов для изготовления чашки с этикеткой: • чашка из полипропилена или вспененного ПП и этикетка из вспененного ПП; • стакан из ударопрочного полистирола или вспененного ПС и этикетка из полистирола. Наиболее важные требования к этикеткам: • цена этикетки должна позволять рыночной цене готового изделия оставаться конкурентоспособной; • этикетки должны приобретать достаточную адгезию к изделию либо за счет клеевого покрытия, активирующегося при действии температуры материала контейнера, либо обоих пластиков, склеиваемых без использования внешнего вещества; • этикетка должна быть перфорирована и сетка перфорации должна быть выбрана таким способом, чтобы воздух не оставался между контейнером и этикеткой; • этикетка должна быть настолько гибкой, чтобы онанетолько не препятствовала усадке материала контейнера или изделия, но н не вызывала никакой деформации, в частности, при усадке (лучше всего этим требованиям отвечают этикетки из вспененных материалов); • лицевая поверхность этикетки должна быть максимально гладкой и глянцевой на изделии; • требования к этикеткам в отношении способности к расштабелированию, электростатическому заряду, качеству вырубки и т. д, зависят от того, перерабатываются ли они из пачки или из рулона. 10 Зак 796
146 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Рис. 4.60. Проекция /ML-этикетки в плоскости для прямоугольного контейнера для маргарина Рис. 4.59. Этикетирование в форме (IML) при термоформовании: 1 — формующий воздух; 2 — устройство для предварительной вытяжки; 3 — плита матрицы; 4 — материал контейнера; 5 — этикетка; б — формующий инструмент с режущей кромкой; 7— основание выталкивателя Прошу отметить: такие требования, как «отсутствие деформации чашки» и «гладкая глянцевая поверхность этикетки», обычно являются компромиссом, по крайней мере, при использовании материала контейнера с высокой технологической усадкой (типа полипропилена). Этикетки могут закрывать поверхность формовки полностью или только частично. Плоская закладка этикетки для прямоугольной емкости для маргарина показана на рис. 4.60. 4.10 Термоформование материалов с предварительно нанесенной печатью Требования к печатным краскам: • краска должна подходить к формуемому материалу по адгезии; • краска должна, по крайней мере, быть устойчивой при температуре формования материала без изменения ее оттенка; • краска не должна растрескиваться в процессе растяжения материала и сл- ма должна обладать способностью к вытяжке;
4 Последовательность процесса термоформования 147 • если формуемый материал нагревают контактными нагревателями, защитное покрытие печатных красок должно предотвращать их перенос, а также прилипание к нагревателю. Требования к формуемому материалу: • у некоторых полимеров (таких как ПП, ПЭ) необходимо предварительно обрабатывать поверхность, на которую будет наноситься печать, чтобы обеспечить адгезию печатных красок; • требования к материалу для успешного прохождения через печатную машину должны разъясняться производителями принтера или материала. Наиболее важными являются следующие требования: • не допускается скручивание или коробление разматываемого полотна материала; • если полотно материала раскручивается на горизонтальной поверхности, поверхность полотна не должна быть выпуклой; • линия середины разматываемого полотна длиной 5 м может отклоняться от прямой линии максимально на 3 мм; • допуск по ширине полотна ±0,25 мм; • допуск по толщине материала должен быть как можно меньше, целью является значение допуска < ±0,01 мм; • при нагревании нагревательными элементами провисание материала должно быть минимальным; • материал должен обладать по возможности контролируемыми воспроизводимыми остаточными напряжениями. Продольные и поперечные напряжения могут быть определены при испытании на усадку (см. раздел 2.2.3). Поперечная и продольная линии, начерченные на материале, должны остаться прямыми после прохождения через систему нагрева! Технические требования к термоформовочным машинам • Термоформовочные машины должны работать с воспроизводимой точностью. Важно следующее: — стабильные температурные свойства материала и формующего инструмента; — точная повторяемость последовательности движения. • На машинах для формовки листа требуются вспомогательные устройства для загрузки и/или ограничители на раме. Термоформовочная машина так же, как и печатная машина, должна быть оснащена одинаковыми ограничителями для кромок на формуемом материале. • Автоматические термоформеры с рулонной загрузкой должны обладать контролирующей системой разметки для печати, оборудованной фото-
148 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ элементами, чтобы иметь возможность выравнивать печатный рисунок в соответствии с метками для печати на кромках материала. Требования для искаженной печати Печатное изображение на термоформоваином материале известно как криволинейная печать, потому что ее конечное изображение становится очевидным только после термоформования, когда рисунок приобретает точные размеры. Рекомендации для проектирования печатного изображения: • цветовые переходы на готовом изделии не должны совпадать с кромкой формованного изделия; • нужно избегать прямолинейных, а также и точно симметричных печатных изображений; • предпочтительным должно быть криволинейное изображение; • при искаженной печати геометрические изображения должны находиться на расстоянии от края плоской поверхности или кромки формовки минимум 10 мм (это расстояние может быть увеличено при увеличении вытяжки); • отклонение расстояния от рисунка до края материала составляет ±0,5 мм: • отклонение расстояния между двумя соответствующими метками на материале ±0,1 мм. В каких случаях можно обойтись без исследования криволинейной печати? Для формованных изделий, требующих минимальной вытяжки и без любых жестких требований к печатному изображению, можно обойтись без исследования криволинейной печати. Печатное изображение без исследования криволинейной печати может быть допущено при получении материалов с предварительно нанесенной печатью при следующих предварительных условиях: • материал не требует какого-либо расширения транспортирующей цепи, то есть материал существенно не провисает при нагревании; • поперечная и продольная линии, нанесенные на материал, должны оставаться прямыми после прохождения через станцию формования; • материал должен быть нагрет равномерно; • производимое изделие должно иметь простую геометрию и требовать только неглубокого формования; • не допускаются цветовые переходы или изображения вблизи кромок. Основные правила для исследования криволинейной печати Перед началом исследования криволинейной печати необходимо установить следующее: • перерабатываемый материал; • толщина и ширина материала, а также длина для листа;
4 Последовательность процесса термоформования 149 • модель термоформовочной машины, применяемой в производстве, формующий инструмент и детали, определяющие формат; • гарантия, что материал с предварительно нанесенной печатью может поставляться постоянного качества, особенно это касается характеристик по усадке и допусков по толщине во всем производственном цикле. Стадии исследования криволинейной печати • Напечатать миллиметровую сетку на материал (толстый или тонкий лист). • Отформовать материал с предварительно нанесенной сеткой на производственной машине, используя производственный инструмент. • Когда получатся формовки с хорошей печатью, остановить машину и сохранить параметры настройки машины на компьютере или вручную заполнить регистрационный лист. • Формованные изделия необходимо снабдить безошибочной идентификацией: — стрелкой для определения направления транспортировки или положения в инструменте; — номером гнезда для многогнездных форм; — номером цикла, например, если в автоматической машине с рулонной загрузкой формованные изделия, а также лента обрезков сохранились за несколько циклов (например, 5), а изделия еще держатся на ленте обрезков и сохраняются с помощью скотча. Целесообразно идентифицировать также ленту обрезки. Способ идентификации образцов формовок и ленты обрезков см. на рис. 4.61. • Подготовить формуемый материал с предварительно нанесенной миллиметровой сеткой для исследования криволинейной печати, для чего использовать лист или кусок тонкого материала длиной, по крайней мере, равной полуторному шагу подачи. • Нанести систему координат (рис. 4.62) на пока еще не нагретый материал и уже сформованный образец. Для формовок, вырубаемых из тонкого материала, это выполняется на ленте обрезков. Нулевые точки двух систем координат должны иметь одинаковое расстояние от кромок материала. • Оси системы координат должны совпасть с линиями миллиметровой сетки. Деформированные линии миллиметровой сетки появляются на уже сформованном материале! • Указанное печатное изображение на готовом изделии должно передаваться в форме рисунка или чертежа. • Чтобы сэкономить средства, при получении первого криволинейного изображения первоначально наносятся только наиболее важные цвета на готовое изделие или формовку.
150 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ ®©Ф а) Стоп Индекс 1 Индекс 2 Индекс 3 'B)®® (Т 1 ъ 1 ь) Рис. 4.61. Криволинейная печать, пример нанесения маркировки на крышки, полученные на 6-гнездной форме: а) крышки, полученные из одного цикла, цикл № 2, гнезда 1-6 (стрелки отмечают направление движения); Ь) сложенные крышки из гнезда 3, циклы № 1 -л; с) расположение крышек на ленте отходов *1 I >©<£) О О О /'"^ /^""\ /'"> {J v •' v.j v > v ; v_; Ь) а) Рис. 4.62. Система координатх~у для исследования криволинейной печати: а) определение координат на ленте отходов; Ь) передача координат на исходный неформованный материал для определения изображения криволинейной печатью; V— шаг подачи
4 Последовательность процесса термоформования 151 • Чем больше точек сетки выведено из готового изделия на координатную сетку неформованного материала, тем более точным будет изображение (рис. 4.63). Результирующее цветное изображение на неформованном материале является первым установленным изображением криволинейной печати. • На материал наносят установленный первый отпечаток и дополнительно миллиметровую сетку. На рулонном материале должны быть установлены соответствующие метки в системе координат, соответствующей шагу подачи. • Материал с нанесенным первым отпечатком затем термоформу- ют. • Описанный процесс повторяется, первый отпечаток криволинейной печати таким образом корректируют, и получают второй отпечаток со всеми необходимыми цветами. • По всей вероятности, описанный процесс будет повторяться. Это произойдет прежде всего в случае сложных цветовых изображений, где будут проводить дальнейшие исправления отпечатка, пока не будет установлен оптимум. Для печатных изображений на формовке с благоприятной (минимальной) вытяжкой рисунок криволинейной печати может быть обычно получен за одну стадию. Рис. 4.63. Считывание х/у-координат цветных точек изображения на изделии: 1 — например, изображение края золотого обода; 2 — движение вдоль криволинейной миллиметровой сетки по осям системы координат (х,/у)
5 НАГРЕВАНИЕ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ ФОРМУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ 5.1 Требования к нагреванию материалов на термоформовочных машинах для листов Требования к нагреванию термопластичных листовых материалов при термоформовании могут быть сведены к следующим положениям. • Целью нагревания должно быть однородное распределение температуры на поверхности материала независимо от модели машины и готового изделия. Диапазон температур термоформования для большинства пластмасс является относительно большим. Для ударопрочного полистирола он составляет от 130 до 200 °С. Однако по толщине листа необходимо избегать такой большой разницы температур, потому что подобная разница позволит получить удовлетворительные результаты только для простейших изделий. Для лучшего формирования отпечатка и воспроизведения структуры поверхности сложных изделий температурный диапазон должен быть ограничен. Подавляющее большинство изделий может быть четко отформовано при однородном температурном поле по поверхности материала. • Для некоторых процессов формования может быть необходима рациональная разница температур по нагретой поверхности материала. Она также является желательной при предварительном раздуве двух или более пузырей различной высоты и/или изменении размеров основания изделия в одной и той же области формования. • Для формовок с относительно большой площадью формования при коэффициенте вытяжки II: W= 1: 3 и более на распределение толщины стенки можно повлиять путем целенаправленного нагревания поверхности до различных температур. Эффективно использовать зоны нагревания поверхности до различных температур можно в том случае, если заготовки материала длиной L и шириной Wr три раза больше, чем размеры отдельных нагревательных элементов, а расстояние до заготовки соответствует, по крайней мере, ширине нагревателя.
5 Нагревание термопластичных формуемых материалов 153 • Если время нагрева определяет цикл формования, то материал нужно довести до необходимой температуры как можно быстрее. Это существенно для формующего оборудования, в котором нагревание и формование осуществляются в одной станции (однопозиционная машина). Если нагревание и формование проводятся на различных станциях, длину цикла определяет время охлаждения. В этом случае интенсивность нагревания (и, таким образом, температура нагревательных элементов) согласуется со временем охлаждения на формующей станции. • Когда полимерам необходимо более длительное время нагрева по сравнению со временем охлаждения, но нужно обязательно сохранить небольшое время цикла, перед станцией формования устанавливают две дополнительные станции нагрева. • Для достижения высокого качества отпечатка требуется равномерный сквозной нагрев по толщине материала. Если толстый материал толщиной А-5 мм достигает заданной температуры слишком быстро, поверхность может деструктировать раньше, чем центральная часть достигнет температуры формования. • Для хорошей воспроизводимости при серийном производстве характеристика нагрева должна оставаться насколько возможно постоянной от первой до последней формовки. 5.2 Нагревание формуемых материалов на автоматических термоформерах с рулонной загрузкой Для большинства автоматических рулонных термоформеров однородный нагрев формуемого материала является абсолютной необходимостью. Время нагрева не должно определять цикл. На рис. 5.12 показано, что полное время нагрева равно сумме времени нагрева циклов 1-3. Поэтому длина нагревательного блока должна быть, по крайней мере, в два раза больше (длиннее) шага, умноженного на число циклов нагрева. Это относится ко всем системам нагрева, в которых полимеры не должны термодеструктнровать или механически разрушаться. 5.3 Методы нагревания В настоящее время на термоформующих установках применяют следующие методы нагревания термопластов: • теилорадиациониое; • контактное; • конвекционное.
154 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ 5.3.1 Теплорадиационные нагревательные элементы 5.3.1.1 Принципы теплорадиационного нагрева При контактной или конвекционной теплопередаче энергия проводится материалом, тогда как радиационное тепло передается электромагнитными волнами. Тепло передается в инфракрасной области, см. табл. 5.1. Длины волн и области применения Таблица 5.1 Длина волны Область 0.2-0,4 мкм 0,4-0,76 мкм 0.8-1000,0 мкм Сантиметровый диапазон Метровый диапазон Километровый диапазон Ультрафиолетовая Видимый свет Инфракрасная Радиолокация, телевидение Радиовещание Радиовещание Инфракрасные лучи поглощаются полимерами. Скорость поглощения зависит от толщины материала, цвета и длины волны излучения. Чем толще материал, тем выше степень поглощения (рис. 5.1). Каждый вид материала (тип, цвети т. д.) имеет свою собственную кривую поглощения. Если на небольшой глубине. Рис. 5.1. Поглощение ИК-излучения листом из полистирола (марка 475 К, синего 849) при толщине листа 0,04, 0,5 и 4 мм (источник: фирма BASF)
5 Нагревание термопластичных формуемых материалов 155 « - о s I >- а? t о су 2 о s Ш I о ш f § анда сп ре О а с ,'"\ / г \ / i / / // / /' 1л \г\ л ] N \^ *•* г--- ^ """ "*■ •——. - 1 4 6 8 10 Длина волны, мкм например, 20 мкм, определенный вид полимера имеет степень поглощения 100% для данной длины волны, то это означает, что толстым листом лучи полностью поглощаются уже на его поверхности. В других диапазонах длины волны, где поглощение в тонких слоях очень мало, но увеличивается в более толстом материале, лучи проходят через поверхность материала в область этого определенного диапазона длины волны, поглощаясь только на определенной глубине. Не су- Рис. 5.2. Принципиальная схема , ществует тела (в данном случае нагрева- распределения мощности нагрева- J ч J r тельных элементов (стандартное тельный элемент), которое испускает лу- спектральное распределение мощ- чи только одной длины волны, даже если ности): его поверхность имеет однородную тем- a) керамический нагреватель 700 "С; пературу. Все излучающие тела перекры- b) синтетический кремниевый нагрева- вают почти весь инфракрасный диапазон. тель, улиточный 950 'С; с) отражающий ^ радиационный нагреватель 2000 'С ЛУЧИ определенной длины волны в этом случае только нагревают поверхность, другие проникают на различную глубину, в то время как третьи все снова и снова отражаются или свободно проходят через материал, не нагревая его. Отличие между моделями нагревательных элементов состоит в распределении излучающей способности в интервале различных длин волны. Температура нагревательных элементов определяет максимальную мощность, передаваемую материалу. Если бы три нагревательных элемента, показанных на рис. 5.2, имели одинаковую мощность, то три области ниже кривых а, Ь, с были бы идентичны. Переданный объем тепла зависит от следующих факторов: • Объем тепла увеличивается в четвертой степени в зависимости от температуры нагревательного элемента (в градусах Кельвина); максимальная температура нагревателя зависит от его мощности и конструкции. Чем выше температура нагревательного элемента, тем короче период нагрева (рис. 5.3). • Чем меньше расстояние между блоком нагревателей и материалом, тем больше передаваемый объем тепла. Чем больше расстояние между нагревательным элементом и материалом, тем дольше время нагрева (рис. 5.4). • Передаваемое количество тепла и стабильность системы нагрева увеличиваются при равномерном излучении по всей площади блока нагревателей. Если оставляют промежутки между рядами нагревательных элементов, эта область должна быть снабжена отражателем. Однако никакой отражатель не сможет отражать 100% теплового излучения. Кроме того, отражатели склонны к загрязнению, отчего снижается их эффективность.
156 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ 450 500 550 600 650 700 750 Температура нагревателя, 'С Рис. 5.3. Изменение времени нагрева как функция температуры нагревательного элемента для керамических нагревателей(время приведено в условных долях; за 1 принято время при расстоянии до материала 200 мм и температуре нагревателей 600 °С) ш а> а L- Л X о; 5 0 О. СО 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 40 100 200 300 Расстояние блока нагревателей до листа, мм Рис. 5.4. Изменение времени нагрева как функция расстояния от нагревательного элемента до материала (время нагрева приведено в условных долях; за 1 принято время при расстоянии 200 мм) Излучающая поверхность нагревателя должна состоять из материала, обладающего высоким коэффициентом излучения. Передаваемый объем тепла зависит от коэффициента отражения (степени черноты) материала (вид полимера, цвет и т. д.). ВНИМАНИЕ Хороший излучатель также является хорошим поглотителем. Кривые поглощения нагреваемого полимера должны соответствовать максимальной спектральной плотности излучения нагревателя. Однако некоторые специалисты (особенно теоретики) уделяют слишком большое значение этому факту. Излучение энергии в широком диапазоне длины волны нагревает материал, поэтому решающей для результата нагрева является сумма долей энергии в различных спектральных диапазонах. Размер области, обслуживаемой индивидуальным нагревателем, также имеет первостепенное значение. Нагреватель не только направляет свои лучи на область ниже него, но и во всех направлениях, подобно лампочке без отражателя. Лучи не концентрируются. Поэтому важно экранирование в качестве границы раздела для нагреваемых областей. Каждая точка на поверхности материала получает тепловые лучи от всех нагревателей, если только лучи не экранируют или не концентрируют. Применяют также выключение элемента на нагревательной
5 Нагревание термопластичных формуемых материалов 157 Ф125 105 X (О т /У^"^ 8x125 К -— л ^*\\ / \ \ \ а) Ь) Рис. 5.5. Влияние нагревателя на размер нагреваемой им области: а) вид сбоку; to) вид сверху; 7 — фактически подверженная влиянию область; ф — угол излучения; Г— температура материала; ДГ— достигаемая разница температур в материале для стандартного блока нагревателей панели, воздействующее на всю площадь. Наибольший эффект проявляется в зоне непосредственно под нагревательным элементом (рис. 5.5). Разница температур на поверхности материала достигает максимума под центральной частью отключенного «холодного» элемента, уменьшаясь при выходе за его пределы. Практически воздействие прекращается за пределами угла около 30° (рис. 5.5). Поверхность отключенного нагревательного элемента получает тепло от своих соседей, испускающих лучи в соответствии с их температурой. Влияние разницы температур между нагреваемой областью и отключенным элементом показано на рис. 5.6 при температуре нагретой области. Значения на рис. 5.6 были получены на термоформовочной машине фирмы ILLIG модели UA 100 Ed, выпущенной в 1993 году, с верхним нагревом и керамическими нагревательными элементами фирмы ELSTEIN, 123x62 мм, расположенными внутри сетки 125 х 105 мм. На рис. 5.7 показана разница температур в материале из-за уменьшения мощности одного нагревателя. Это было получено на машине фирмы ILLIG модели UA 100 Ed jvva переработки листов, оборудованной керамическими нагревателями ELSTEIN ESR/2, 123x62 мм, расположенными внутри сетки 125 х 105 мм. Если температура нагревательной панели около 600 "С, а один нагреватель в центре области выключен, он «остывает» примерно до 120 °С. Нагревание полимерного листа инфракрасными нагревателями таким образом, чтобы небольшие области нарочно оставались более холодными, в принципе выполнимо, но ограничено но своему влиянию. Это переоценивается многими формовщиками. Достижение разницы температур на поверхности материала систематическим экранированием лучей в отдельных областях листами алюминия значительно более эффективно, так как является направлением холодного воздуха на поверхность нагретого материала, чем изоляция индивидуальных нагревателей. Однако оба случая требуют детального рассмотрения.
ТЕРМОФОРМ °ВАНиЕ 300 400 450 500 550 600 650 700 750 Температура нагреваемой области, 'С Рис. 5.6. Снижение температуры на отключенном керамическом нагревателе как функция температуры нагретой зоны: 1 — керамический нагреватель FSR/2 {Elstein) в центре панели отключен; 2 — угловой керамический нагреватель FSR/2 (Elstein) отключен Часто возникает BOnIHr размеров нагревателя ДЛя f тималы-юго нагревания' т" пичные размеры керамически и синтетических кремниевых нагревательных элементов - 62х,62 мм, 125x62 мм, 125~ х 125 мм (только керамический) и 250 х 62 мм. Для этих нагре. вательных элементов блока нагревателей может быть жестко установлен размер сетки 625 125 и 250 мм без промежутков между элементами. Галогено- вые нагреватели, оборудованные трубками из кварцевого стекла около 10 мм диаметром, выпускаются длиной от 165 мм. Для них необходимы отражатели, чтобы лучи, испускаемые блоком нагревателей, казались сплошными, таким образом достигая лучшего использования энергии. Если вы хотите нагреть поверхность равномерно, или, если это требуется, заведомо неравномерно, то сетки Рис. 5.7. Достигаемая разница температур ДГв материале под нагревательным элементом с переменной температурой, полученная на листе из ударопрочного полистирола (толщина материала s = 5 мм; температура материала 160 "С; размер нагревателя 123 х 62 мм; сетка нагреваемой области 125 х 105 мм; температур верхнего нагревателя 600 "С; тем ратура нижнего нагревателя 450 / — пониженная температура наФ^ вателя в центре верхней наГре -о пониженна» тельной панели; 2 — ntm" pe температура нагревателя в И ^ верхней и нижней нагревате панелей
5 Нагревание термопластичных формуемых материалов 159 нагревателей менее 100х 100 мм неэффективны. Преимущества более мелких нагревателей (например, 62 х 62 мм) вряд ли можно доказать практически. Для больших блоков нагревателей размером от 2000 х 1500 мм и выше можно оправдать выбор отдельных нагревательных элементов размером более 125 х 125 мм. Длинные, узкие нагреватели не подходят для однопозиционных машин. Для автоматических рулонных термоформеров, в которых материал проходит под нагревателями несколько раз, длина нагревателей в направлении транспортировки фактически является несущественной. Однако перпендикулярно к направлению подачи, по крайней мере, две наружные и одна центральная температурные зоны должны быть регулируемыми. Для автоматических машин с рулонной подачей глубина нагревателя поперек направления подачи, равная 62 мм, а для больших машин 125 мм — вполне достаточна. Регулировка электронагреватпельных элементов Характеристика электронагревательного элемента зависит от температуры теплоизлучающей поверхности и не связана с нагрузкой, если последняя достаточна для достижения необходимой температуры. Когда температура нагретой поверхности регулируется с обратной связью одним или несколькими пилотными нагревательными элементами (нагреватели со встроенной термопарой), то эти пилотные нагревательные элементы и соседние нагреватели (включенные в параллель) должны быть по возможности близки по нагрузке, размеру, весу и марке. Потери тепла также должны быть близки. Если температура, излучаемая нагревательными элементами, регулируется установкой мощности (в %), в электросети не должно происходить колебаний напряжения. Температуру материала необходимо контролировать для снижения отходов при запуске. Как получить равномерно нагретую поверхность Как идеальный вариант, на рис. 5.8, а изображен равномерный нагрев нагревательной системы неограниченного размера при нулевой высоте рамы. Ыа рис. 5.8, b показан случай, нарушаемый, например, зажимной рамой. С помощью а) to) Рис. 5.8. Использование нагревателей в краевых зонах: а) как идеальный случай «безграничное» нагревание и «нет» зажимной рамы; to) реальные условия при нагревании материала с зажимной рамой
160 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ следующих рекомендации, приведенных ниже, можно практически приблизиться к идеалу: • покрыть раму алюминиевыми отражателями (рис. 5.9) или напыленным алюминием при содержании алюминия 99,5%; • теплоотражатель и отражатель рамы должны быть вертикальными и одинаковыми везде по высоте. Для алюминиевой рамы не требуются отражатели; • выбирать высоту отражателя 1 для системы нагревателей таким образом, чтобы зазор 2 по вертикали был как можно меньше. На рис. 5Л0 показаны области отражения на автоматических рулонных машинах для термоформования с цепным транспортером. Поскольку отражатели никогда не отражают 100% тепловых лучей, и расстояние 2 (рис. 5.10) на практике обычно составляет от 20 до 100 мм, потери при нагревании и конвекции в наружных областях необходимо компенсировать за счет повышения температуры нагревателя. Крайние ряды нагревателей теряют больше тепла, поэтому они используют больше энергии, чем нагреватели в центре блока нагревателей (рис. 5.11). Для равномерного нагревания на автоматическом рулонном термо- фермере важны перечисленные ниже условия: • Нагреваемая область транспортируемого материала должна быть снабжена отражателями (рис. 5.10). • Каждая точка (поверхности) материала должна иметь одинаковую температуру на станции формования. Могут применяться следующие способы: экранирование нагревателя (рис. 5.12, b и 5.13, Ь) или, если машина соответственно оборудована, то отключение поперечных рядов нагревателей. На рис. 5.12 показана схема неравномерного нагревания материала. Поскольку Рис. 5.9. Области отражения при установке материала в зажимной раме одно- позиционных машин: 1 — отражатель в системе нагревателей; 2 — расстояние между системой нагревателей и краем рамы; 3 — отражатель на верхней раме; 4 — материал; 5 — отражатель на нижней раме; 6 — отражатель на нижнем нагревателе; 7 — расстояние от верхнего нагревателя до материала; 8 — расстояние от нижнего нагревателя до материала (зависит от провисания) Рис. 5.10. Области отражения на цепном транспортере в автоматических рулонных тер- моформерах: / — отражатель для блока нагревателей; 2 — расстояние при движении от блока нагревателей; 3 — отражатель на цепном транспортере; 4 — материал; 5 — отражатель нижнего нагревателя; 6 — расстояние от верхнего нагревателя до материала; 7 — расстояние от нижнего нагревателя до материала
5 Нагревание термопластичных формуемых материалов 161 ■ -1 J 2 т г ■ I г Рис. 5.11. Различные температурные зоны в блоке нагревателей для равномерно нагреваемого материала в одно- позиционной машине, когда материал проходит под нагревателем только однажды: / — температурная зона 7 с температурой нагревателя Ту, 2 — температурная зона 2 с температурой нагревателя Т2; 3 — температурная зона 3 с температурой нагревателя Г3 (применяют следующее условие: 7", > > Г, > Г,) блок нагревателей не подходит вплотную к инструменту, материал полностью не нагревается во время «шаговой подачи» 1. За счет экранирования нагревателей перед формующей станцией при шаговой подаче 1 нагревание становится равномерным (рис. 5.12, Ь). Тот же самый эффект достигается на рис. 5.13 за счет экранирования нагревателей при подаче материала (шаговая подача 3). Более равномерный нагрев материала получают также при смещении нижнего нагревателя по отношению к верхнему нагревателю (рис. 5.14). Выбор метода на месте определяется оснащением машины. Конечно, возможно также комбинирование вышеупомянутых методов. В зависимости от размера машины и в соответствии с профилем температуры нагревателя, по крайней мере, один из нагревателей в крайних рядах должен быть установлен выше, чем в центральных рядах (рис. 5.15), при АГот 50 до 100 "С. /™t7!- 2-3 раза Ь) Л 2-3 раза Рис. 5.12. Нагревание на автоматических рулонных термоформерах, когда блок нагревателей не подходит вплотную к формующему инструменту (при одностороннем верхнем нагреве): а) неравномерный нагрев материала; to) однородный нагрев материала за счет экранирования алюминиевым экраном Я перед станцией формования; О — материал на станции формования; 1-4 — шаги подачи (шаговое перемещение) материала под системой нагревателей; F — длина шага подачи
162 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Зраза lh- Зраза Рис. 5.13. Система нагрева на автоматическом рулонном термоформере, когда система нагревателей подходит непосредственно к формующему инструменту (при одностороннем верхнем нагреве): а) неравномерный нагрев материала; to) однородный нагрев материала за счет экранирования алюминиевым экраном Я перед станцией формования; О — материал в формующей станции; 1-4 — шаги подачи (шаговое перемещение) материала подсистемой нагревателей; F — длина шага подачи V >\, I ) 9 }11 Рис. 5.14. Нагревание на автоматических рулонных термоформерах (при верхнем неподвижном и нижнем подвижном нагревателях): О — материал в формующей станции; 1-4 — шаги подачи (шаговое перемещение) материала между нагревателями; 5 — верхний нагреватель; 6— нижний нагреватель; 7 — отражатель на верхней раме; 8 — отражатель на нижней раме; 9 — материал при шаге подачи 1 с верхним и нижним нагревом; 10 — материал при шаге подачи 2 с верхним и нижним нагревом; // — материал при шаге подачи 3 с верхним и нижним нагревом
5 Нагревание термопластичных формуемых материалов 163 Рис. 5.15. Профиль температур в блоке нагревателей автоматического рулонного тер- моформера: Т— температура нагревателя; ДГ— разница температур в блоке нагревателей между краем и центром Ж 3 ШШ 3 5.3.1.2 Модели теплорадиационных нагревателей На рис. 5.16 показан керамический нагреватель. Нагревательные спирали 1 заделаны в керамический материал 3. Высокотемпературная изоляция 2 уменьшает текущее потребление приблизительно на 18% по сравнению со стандартными керамическими нагревателями, поскольку с обратной стороны теряется меньше энергии. Энергосбережение является функцией размера нагревателя и его температуры, а также последовательности работы машины. На пилотныхна- гревателях температура нагревателя контролируется термопарой. Керамика имеет высокую степень эмиссии и нагреватели из нее являются очень мощными. При температуре от 650 °С и выше нагреватель накаляется до темно-красного цвета. Размерный ряд нагревателей начинается с 62 х 62 мм. На рис. 5.17 показан нагреватель из искусственного кварца. Стальная нагревательная спираль с хромоникелевым покрытием 1 помещается в искусственные кварцевые трубки из искусственного кварца 2, открытые с обоих концов. В зависимости от мощности нагревателя спираль может проходить только через каждую вторую трубку. При включенном нагревателе спираль становится красного цвета в течение 1 -2 с и светится через трубку. Искусственные кварцевые трубки поглощают некоторые лучи от спирали, нагреваются медленно, а затем испускают тепловые лучи в невидимой области. Рассеяние излучения является очень большим. Хотя спираль излучает красный свет через 1-2 с после включения, нельзя полагать, что нагреватель уже достиг своей конечной температуры. Это будет только тогда, когда нагреются трубки. Размерный ряд нагревателей начинается с 62 х 62 мм. Нагреватели из кварцевого стекла принципиально сконструированы анало- Рис. 5.16. Поперечное сечение полого керамического нагревателя с термопарой (пилотный нагреватель): 7 — нагревательная спираль; 2 — высокотемпературная изоляция; 3 — керамический кожух; 4 — предохранительная бобышка; 5 — термопара, или хвостовики термопар; 6 —электрическая подводка к нагревательной спирали
164 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Рис. 5.17. Поперечное сечение нагревателя из искусственного кварца: 1 ~ нагревательная спираль; 2 ~ трубка из искусственного кварца; 3 — металлический кожух; 4 — нить предохранителя; 5 — электрическая подводка ^£ Рис. 5.18. Галогеновый нагреватель: 1 — нагревательная спираль; 2 — трубка из кварцевого стекла; 3 — стержень предохранителя; 4 — электрическая проводка; 5 — длина нагревательной спирали гично нагревателям из искусственного кварца. Трубка из кварцевого стекла используется вместо трубки из искусственного кварца. Также нагреватели из кварцевого стекла снабжены внутренней трубкой с покрытием для внутреннего отражения. На рис. 5.18 показан отражающий эмиссионный нагреватель (галогеновый нагреватель). Вольфрамовая спираль 1 центрируется в заполненной галогено- вым газом трубке из кварцевого стекла короткими отрезками. Хотя из-за низкого веса отражающий эмиссионный нагреватель является очень быстродействующим и сравним с лампой накаливания, однако он имеет очень узкую полосу излучения. Тепло вырабатывается только ИК-составляющей его излучения, в видимой области тепло не выделяется! В специальных конструкциях нагреватель остается темным из-за отфильтровки видимого света. Таким образом, из-за узкой полосы излучения отражающий эмиссионный нагреватель не подходит для очень тонких материалов или полимеров определенного вида и цвета. Гало- геновые нагреватели изготавливаются и поставляются всех размеров. На рис. 5.19 показан газовый нагреватель, который предварительно нагревается с помощью электрического пускателя б. Затем вводится газ, который горит в каталитическом слое 7. Газовый нагреватель имеет широкую полосу излучения с максимальной длиной волны излучения от 4 до б мкм. В зависимости от каталитического слоя диапазон температур на поверхности составляет от 430 до максимально 600 "С. Эффективность нагрева Рис. 5.19. Поперечное сечение газового нагревателя: 1 — подводка газа и предохранительный клапан; 2 — термопара; 3 — электрическая проводка; 4 — кожух; 5 — изолятор; 6 — электрический пускатель; 7 — каталитический слой, закрытый проволочной сеткой 8
5 Нагревание термопластичных формуемых материалов 165 сопоставима с эффективностью керамического нагревателя с равной температурой поверхности. Для газовых нагревателей требуется кислород (воздух). Они не подходят для использования в закрытых полых камерах, которые традиционно используются в термоформерах для листов. Размеры нагревателя от 110 х 110 мм. Таблица 5.2 Суммирование и сравнение различных видов нагревательных элементов Существенные различия между керамическими, из искусственного кварца, галогеновыми и газовыми нагревателями Нагревательный элемент Характеристика Энергия Превращение энергии Источник излучения Температура нагревателя Удельный вес Время выхода на режим Подключенная нагрузка Потребление энергии при нап)еиании (разъяснение) Потребление анергии по готовности Керамический Электричество Нагретые спирали Поверхность керамики 300-700"С максимум 800 °С Современные нагреватели легче, 2) чем иск. кварц ' < 10 мин 16,6- 25 кВт/м2 (для 700 "С около 38,4 кВт/м") Примерно до 75% от подведенного значения5' Около 25% от подключенной нагрузки6' Из искусственного кварца Электричество Нагретые спирали Спираль + поверхность искусственного кварца (трубки) Спирали <1100"С Иск. кварц < 500° С Тяжелый"' <10мииа) 16,6-50 кВт/м" Прнмерно до 75% от подведенного значения Около 25% от подключенной нагрузки7* Галогеновый Электричество Нагретые спирали Спираль + поверхность кварцевого стекла Спирали < 2400'С Кварц, стекло < 950 °С Очень легкий"' <1сCминI' 50-75 кВт/м- Примерно до 85% от подведенного значения 0% Газовый Газ пропан |; Каталитическое горение Покрытое керамическое волокно До 600 "С < 20 мин 135()гбутан/м2, нагретая поверхность при макс. 430 °С плюс подвод воздуха На 30% ниже, чем для керамики или кварца Около 25% от подключенной нагрузки
166 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Продолжение табл. 5,2 Существенные различия между керамическими, из искусственного кварца, галогеновыми и газовыми нагревателями Характеристика Нагревательный элемент Керамический Из искусственного кварца Галогеновый Газовый Полная площадь нагрева Возможна Возможна Невозможна, достигается специальными отражателя- Возможна Регулировка температуры нагревателя Слабая Для спиралей быстрая, для иск. кварца слабая Параметры ус- Установленная тановки на на- мощность в % или гревателе регулировка температуры в' °С8) Воспроизводимость результатов нагревания — короткий срок Воспроизводимость — длительный срок Срок службы Функции контроля Температурная нагрузка машины Область излучения (интервал длины волны) Как вариант «контроль температуры на нагревателе», очень хоро- 10) шая тн). Прекрасная старые нагреватели = новым нагревателям - 10 000 ч Тщательно разработанные Высокая' ' Широкая, макс, при 3-5 мкм Установленная мощность в %9> (регулировка температуры в "С как дополнительная возможность) Хуже, когда регулировка нагревателя в % и отсутствует ИК-составляю- щая на машине Менее хорошая , старые нагреватели безусловно отличны от новых нагревателей - 5000 ч Простые, визуальные Высокая |7) Широкая, макс, при 2-4 мкм Для спиралей Относительно очень быстрая, для длительная кварц, стекла относительно быстрая, так как она пропорциональна видимому излучению Установленная Регулировка тем- мощность в % пературы в "С От хорошей до пре- Прекрасная1,', но восходной , если чувствительная температура материала на выходе постоянна Неблагоприятная, так как очень зависит от отражате- ляШ) - 5000 ч Простые, пизуаль- Тщательно разра- ные ботанные Очень низкая |Х) Средняя Узкая, макс, при 1-2 мкм
5 Нагревание термопластичных формуемых материалов 167 Окончание табл. 5.2 Существенные различия между керамическими, из искусственного кварца, галогеновыми и газовыми нагревателями Нагревательный элемент Характеристика Из Керамический искусственного Галогсновый кварца Газовый Применимость Влияние цвета полимеров Область применения в зависимости от машины Защитные покрытия Регулярная очистка Универсальная Универсальная Частичная 19) ограниченная Отчасти тождест- Почти тождествен- Различные времена 20) венна времени на- на времени нагрева нагрева ' грева Универсальная Универсальная Универсальная В настоящем огра- Ограничена ниченаоднопози- ционнымн машина- 21) ми для листов ' 22) Нет (Нет) Вероятно, необходимы Защитных покры- Нет Примечания: ' Газы метан или жидкий пропан. 1) Керамика: Elstein HTS/2 размером 122 х 62 мм, весом 130 г; искусственный кварц: TQS FSK размером 124 х62мм, весом —178 г (керамика: Elstein HTS размером 122 х 120 мм, весом 230 г). ' Сама спираль изменяет цвет очень быстро, а для остальных материалов, то есть кварцевого стекла, боковых керамических штуцеров (так же как излучающей поверхности) требуется почти такое же время, как для керамических нагревателей. ' Доля галогеновых нагревательных элементов в нагревательном блоке по весу в 6 раз ниже, чем для нагревателей из искусственного кварца. Галогеновый нац^еватель излучает тепло сразу же (после 0,2 с), а нагреватель из кварцевого стекла нагревается позже. ' 'Мощность нагревателя должна быть выбрана так, чтобы она позволяла регулировать температуру на нагревателе в течение времени нагрева, даже когда происходит незначительное снижение напряжения. ()> Когда система нагревателей находится в режиме ожидания выше отражателя без понижения температуры нагревателя, потребление энергии снижается примерно до 25% от подключенной нагрузки в зависимости от установленной температуры. 7) Аналогично F); различие состоит в отсутствии регулировки температуры. Здесь устанавливается мощность. Температура на нагревателе определяется разницей между установленной потребляемой энергией и энергией, которая постоянно не передается материалу и окружающей среде. 1 Для большинства керамических нагревателей регулировка температуры осуществляется путем обратной связи. Нагреватели с одинаковыми мощностью и тепловыми потерями (и материале или в окружающую среду) объединяются вместе и регулируются с помощью нагревательного элемента со встроенной термопарой в соответствующей группе.
168 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ !) В этой связи вариант (8) не является принятым, хотя пилотные нагреватели со встроенной термопарой разработаны давно. "' Продукция может производиться без отходов, если сохраняется профиль изменения температуры, причем регулировка температуры нагревателя осуществляется с помощью достаточного количества пилотных нагревателен (не менее трех в блоке нагревателей) и при этом нагреватели достигли заданной температуры. 1') Контроль выходной мощности нагревательных систем производится по мощности нагревателя на входе. Однако температура, достижимая на нагревателе, зависит также от энергии, переданной в окружающую среду. Может пройти от 30 до 40 мин, пока вся нагревательная система не достигнет постоянной мощности излучения, если не используется дополнительное вспомогательное оборудование (датчики уровня температуры в системе нагревателей, ИК-аппаратура и т.д.) для сокращения стабилизационного периода. Контроль выходной мощности для нагревателей большой массы не имеет никаких преимуществ. '"' Низкий вес радиационных нагревателен (нагреватель весом 25 г, мощностью 700 Вт, длиной 165 мм) гарантирует очень короткое стабилизационное время для достижения температуры излучения. Только крайние секции и изолирующее основание нагревателя, которые также передают тепло за счет радиации, требуют большего времени для стабилизации. Без ИК-датчпка следует ожидать отклонений при нагревании первых формованных изделий. При использовании покрытий в нагревательных системах время стабилизации увеличивается примерно до 20 мин. * Температура очень сильно зависит от подачи воздуха и поэтому очень чувствительна к тяге. " При времени нагрева более 200 с практически нет различия между старым загрязненным нагревателем п новым нагревателем. ь) Только при замене старых нагревателей лучшая нагревательная способность новых нагревателей станет очевидной. 1 ^ Если нагреватель зависит от хорошего отражателя, последствия следующие: со временем отражатели загрязняются. Если вы хотите предотвратить загрязнение, нагреватель можно защитить стеклянной керамической пластиной. Она сама по себе превратится в поверхность излучения, то есть стабилизационное время для системы увеличится из-за увеличения массы. Если вы выбираете нагреватель со встроенным отражателем, то использование энергии п/нли эффективность будут худшими, поскольку отражатель не отражает 100%. Это утверждение относится только к машинам, в которых система нагревателен передвигается на станцию паузы в каждом цикле, когда они не нужны. Поскольку тяжелые нагреватели перемещаются медленно из-за их большой массы, они должны будут находиться при рабочей температуре в положении паузы. Для листовых термоформеров нагревание прекращается в положении паузы. Однако окрашенным частям машины коротковолновое излучение передает больше тепла, чем в положении нагрева. ' Существует ряд материалов, в основном тонкие прозрачные материалы, которые вряд ли могут быть полностью нагреты галогеновыми нагревателями. ' Время нагрева очень существенно зависит от цвета. Белые пластики требуют значительно более длительного времени нагрева, чем черные. Двух- или многоцветные материалы сложно нагреть равномерно. Неотъемлемым преимуществом этих нагревателей является низкое воздействие тепла на саму машину. Текущее потребление при нагреве выше, чем для керамических нагревателен или нагревателей из искусственного кварца. Галогеновый нагреватель компенсирует свое более высокое энергопотребление при нагревании на однопознционных машинах для листов только за счет отключения во время паузы. Поскольку сжигание газа требует подачи воздуха, этот вид нагревания не может использоваться в качестве нижнего нагревателя на термоформовочных машинах со встроенной нневмокамо- рой.
5 Нагревание термопластичных формуемых материалов 169 5.3.2 Контактные нагреватели Контактные нагреватели передают тепло листу или рулонам путем контакта через теплопроводность (рис. 5.20, 5.21). I Е Рис. 5.20. Двухсторонний контактный нагрев: 1 — нагревательные плиты для контактного нагрева всей поверхности; 2 — контактные нагревательные плиты, зависящие от формата Рис. 5.21. Двухвалковый контактный нагрев, поддерживаемый нагревом теплым воздухом, перед термоформующей машиной с собственной системой радиационного нагрева: 1,2 — нагреваемый валок; 3 — воздушный нагрев; 4 — теплорадиационный нагрев в термоформовочной машине Преимущества контактного нагревания • Возможен точный температурный контроль формуемого материала. • Материал не может быть перегрет при правильной установке температуры, если температура нагрева идентична температуре формования. • Позволяет проводить запуск без отходов. • Существует возможность нагрева по определенному формату, то есть можно нагреть только те поверхности, которые будут формоваться на станции формования. Форматное нагревание гарантирует минимальное отклонение толщины сварных кромок при термозаваривании упаковки. • При соответствующем экранировании потери тепла могут быть очень низкими. • Возможно короткое время нагрева для топких материалов. • Время нагрева многоцветных и с предварительно нанесенной печатью материалов не зависит от их окраски или типографской краски. Недостатки контактного нагрева • Когда температура нагревательной плиты выше, чем температура формования, материалы имеют тенденцию прилипать к поверхности контакта. Контактные нагреватели, покрытые антиадгезионными веществами, уменьшают это свойство. Особенно в критических случаях сами полимерные материалы должны быть обработаны антиадгезпонными покрытиями.
170 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ ВНИМАНИЕ Не каждое антиадгезионное покрытие для формуемого материала подходит для этого процесса. Некоторые, типа стеарата кальция, оставляют налет на нагретой поверхности и формующем инструменте, который даже может перекрывать выпускные отверстия. В этом случае контактные нагреватели, а также формующий инструмент и, возможно, отдельные элементы, например вспомогательный пуансон и т. п., должны регулярно очищаться. • Для передачи тепла необходимо установить равномерный контакт по всей поверхности материала, который подвергается термоформованию. Так как полимеры расширяются при нагревании, возможно появление пятен на поверхности материала из-за деформирования, вызванного высоким коэффициентом температурного расширения. Подобные эффекты наблюдаются для материала со слишком большими допусками по толщине. Основные расчеты для двухстороннего контактного нагрева Для расчета времени нагрева при двухстороннем контактном нагреве применяют следующее уравнение: ; = 9^-52.10-\ а где t — время нагрева, с; F0 — критерий Фурье (табл. 5.3); а — теплопроводность материала, м2/ч (табл. 5.3); s — толщина материала, мм. Таблица 53 Факторы для расчета времени нагрева при двухстороннем контактном нагреве Г 1) 'ОЕ Г 2> 'MF. F0 (критерий Фурье при 20 °С) А (коэффициент температуропроводности) р(плотность) С (теплоемкость полимеров) °С "С - м2/ч кг/м'! Вт • ч/ (кг-К)'" УПС 138 133 1,35 3,4-10 4 1,05-10'1 0,36 пвх 125 122 1,5 3,3- 10~4 1,38-103 0,28 пп 145 144 2,8 2,8- Ю-4 0,92- 10J 0,56 ПЭТ 115 112 1,5 5,0- 10~4 1,27 ■ 103 0,34 АБС-пластик 140 135 1,35 3,4 • 10^4 1,05-103 0,40 ___ Температура поверхности материала в конце времени нагрева. Температура в центре материала в конце времени нагрева. 1 Вт • ч/(кг • К) = 3,6 кДж/(кг ■ К).
5 Нагревание термопластичных формуемых материалов 171 Примеры для материала из ударопрочною полистирола при s = 1,2 мм Применение уравнения приводит к получению времени нагрева t в секундах: 135 t = 9 ^—-1,22-10^ =5,2 с. 3,4-10 -* Время нагрева t соответствует сумме отдельных времен нагрева при шаговой подаче материала под нагревателями. Для машины определенного назначения каждое время нагрева определяется самостоятельно. Контактный нагрев как валковый нагрев Существуют валковые нагревательные системы из 1, 2, 3 и 4 валков, а также валки диаметром до 700 мм. Преимущества валковых систем нагрева: • они позволяют материалу расширяться в двух направлениях: вдоль и поперек направления транспортировки; • материал выходит из нагревательной системы без коробления; • нагревание является непрерывным; • высокая эффективность. Валковые системы нагрева используют в качестве предварительного нагрева, то есть их устанавливают перед радиационными или двухсторонними контактными нагревателями, которыми оборудованы термоформовочные машины. Или они встроены в термоформовочную установку в качестве нагревателей для предварительного нагрева (рис. 5.21). Валковые нагревательные системы с замкнутым контуром, нагреваемые циркулирующим воздухом, и с самонастраивающейся скоростью отвода формуемого материала гарантируют короткое время запуска из-за хорошей воспроизводимости результатов нагрева. Валковые системы нагрева в качестве предварительных нагревателей позволяют материалу свободно расширяться па стадии предварительного нагрева перед его передачей в цепь транспортной системы. Цепные транспортеры могут расширяться для компенсирования поперечного расширения материала. Однако звездчатая цепь не может расширяться в течение времени нагрева. Это имеет смысл для пластмасс с особенно высоким коэффициентом температурного расширения, чтобы как можно большее тепловое расширение происходило во время фазы предварительного нагрева, в этом случае валок для предварительного нагрева один. 5.3.3 Конвекционный нагрев Под конвекционным нагревом понимают передачу тепла с помощью среды: горячий воздух, пар, горячая вода и т. д. При термоформовании нагревание горячим воздухом используется:
172 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ • для сушки гигроскопичных материалов в сушильных шкафах; • в нагревателях для предварительного нагрева в термоформовочных машинах; • реже как самостоятельная система нагрева, то есть во время непосредственной переработки материала в печи в соответствующих установках, например, при формовании изделий из РММА. Даже при конвекционном нагреве точность температуры, достигаемая на поверхности материала, а также в его середине, зависит от времени нагрева. При высоких скоростях нагрева конечная температура неточна. Высокая равномерность температуры может быть достигнута только при длительном времени нагрева. Материалы, толстые или тонкие листы, должны омываться нагревающей средой подобно воздуху, например, с двух сторон. Сушка рулонов материала требует много времени и очень редко применяется из-за высоких затрат. Время сушки и температура сушки зависят от полимера и могут быть найдены в табл. 2.4. ВНИМАНИЕ В противоположность предварительной сушке, где лист мате| риала может стоять в сушильном шкафу, он должен быть вертиА кально подвешен во время окончательного нагревания при тер| моформовании (выше температуры стеклования) из-за низкой механической прочности при этих температурах. 5.4 Радиационный нагрев в листовых линиях 5.4.1 Нагрев радиационными керамическими нагревателями Рациационные керамические нагреватели могут использоваться как «пилотные нагреватели»: для регулировки температуры в блок нагревателей встроена термопара (рис. 5.22). Температура в блоке керамических нагревателей контролируется пилотными нагревателями во время фазы нагрева, а также на стадии паузы. При запуске машины нагреватели доводятся до установленной температуры при 100% длительности включения (рис. 5.23). Температура материала является функцией температуры блока нагревателей и времени нагрева или температура измеряется в отдельной точке на материале во время нагревания, которое завершается при достижении температурой заданного значения. Во время паузы блок нагревателей позиционируется выше отражателя. В этом положении текущее потребление автоматически уменьшается примерно на 25-30% от под-
5 Нагревание термопластичных формуемых материалов 173 кл юченной нагрузки. Чтобы сократить время нагрева более толстых листов (от \ мм и выше), температура нагревателя вначале интенсифицируется. Чтобы предотвратить деструкцию поверхности материала, температура нагревателя затем снижается до регулируемой стадии температуры до окончания времени нагрева. Вместо использования всех нагревателей в качестве пилотных, что оказалось бы очень дорого, нагреватели с одинаковой температурой объединяют в зоны (изотермы). Поэтому температура только одного пилотного нагревателя в зоне регулируется до ±2 К B °С), а оставшиеся нагреватели с той же температурной характеристикой подключаются к нему в параллель (рис. 5.22). Возможны следующие варианты: Рис. 5.22. Изотермическое регулирование с помощью пилотных нагревателей, установленных в блоке нагревателей по диагонали: 1 — пилотный нагреватель (нагреватель с встроенной термопарой); 2 — инфракрасный температурный датчик (необязателен) Время Рис. 5.23. Температурный профиль при нагревании керамическим нагревателем с регулируемой температурой для температур Т, и Т2. Точность регулировки АТ= ±2 К (±2 °С) В зависимости от размера машины при мулыпизоиалъном изотермическом нагревании блок нагревателей имеет три или более постоянно связанных зоны нагревателя с концентрическим расположением, который содержит один пилотный нагреватель на зону. Постоянство температуры по всей площади поверхности материала достигается с помощью соответствующей температуры, установленной в круговой зоне. Заданные значения регуляторов для отдельных круговых зон, рекомендованные изготовителями машин, также должны сохраняться при уменьшении формата. Температура крайней кольцевой зоны должна быть понижена только при экстремальном уменьшении формата. Отключение крайних кольцевых зон полностью не рекомендуется. Для индивидуально включаемых мультизоиальиых изотермических нагревателей (за исключением пилотных нагревателей!) можно достигнуть различных температур на поверхности полимеров. Однако недостаток состоит в длительном времени стабилизации
174 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ температуры, требующемся для отключенных нагревательных элементов. Выключенный нагреватель получает тепло от его непосредственного окружения: он не остается холодным. Если мулътизоналъное изотермическое нагревание имеет несколько пилотных нагревателей на зону, можно располагать отдельные нагреватели по отношению к пилотным достаточно свободно. Это расположение позволяет получить дифференцированную температуру в пределах нагреваемой области с тем преимуществом, что только один пилотный нагреватель требуется для контроля температуры каждой зоны. За счет случайного расположения нагревателей по отношению к незакрепленным пилотным нагревателям могут быть сформированы дополнительные температурные зоны, управляемые с обратной связью. Это означает, например, что вместо отключаемых нагревателей, которые стабилизируются по температуре только через 5-15 мин, эти нагреватели объединены с пилотным нагревателем. На этом пилотном нагревателе устанавливается температура, эквивалентная температуре отключенных нагревателей. При запуске машины все нагреватели, таким образом, нагреваются до их распределенной установленной температуры. Производство начинается при стабилизированной нагревательной панели. При совмещении регулировки с обратной связью и настройки значением температуры, по крайней мере, в трех кольцевых зонах (изотермах) управляет один пилотный нагреватель в каждой зоне. Пилотный нагреватель всегда показывает заданную на нем температуру в °С. На табло нагрева для пилотного нагревателя заданное значение 100% относится к этой температуре. Связанные в изотерме другие нагреватели также установлены в процентах, поэтому все значения отображаются только в 100%-ном значении, что приводит к однородному нагреву на базовой нагревательной панели. При регулировке нагревания по температуре материала температура радиационных нагревателей регулируется с обратной связью или устанавливается таким путем, что полимерный материал всегда нагревается до его максимально возможной температуры. Это требует, чтобы в блоке нагревателей были установлены один или несколько инфракрасных датчика для измерения температуры поверхности материала во время нагревания. Возможно устанавливать дополнительное время выдержки после достижения максимальной температуры поверхности, чтобы разница температур могла определяться толщиной листа. Максимально установленная температура поверхности материала соответствует максимальной температуре формования (см. табл. 2.4). Расчет времени нагрева при использовании керамических нагревателей Необходимое условие при двухстороннем нагреве: расстояние нагревательного элемента от уровня зажима около 200 мм, вся нагреваемая область полностью оборудована нагревателями. Как упрощенный вариант, для однородного нагревания применяется базовая нагревательная плита при хорошем приближении:
5 Нагревание термопластичных формуемых материалов 175 t„ = k{ • k2 ■ fc, • kA • 5, где t-ц — время нагрева, с; k, — коэффициент расположения нагревателя, с/мм (см. табл. 5.4); /г-> — коэффициент материала для времени нагрева (см. табл. 2.4); k3 — коэффициент толщины формуемого материала для времени нагрева; 5 — толщина формуемого материала, мм. Можно применить следующее: для s < 5 мм /г-л = 1 5 > 5 MM kH = S/A где kA — коэффициент для отпечатка элементов: для обычного отпечатка элементов kA = 0,9-1,2 для четкого отпечатка элементов kA = 1,2-1,8 Таблица 5.4 Коэффициент kt для расчета времени нагрева керамическими нагревателями Максимальная температура нагревателя Верхний нагрев/нижний нагрев 650/450 °С 700/500 °С 6,5 ПРИМЕР Для материала из АБС-пластика любого цвета толщиной 5 = 4 мм: температура нагревателя 650/450 "С (табл. 5.4) и стандартный отпечаток. Для этих условий применяют следующие значения: 4, = 8 (табл. 5.4) k2= 1,3 (табл. 2.4) k:i = 1 (см. выше для 5 < 5 мм) kA = 1,1 (выбран для вышеприведенных показателей и стандартного отпечатка) Таким образом, получают время нагрева t„ в секундах: t„ = /г, ■ к., ■ к. ■ к. ■ s = 8 • 1,3 • 1 • 1,1 ■ 4 = 46 с. 5.4.2 Нагрев радиационными нагревателями из искусственного кварца Если ту же самую характеристику нагрева, примененную для керамических нагревателей с пилотными элементами (рис. 5.22), необходимо получить для нагревателей из искусственного кварца, должна быть выверена мощность отдельных зон. Однако различие состоит в том, что при регулировании мощности температура нагревателей не контролируется. Для достижения более равномерной температуры на поверхности материала используются кольцевые зоны. Установленные значения
ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Т2 Ti fb2 fb1 fa2 fa1 Время нагрева Рис. 5.24. Время стабилизации ta и tb для температуры нагревателя, настраиваемого по мощности в процентах для температур 7", и Т2 на этом нагревателе: а, — профиль температуры на нагревателе при низкой стартовой температуре и низком заданном в процентах значении; а2 — профиль температуры на нагревателе при высокой стартовой температуре и низком заданном в процентах значении; Ь, — профиль температуры на нагревателе при низкой стартовой температуре и высоком заданном в процентах значении; Ь2 — профиль температуры на нагревателе при высокой стартовой температуре и высоком установленном в процентах значении в процентах для отдельных нагревателей внутри зоны идентичны. Чем меньше кольцо, тем меньше регулируемое значение. Температура материала является следствием запрограммированного времени нагрева, регулировочных параметров и неконтролируемой температуру нагревателя. Во время нагревания необходимо проверять температуру материала, потому что температура нагревателя из искусственного кварца не контролируется. Нагреватели из искусственного кварца не могут быть отключены. В фазе паузы нагревательная панель передвигается выше отражателя, и его мощность уменьшается примерно до 25%, чтобы элементы не перегрелись, но сохранили более высокую начальную температуру для последующего процесса нагрева. Поскольку мощность каждого отдельного нагревателя регулируется в процентах, изменять характеристику нагрева очень просто. При установке мощности крупногабаритных нагревателей нужно подготовиться к более длительному времени стабилизации температуры. Чем меньше заданное значение и ниже температура нагревателя (рис. 5.24, кривые а, и а,), тем дольше время стабилизации температуры (рис. 5.24). Чем больше различаются заданные значения для отдельных зон нагревательной панели, тем дольше время стабилизации. В экстремальных случаях оно может составлять до 40 мин, пока не установится равновесие. Наиболее важные возможные отклонения для нагревателей, настраиваемых по мощности в процентах: • При индивидуальной настройке радиационного нагревателя без контролирования температуры па поверхности материала регулируемое значение
5 Нагревание термопластичных формуемых материалов 177 составляет около 25%, когда элемент находится в состоянии паузы. Во время нагревания с программируемой характеристикой нагрева индивидуальные параметры настройки на нагревателях находятся в пределах от О до 99%. Чтобы минимизировать брак при запуске, вызванный плохой воспроизводимостью, время нагрева и/или область нагрева должны непрерывно корректироваться до тех пор, пока не стабилизируются. • При настройке отдельных нагревателей с контролем температуры ИК- датчиком температура материала измеряется во время нагревания инфракрасным (ИК) датчиком температуры, установленным в центре нагревательной панели. Процесс нагрева останавливается, как только достигается заданная температура. Этот вариант дает воспроизводимые результаты нагрева, но только после того, как завершится фаза стабилизации. Время стабилизации нагревателей в центре панели, где также расположен ИК-датчик, отлично от времени стабилизации наружных нагревателей с высокими заданными значениями. • «Концепция Harlequin» (за счет IKVAachen) предназначена для использования на автоматических рулонных машинах и листовых термоформерах с отдельными станциями нагрева и формования. Для однопозиционных машин серия датчиков установлена на нагревательной панели так, чтобы температура материала регистрировалась при возвращении нагревательной панели. Датчик уровня регистрирует уровень температуры материала во время нагрева, а также динамику процесса и влияние взаимных изменений характеристики мощности нагревателей. После процесса нагрева серия датчиков измеряет распределение температуры на поверхности. Главный компьютер вычисляет откорректированные значения настройки нагревателя для следующего цикла. Значения заданной температуры материала достигаются примерно после 5-6 ходов. • Подобно концепции Harlequin, серия датчиков заменяется ИК-сканером. Для этого варианта также проводится сначала нагревание, а затем измерения в дальнейшем корректируются. Это повторяется до тех пор, пока не получено устойчивое состояние. • Для уменьшения времени нагрева для толстых листов в целом для системы нагрева применяется меняющийся профиль мощности. Это означает, что в начале времени нагрева материал нагревается интенсивно при увеличенной мощности, которая затем постепенно уменьшается. 5.4.3 Нагрев радиационными галогеновыми нагревателями Принципалы-ю те же варианты регулировки характеристики нагрева, которые описаны в разделе 5.4.2, также возможны для галогеновых нагревателей. П Зах. 796
178 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Здесь также нет контроля температуры при использовании пилотных нагревателен или подобных датчиков на панели. Ниже перечислены существенные отличия для нагревателей из искусственного кварца: • Эти очень легкие нагреватели великолепно подходят для регулировки мощности. К сожалению, стеклянное керамическое покрытие нагревательного блока уменьшает воспроизводимость во время запуска машины, пока стеклокерамика не достигнет стабильной температуры. • Нагреватели могут быть отключены в положении паузы. • По нашему опыту, галогеновые нагреватели имеет смысл устанавливать только наоднопозиционных машинах для листов, где время нагрева определяет цикл, а нагреватели могут быть отключены на стадии паузы. Это компенсирует высокое текущее потребление во время нагрева. Другие недостатки и преимущества найдете в табл. 5.2. 5.5 Радиационный нагрев для автоматических термоформовочных машин с рулонной загрузкой Конструктивный принцип радиационного нагрева для автоматических рулонных термоформовочных машин показан на рис. 5.25. Во время процесса нагрева материал движется от Е до А. Более короткие нагреватели в поперечных рядах Еи D позволяют быстро достигать температуру при нагревании материала (также см. раздел 5.3.1). ю Е D С В / <2Г У & А У / 11 1 2 3 4 5 Рис. 5.25. Радиационный нагрев для автоматических рулонных термоформеров: 1,2,3 п — продольные ряды нагревателей; А-Е— поперечные ряды нагревателей; /0—"и" лотные нагреватели для наружных рядов 1ип; 11 — пилотные нагреватели для центра панели
5 Нагревание термопластичных формуемых материалов 179 5.5.1 Нагрев радиационными керамическими нагревателями В этом случае также существуют разные варианты нагрева: • Нагревательная панель оборудована двумя пилотными нагревателями: один — для контроля температуры продольных рядов 2,3 до (и - 1), другой — для периферийных продольных рядов 1 ип (рис. 5.25). Если наруж- ние ряды 1 \\п отдельно не регулируются одним (или двумя) пилотным нагревателем, а применяются нагреватели с высокой мощностью, которые контролируются пилотным нагревателем в центре панели, система нагрева потребует при запуске более длительного времени стабилизации температуры для наружных рядов нагревателей. • Каждый продольный ряд нагревательной панели имеет свой пилотный нагреватель (рис. 5.26). • В пределах области формования материала поперечные ряды нагревательной панели Ей D могут, кроме того, отключаться или регулироваться по температуре (рис. 5.27). • На обратной стороне материала от выхода из системы нагрева (поперечный ряд Л) и/или подаче на станцию формования (поперечный ряд С) поперечные ряды могут, кроме того, регулироваться по температуре (рис. 5.27). Если блок нагревателей может справа достигать области формования, поперечные ряды зоны А могут быть исключены, а продольные ряды зоны В вытянуты (рис. 5.27). В зависимости от системы управления машины возможно при всех вышеупомянутых вариантах увеличивать или уменьшать температуру системы нагрева в целом. / ® 1 \ / & J 1 ) J ф _ • ^»- г А i j $ 1 i i & i 8 О О О О О о о 0 с 1 6 1 1 .1. 1 » 1 —1 . Рис. 5.26. Нагрев для автоматического рулонного тер- моформера с тремя плотными нагревателями: / — центральная зона; 2 — наружные ряды Рис. 5.27. Контроль температуры поперечных и продольных рядов радиационных нагревателей на автоматических термоформовочных рулонных машинах
180 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ 5.5.2 Нагрев радиационными нагревателями из искусственного кварца Вместо применения для регулировки пилотных нагревателей, для нагревателей из искусственного кварца мощность в продольных или поперечных рядах и частично даже отдельных элементов регулируют в процентах следующим образом: • мощности продольных рядов, а также общий уровень мощности блока нагревателей могут изменяться в процентном выражении; • при соединении с индивидуальными регуляторами отдельных зон нагревательной панели мощность продольных рядов, а также величину общей мощности нагревательного блока изменяют в процентном выражении; • мощность индивидуальных нагревателей регулируют в процентах, так же как величину общей мощности блока нагревателей. 5.5.3 Регулировка температуры с обратной связью для термоформовочных машин с рулонной загрузкой Поскольку практически существует очень небольшое пространство для установки датчиков температуры, регулировка, а также измерение температуры весьма проблематичны. Температура обычно измеряется рядом с блоком нагревателей, за которым перед станцией формования остается достаточно большой зазор для измерения температуры. Иначе он возвращается в область полного шага подачи. В других случаях блок нагревателей движется за счет шагового перемещения, чтобы всегда оставался достаточный зазор для измерения, в котором температура материала контролируется или подвижным И К-датчиком температуры, несколькими стационарно установленными ИК-элементами, или сканером температуры. Температуру материала регулируют воздействием на температуру нагревателя. 5.6 Измерение температуры на поверхности формуемых материалов Измерение температуры инфракрасными (ИК) измерительными приборами Наибольшее преимущество ИК-измерительных элементов в том, что это инструменты твердого состояния. Однако при их использовании должны соблюдаться следующие условия:
5 Нагревание термопластичных формуемых материалов 181 Таблица 5.5 Различные измерительные приборы для контроля температуры поверхности \ Метод \ измерения Измерение N. температуры \^ с помощью \^ ИК-датчика температуры Измерительная ИК-пластнна (несколько ИК-датчиков) ИК-камера/ИК-сканер Термопластпны (измеряющие температуру пластины) Контактный термометр (для толстых материалов) Плавящиеся соли, термохромовые карандаши Термометр для циркуляции ерение ИК-изм X X X гное измерение Контак! X X X онтроля Точка к X X X X поверхность Общая Х'> X ушающий Не разр X X X Х3) ение поверхно- Разруш сти Х2> X ние среды (воз- Измере X духа) ние в течение Измере X X X времени нафева ние в конце вре- Измере X X X X фева мени на i Контроль температуры в зависимости от полимера да нет X X X X X X ' Возможно несколько точек измерения. ' Остается слабое разбухание, но не для материалов толщиной менее 0,5 мм. j) Исследуйте применимость в каждом случае. ИК-инструмент должен быть настроен на коэффициент эмиссии, который зависит от вида полимера и цвета. Если измерение происходит во время нагрева, то излучение нагревателен, которое отражается от поверхности материала, будет включено в измерение, если диапазон измерений не был правильно сбалансирован. Это приведет к ошибочным результатам измерения. Угол измерения между направлением измерения ИК-прнбора и правильный угол по отношению к поверхности материала также оказывают влияние на результаты измерения. Если материал сильно коробится во время нагревания, измерение па вершине складки или относительно крутом боку приведет к различным значениям температуры, даже если формуемый материал показывает одинаковую температуру. Если в этих обстоятельствах время нагрева будет контролироваться измеряемой температурой, то время нагрева, особенно для полимеров, которые дают сильное коробле-
182 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ пне, будет отличаться. Это приведет к различным температурам материала во время производства и, таким образом, к колебаниям качества формованных изделий. • Линзы ИК-инструментов должны регулярно очищаться для получения воспроизводимых температур материала. Измерение термомерителъпыми пластинами Преимущества использования температурных мерительных пластин: • рентабельность; • может регистрироваться любое заданное количество точек измерения, даже на любой стороне материала; • температура, контролируемая за счет изменения цвета, устанавливается и позволяет сделать оценку даже на более поздней стадии; • измерение температуры не дает никакого доказательства излучения полимерами, то есть оно не зависит от вида и цвета полимеров. Недостатки при использовании температурных мерительных пластин: • постоянная маркировка точек измерения приводит к отбраковке измеряемых формовок; • температурные мерительные пластины не рекомендуются для тонких материалов, менее 0,2 мм; • при интенсивном радиационном нагреве поверхности пластмасс (мощности нагревателя примерно от 50 кВт/м2 и выше) могут быть получены неверные результаты измерений, особенно для коротковолнового излучения; • также возникают при измерении ошибки, когда мерительная пластина отходит от поверхности полимера во время процесса нагрева из-за неудовлетворительной адгезии. Часто это происходит с полиолефинами. Измерение встроенными термопарами Для точного измерения температуры внутри толстых листов (s > 3 мм) могут использоваться встроенные термопары. С этой целью в листе сверлится до требуемой глубины отверстие, а термопара вставляется в это отверстие. Затем оно завариваривается горячим воздухом устройством для сварки с поверхностью вокруг отверстия, снова восстанавливая горизонтальную поверхность. Просверливая несколько отверстий на различной глубине, можно определить распределение температуры по толщине формуемого материала. Этот вид измерения температуры подходит только для исследования основных закономерностей, но не в целях производства. При измерении контактными термометрами измерительная головка должна медленно и монотонно скользить параллельно формуемому материалу. Точность измерения не очень высока прежде всего из-за того, что измерения не могут проводиться в течение времени нагрева.
6 ТЕРМОСТАТИРОВАНИЕ ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ТЕРМОФОРМОВАНИЯ Свойства при охлаждении термопластов описаны в разделе 2.2.8. Воспроизводимые результаты формования и охлаждения могут быть достигнуты только при использовании термостатируемого формующего инструмента (ГР-инстру- мент). Формующий инструмент доводится до рабочей температуры перед началом производства. Термостатирование означает поддержание температуры формующего инструмента постоянной насколько возможно за счет баланса между нагреванием или охлаждением. Инструмент должен быть доведен до его оптимальной температуры уже вначале, чтобы не было брака при запуске. Если сам инструмент оснащен системой охлаждения, такой как встроенные охлаждающие каналы (рис. 6.1), или вбитые охлаждающие трубки, это называют прямой термостати- рующей системой. Если термостатирование применяется через подложку путем установки формующего фрагмента на термостатируемую плиту, это называют косвенным термостатированием. Термостатирующая среда и интервал температур Если в качестве термостатирующей среды используется вода (содержащая противокоррозионное вещество), возможны четыре интервала изменения температуры формующего инструмента: • Температуры инструмента в интервале от 0 до 20 "С или до температуры окружающей среды: обычные температуры инструмента для быстродействующих машин; инструмент должен охлаждаться с помощью холодильного устройства. • Температуры инструмента в интервале от 20 до 95 "С: обычные Рис. 6.1. TF-инструмент с охлаждающими каналами: а — расстояние между охлаждающими каналами (расстояние между центром каналов); b — толщина стенки формы; 1 — стенка формы 1 с толщиной Ь, и расстоянием а,; 2 — стенка 2 с толщиной Ьг и расстоянием а2\3 — стенка 3 с толщиной о3 и расстоянием а3
184 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ температуры инструмента для переработки листа, реже для автоматических рулонных термоформеров; должно использоваться термостатирую- щее устройство. Температуры инструмента от 95 до 150 °С: для термоформования термопластов с высокой теплостойкостью. Этих температур можно достигнуть при работе с закрытой герметичной схемой нагрева. При 150 "С требуется давление около б бар в оборотной линии. В термоформующем инструменте в качестве теплопередающей среды редко когда используется масло. Если инструмент должен быть только нагрет, могут использоваться ТЭНы, например, для переработки ПЭТ или термоформования очень тонкого теплостойкого термопластичного листа. Температурный диапазон нагреваемого ТЭНами термоформующего инструмента — от 125 до 300 "С. 6.1 Требования к мощности термостатируемого термоформующего инструмента перед началом производства Если Г^-инструмент необходимо нагревать, количество тепла+Qjопределяют следующим образом: +£Ls =^ (mw-cw)-S- Если rF-инструмент необходимо охлаждать, количество тепла -Q.v определяют по следующему уравнению: ~ 1 Ч) ~~ ' W , ч с ~~Qs = 60—1.—(w"' 'Cl,,) ' где Qs — мощность нагрева (+Q.S) для нагреваемого или мощность охлаждения (~Qs) Для охлаждаемого инструмента, кВт, перед началом попзводства; 7^. — рабочая температура инструмента, "С; Т() — начальная температура инструмента, то есть комнатная температура, "С; t — требуемое время нагрева для нагревания или время охлаждения для охлаждения инструмента, мин; mw — масса инструмента, кг; cw — удельная теплоемкость материала инструмента в кДж/(кг • К): для алюминия cw => 0,9 кДж/(кг • К) для стали cw = 0,49 кДж/(кг • К) для меди cw = 0,4 кДжДкг • К)
6 Термостатирование инструмента для термоформования 185 Если инструмент состоит из двух различных материалов, например, формующий инструмент с одновременной вырубкой, то применяют следующее уравнение: О,,. • с„) = (тт ■ ст + тт ■ ст). Коэффициент надежности 5 учитывает теплопотери до инструмента в трубках и гибких шлангах, а также количество охлаждающей воды (равен 1,1-1,3). Таблица 6.1 Рекомендуемое время нагрева или охлаждения ГР-ипструмеита перед началом производства Вес формы mw Время нагрева для нагреваемой формы Время охлаждения для охлаждаемой формы кг мин мин до 30 10 6-10 30- 10- 7- -60 -15 10 60- 15- 8- -120 -20 -10 120- 20- 10- -250 -30 -15 свыше 250 30- 15- -45 -20 6.2 Требования к мощности термостатирующих устройств при производстве Для поддержания на постоянном уровне температуры формующего инструмента в производственных циклах мощность нагрева и/или охлаждения рассчитывается следующим образом: Q = 2,77 ■ тк ■ (Нк - Я,) ■ k- S ■ 10"* + Q,, Q - эффективность охлаждения, кВт, если Q > О, мощность нагревания, кВт, если Q < 0 A кВт = 860 ккал/ч); % — производительность по материалу в кг/ч: тк = производительность по материалу за цикл • циклов (мин) • 60, тК = производительность по материалу за цикл • C600/время цикла (с)). Вес зажимных кромок во внимание не принимают. #к - энтальпия полимерного материала в начале процесса формования при температуре формования, кДж/кг (Нк см. на рис. 6.2 изменения энтальпии); W/~ энтальпия полимерного материала при температуре извлечения из формы, кДж/кг; 1< — коэффициент интенсивности охлаждения (эмпирическое значение): k = 1,0-0,9 для одностороннего охлаждения.
186 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ ПРИМЕР Формование сдвоенных листов или негативное вакуумформование без вентилятора: к = 0,95-0,85 для пневмоформования; k = 0,7-0,4 при дополнительном охлаждении, с охлаждющим вентилятором и, возможно, распылении хладагента. S — коэффициент надежности, 5= 1-1,2 (выбирается); Q,. — выделенное тепло в кВт (не учитывается). 900 800 700 *: боо § 500 § 400 н ™ 300 200 100 0 Пс 0,94 5 ^ 'ПЛ пэ ^ПА 1 lUIVi .х пмт* ПК i/IA Э,96 .ПС ПВХ -АБС -плас ;тик 50 100 150 200 250 300 Температура, 'С Рис. 6.2. Кривые энтальпии некоторых термопластов 6.3 Пояснения для инструмента с прямым термостатированием Необходимый расход (объем V) термостатирующей среды: Р 1 у = 60— _ Для воды в качестве теплоносителя применяют следующее уравнение: Р V = \АА- Д'Л, '
6 Термостатирование инструмента для термоформования 187 V - расход и л/мин (опытная величина для формующего инструмента); V- необходимым расход тепла, кВт: Р= +Qj, — когда требуется нагревание, Р~ \~0А ~~ когда требуется охлаждение; см - удельная теплоемкость теплоносителя кДж/(кг • К): для воды Сд, = 4,18; рД) — плотность теплоносителя в г/см3 или кг/дм3: для воды рд/ = 1; ДГ„ — разница температуры воды между температурой на входе и выходе: АТи = 3-5 °С C-5 К), в зависимости от типа и размера инструмента (более низкие значения для формующего инструмента с одновременной вырубкой). Необходимые размеры охлаждающих каналов Справочный размер — это произведение (d • /); рассчитывается как: Р-103 1 (rf-/) = 60- те-а ЛГ,, ' MW d— диаметр канала или отверстия, мм; / - длины охлаждающих каналов, м; Р - необходимый расход, кВт; а - коэффициент теплопередачи в кВт/(м2 • К): для воды а = 2,3-3,5: АГЛПГ— разница температур поверхности инструмента и теплоносителя, "С: AT;W(,= 3-5°CC-5K). Таблица 6.2 Рекомендуемый диаметр каналов или отверстий </для термостатирующих каналов Рекомендуемый */для алюминиевых форм Вес формы m„., кг до GO 60-120 120-250 свыше 250 Диаметр отверстия, мм 10 12 14 15 Эффективную длину охлаждающего канала получают из уравнения: (d-l) '*= — ■* Ц - коэффициент контакта (эмпирическое значение): ц = 1 для инструмента с глубокими просверленными отверстиями и встроенного охлаждающего змеевика; ц *= 1,3-1,6 для секционного охлаждающего змеевика.
"88 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Г^ г~\ г\ гл Г\ Г\ ГЛ Г\ О л Л П w vj v^ К Ар а) W W W kj yj ^ to) c) v,Ap рис. 6.З. Снижение потерь давления: а) неразделенный контур; Ь) разделенный на два параллельных контура; с) несколько параллельных контуров Длина охлаждающего канала / разделена внутри формующего инструмента. При толщине стенки Ь ~ 40 мм и диаметре канала d~ 14-15 мм расстояние а между каналами может быть выбрано примерно 120-150 мм. Слишком маленькое расстояние приводит к увеличению потерь давления и уменьшает поток (объемный расход). ВНИМАНИЕ В формующем инструменте применение охлаждающего контура без ответвлений приводит к большим потерям давления, чем в контуре с ответвлениями. Поэтому преимуществом является разделение длинных охлаждающих каналов. При разделении на два параллельных контура (рис. 6.3) потери давления уменьшаются с коэффициентом 4. На рис. 6.3 показано разделение на несколько параллельных контуров.
6 Термостатирование инструмента для термоформования 189 6.4 Пояснения для инструмента с косвенным (опосредованным) термостатированием Для опосредованно термостатируемого инструмента применяется расчет, приведенный в разделе 6.3, только разницу температур TMW принимают меньше 1-3 "С A-3 К), чтобы получить такие же температурные и тепловые условия, как в 6.3. Qs — расход тепла перед началом производства (раздел 6.1), кВт. Q — расход тепла во время производства (раздел 6.2), кВт. V — требуемый расход теплоносителя через термостатируемую плиту (раздел 6.3), л/мин. Внимание: ввести ATMW= 1-3 °С A-3 К) (эмпирическое значение). d ■ I — исходное значение для поверхности охлаждающего канала (раздел 6.3), мм • м. ВНИМАНИЕ Для хорошей теплопередачи между термостатируемой плитой и формующим инструментом необходимо учесть следующее: • площадь контакта должна быть загрунтована и покрыта графитом, маслом или жиром перед соединением болтами; • для контакта поверхность только фрезеруют, графит/жир I являются идеальной смазкой для контакта; < • учтите достаточное количество крепежных болтов, препятствующих отставанию инструмента от термостатирующей Г плиты при тепловом расширении; ; • поперечные сечения выпускных каналов должны быть выбраны так, чтобы оставшаяся площадь контакта была как I можно больше. 6.5 Пояснения для электрического нагрева Если тепло не должно отводиться во время производства термоформован- ных изделий, применяется электрический нагрев. Нагревательные элементы необходимо спроектировать так, чтобы заданная тепловая мощность была достижима. Расчеты как в разделах 6.1 и 6.2. Qs — требуемое тепло перед началом производства (раздел 6.1), кВт. Q — требуемое тепло во время производства (раздел 6.2), кВт. Для Qs> Qприменяют: электрическая подключенная нагрузкаA,2-1,4) • Qs. Для Q> Q.vприменяют: электрическая подключенная нагрузкаA,4-1,6) • Q. Расстояние между Т.'-)Нами в нагревательных пластинах можно определить следующим образом: A,5-2,5) • толщина нагревательной плиты.
190 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ *" ВНИМАНИЕ Нагретый инструмент должен быть изолирован от стола Mi „ шины термоизолирующими пластинами. 6.6 Примеры для расчета мощности термостатирования 6.6.1 Термоформующий инструмент A65 кг) на машине для переработки листов Расчет термостатирующей мощности при следующих условиях: инструмент из алюминия, вес mxv = 165 кг теплоемкость для алюминия перерабатываемый материал: ПС (HIPS) время цикла температура инструмента начальная температура инструмента необходимое время нагрева коэффициент надежности Согласно разделу 6.1, мощность нагрева перед началом производства рассчитывается как: cw 5 = Р = tT TV То t s = 0,9кДж/(кг- 5 мм, L = 760 мм, =1,05 г/см3 = 60 с = 85 X = 22 °С = 30 мин. = 1,1 (выбран) К) 5 = 590 мм, 1 Tw-T0 1 85-22 60' t •^•с^°-б0' зо Q5=—• w ° <mw-cv)-S = ————A65-0,9)-1,1 = 5,7кВт. Производительность по материалу тк в соответствии с разделом 6.2 на основе вышеприведенных данных определяется по уравнению: тк =1-В-5-р/с.^^-10-е=760-590-5-1,05-^1-10-й = 141кг/ч tT 60 и для мощности охлаждения при производстве: Q = 2,77 -тк-(Нк- НТ) -k- 5-10 4 + Q, = - 2,77-141,3-B95-85). 0,55-1,1- 10 >~5кВт Нк = 295 кДж/кг (см. рис. 6.2 для ПС при 185 °С) Нт = 85 кДж/кг (см. рис, 6.2 для ПС при 70 °С) k = 0,55 (принято) 5 = 1,1 Qr = 0 (не учитывается)
Термостатирование инструмента для термоформования 191 В соответствии с разделом 6.3 требуемый расход воды для следующих усло- piiii рассчитывается как: Р - Q =5,7 кВт см = 4,18кДж/(кг-К) р.„ = 1 г/см3 АТМ ~ 5°СEК) Р \ 57 1 У = 60 - = 60—пг-7--= 16,4 л/мм. сА/.рл, АТи 4,18-1 5 Необходимая площадь поверхности охлаждающих каналов согласно разделу 6.3 рассчитывается для следующих условий: Р = 0,-5,7 кВт а = 3,2 кВт/(м2 • К) АТт = 3-5 вС C-5 К) (rf.0=^12l._J—WL1»1._!—567- ' л;-а ДГдт. л-32 ДГЛ,М, Д7/л/и. Поэтому применяют следующее уравнение: ■« d ч для глубоких термокомпенсационных каналов, q = 1 (см. раздел 6.3). При ATMW = 4 "С D К), диаметре канала d = 14 мм длина глубокого просверленного охлаждающего канала 1ец = 10,1 м определяется в соответствии с табл. 6.3. Таблица 6.3 Длина охлаждающего канала как функция диаметра d канала и разницы температур kTMW поверхности инструмента и теплоносителя Д'Л, Длина охлаждающего канала 1ф м 3 °С C К) 4 "С D К) 5 °С E К) «7= 12 мм 15,8 м 11,8м 9,5 м d=Uuu 13,5 м 10,1м 8,1м </=15мм 12,6 м 9,5 м 7,6 м При толщине стенки инструмента около 40 мм расстояние между охлаждающими каналами а (рис. 6.1) может быть выбрано от 120 до 150 мм. Для охлаждающих каналов длиной до 10 м и диаметром 14 мм термостатирующих контур не должен разделяться.
192 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ 6.6.2 Термоформующий инструмент D00 кг) на машине для переработки листов Расчет мощности термостатирования для следующих условий: Алюминиевый инструмент, вес mw = 400 кг Теплоемкость для алюминия cw = 0,9 кДж/(кг • К) Перерабатываемый материал: ПС (HIPS) s = 5 мм, L = 1800 мм, В = 590 мм, р =1,05 т/смл Время цикла Температура инструмента Начальная температура инструмента Необходимое время нагрева Коэффициент надежности Согласно разделу 6.1, мощность нагр< tT Tw Т0 t s =ва ; = 60 = 85 = 22 = 45 = 1,1 перед с °С °С мин (выбран) началом производства равна: ■\ Т —Т 1 85 — 22 О.. = -•(m„,-cu,)-S = —D00-0,9)-1,1 = 9,2 кВт. ^Л 60 t У " "' 60 45 v ' Для вышеприведенных данных в разделе 6.3 производительность по материалу получаем: т,=1-б-5-рк-^^-10-6 = 1800-590-5-1,05-^^-10-й=335кг/ч к к tT 60 и характеристику охлаждения при производстве: Q = 2,77 • тк ■ (Нк - НТ) -k-S- 10 + Q, = = 2,77 • 335 • B95 - 85) • 0,5 • 1,1 • Ю ~ 10,7 кВт Нк = 295 кДж/кг (см. рис. 6.2 для ПС при 185 °С) Н, = 85 кДж/кг (см. рис. 6.2 для ПС при 70 °С) k = 0,5 (выбран) S = 1,1 Qr = 0 (не учитывается) Согласно разделу 6.3, необходимый расход воды определяется при следующих условиях: Р = |£>v| =Ю,7 кВт см = 4,18кДж/(кг-К) рм = 1 г/см:! АТМ = 6°С
6 Термостатирование инструмента для термоформования 193 Р 1 107 1 У = 60 —- = 60-^-- = 25,6 л/мм. см-Рм АТМ 4,18-1 6 Необходимая площадь поверхности охлаждающих каналов — согласно разделу 6.3 — определяется при следующих условиях: Р = Q.V-10,7 кВт а = 3,2 кВт/(м2 • К) (для жесткой воды а = 2,9) ATMW = 3-5 °С C-5 К) (rf.0=™>l .-J_ = 1^^._1_.1064. 1 я-а ATmv л-3,2 ATMW ATMW' При ATMW= 4 °С D К), диаметре канала d= 15ммид = 1 получают длину охлаждающего канала /^ = 17,7 м. Для снижения потерь давления в очень длинном охлаждающем канале d = 15 мм при \еП = 17,7 м он должен быть разделен, как показано на рис. 6.3, Ъ или с. 6.6.3 Формующий и вырубной инструмент на автоматической термоформовочной машине с рулонной загрузкой Расчет мощности термостатирования для следующих условий: Алюминиевый инструмент, вес mw =400 кг A20 кг сталь + 280 кг алюминий) Теплоемкость для алюминия с„. = 0,9 кДжДкг • К) Перерабатываемый материал: ПП 5 = 1,2 мм Ширина нагреваемого материала В = 640 мм, шаг продвижения 320 мм Шаг продвижения L = 320 мм Плотность р = 0,92 г/см* Скорость процесса 21 цикл/мин A260 цикл/ч), пнев- моформование Температура инструмента Tw = 20 °С Из вышеприведенных данных согласно разделу 6.2 получаем следующее выражение для производительности по материалу: tnK-L -B-s- рк- циклы/ч • 10~(i = 320 -640 -1,2 -0,92 -1,260-10 h = 284,9 кг/ч; и для мощности при охлаждении при производстве: Q = 2,77 • тк • (Нк - //,) -k-S- 10-" + Q, - - 2,77 • 284,9 • B95 - 85) • 0,9 - 1,2 - 10~4 ~ 17,9 кВт Ик = 295 кДж/кг (см. рис. 6.2 для ПП при 155 °С) Ну = 85 кДж/кг (см. рис. 6.2 для ПП при 55 °С) k = 0,9 (эмпирическое значение) S = 1,2 (эмпирическое значение) Qr = 0(незначительна) 13 За» 796
•194 1^^^0ВАНИЕ Необходимый расход воды согласно разделу 6.3 получают при следуЮщи условиях: Р - Gv = 17,9 кВт с м = 4,18кДж/(кг-К) Рд/ - 1 г/см3 АГМ = 3°С(ЗК) Р 1 179 1 у = 60 =6о._^_._ = 85,6 л/мин. с,и-Р.и &ТМ 4,18-1 3 Формующий инструмент с одновременной вырубкой производится несколькими профессиональными изготовителями инструмента. Проектирование поперечных сечений каналов требует большого опыта. Общий расход V = 85,6 л/мин однако проверяется при вводе инструмента в эксплуатацию. За дальнейшей информацией обращайтесь к разделу 10.5.
7 СНЯТИЕ С ФОРМЫ Снятие с формы — это извлечение термоформованного изделия из термо- формующего инструмента. На процесс снятия с формы существенно влияют следующие факторы: • температура при съеме; • уклон (конусность) для съема; • поднутрения; • позитивное или негативное формование; • баланс давление/воздух для съема; • скорость съема; • вспомогательные элементы в форме для съема; • структура поверхности формы; • трение между формой и изделием. 7.1 Температура при съеме Изделие может быть снято с формы, только когда достаточно охладилась его самая толстая часть, чтобы его можно было удалить из формы в стабильном состоянии. Изделие будет деформироваться, если оно будет еще слишком теплым при извлечении из формы. С другой стороны, если оно будет слишком холодным при съеме, то время цикла будет излишне завышено. Для позитивного инструмента возникает дополнительное неудобство в том, что изделие труднее снять с формы при увеличении времени охлаждения, поскольку формовка будет усаживаться па форме. Извлечение из формы при более высокой температуре означает, что из-за более высокого теплового расширения изделие будет большего размера, чем при более низкой температуре и поэтому его легче снять. При позитивном формовании имеет место эффект обжатия на форме, при негативном — отпускания из формы. В исключительных случаях слишком сильное охлаждение при позитивном формовании изделий из блочного полистирола пли акрилового стекла (ПММА) приведет к образованию трещин во время или даже перед извлечением из фор-
196 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ мы. Другие полимеры, например, полистирол, хотя не будут разрушаться п слишком сильном охлаждении, будут усаживаться на форме так сильно произвести съем затруднительно или даже невозможно. В этом случае изд'ел необходимо вырезать из формы, то есть его можно разрушить, если уклон дл съема является слишком маленьким. 7.2 Конструкция формы для облегчения съема На рис. 7.1 показано, что при уклоне формы для съема, который является слишком острым, выталкивающий воздух должен проходить через всю форму во время прохождения съема. При более тупоугольном уклоне выталкивающий воздух при съеме все еще проходит через формующий инструмент, но воздуху легче проходить через него при увеличении времени съема и непрерывно увеличивающемся зазоре между 7У-инструментом и изделием. На практике это имеет следующее влияние: • Конусность для снятия с формы, которая является слишком острой, требует очень точного подбора потока выталкивающего воздуха и скорости съема. Но чем выше скорость съема, тем труднее подобрать поток выталкивающего воздуха. При слишком остром уклоне снятие с формы может быть выполнено только при низкой скорости. • Если конструкция с маленькими боковыми стенками является частью требования к изделию, предпочтительно негативное формование позитивному варианту из-за более легкого съема. 0 0 т т 1 1 ГГ] 1_ ^ ' j pJ Ц а) Рис. 7.1. Влияние углов для съема на снятие с формы: а) угол для съема < 0,5'; Ь) угол для съема > 0,5'
7 Снятие с формы 197 • При негативном формовании на одногнездной форме выполнимы вертикальные стенки (уклон для съема 0°), если смятие с формы выполняется очень медленно. Но это реально только в специальных случаях и для небольших партий. Так было успешно сделано для изделий, подобных стаканам, с конусностью 0° и емкостью около 1 л. • Для позитивного формующего инструмента угол уклона не должен быть менее 0,5°. Угол 0° на одной стенке позитивного инструмента — например, для прямоугольного контейнера — возможен только тогда, когда одновременно на противоположной стенке в качестве компенсации можно дать большую конусность для съема. В общем случае конусность при съеме должна составлять, по крайней мере, 3-5°. 7.3 Компенсация давления и воздух для съема Во время охлаждения изделие остается прижатым к стенке формы за счет пуансона или давления формования (вакуума или сжатого воздуха). Прежде чем изделие отделится от формы выталкивающим воздухом (сжатым воздухом), давление формования (вакуум или сжатый воздух) отключают, и линии вакуума или сжатого воздуха дают возможность подведения воздуха к формующему инструменту для компенсирования атмосферного давления. Это высвобождает изделие, одновременно создавая воспроизводимые начальные условия для системы управления выталкивающим воздухом. Чистый пневмоинструмент не работает с выталкивающим воздухом. Изделия выталкиваются механическими выталкивателями или другими механическими вспомогательными устройствами для съема, впоследствии позволяя воздуху проходить свободно между инструментом и изделием. 7.4 Скорость съема Быстрым процессом управлять труднее, чем медленным, который также применяют для контролирования выталкивающего воздуха. Слишком маленькое, а также слишком большое количество воздуха для съема при определенной скорости съема деформирует изделие. Поэтому нужно стараться изготовить инструмент таким способом, чтобы он позволял по возможности проходить через него большему количеству выталкивающего воздуха.
198 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ 7.5 Вспомогательные устройства для съема Большое поперечное сечение для выхода воздуха быстродействующей выпускной системы, показанной на рис. 7.2, включающей облегченный по весу клапан, улучшает съем с формы. Этот тип клапана изготавливают диаметром в интервале примерно от 40 до 80 мм. Используют также сверленые сопла диаметром в интервале от 4 до 12 мм для увеличения поперечного сечения для удаления воздуха. Механические вспомогательные средства для съема в форме показаны на рис. 7.3 и в прижимной раме — на рис. 7.4. Нижний держатель на рис. 7.4 может — в случае необходимости — также использоваться для съема с формы, но только тогда, когда это приводит к улучшению распределения толщины стенки в краевой зоне формованного изделия. Вспомогательные пуансоны как вспомогательные средства для съема изделий показаны на рис. 7.5. Их главная цель — предотвращение деформации. Хотя для достижения хорошего распределения толщины стенки при термоформовании плоских изделий не требуются устройства для предварительной вытяжки, они могут использоваться как вспомогательные средства для съема во избежание деформации изделия. Рис. 7.2. Быстродействующий выпускной клапан, облегченный по весу: / — клапан; 2 — просверленное сопло; 3 — формованное изделие; 4 — форма Рис. 7.3. Форма с выталкивателем как вспомогательным средством для съема. Принципиальная схема: слева — выталкиватель в позиции формования; справа — выталкиватель в позиции снятия с формы
7 Снятие с формы 199 Рис. 7.4. Верхний держатель как вспомогательное средство для съема, установленный на нижней зажимной раме: 1 — нижний держатель; 2 — верхний держатель; 3 — форма, 4 — формовка Рис. 7.5. Вспомогательный пуансон как вспомогательное средство для съема плоских формовок: / — форма Если издатия с трудом снимаются с формы, они обычно быстрее деформируются либо слишком маленьким, либо слишком большим количеством выталкивающего воздуха. Это происходит, когда пуансон как возможное вспомогательное средство по форме идентичен контринструменту. После охлаждения этот пуансон на несколько миллиметров A-3 мм) вдвигается внутрь формовки. Это возможно при раздуве изделия относительно пуансона без его деформации большим количеством выталкивающего воздуха. После этого формующий инструмент удаляют из формовки. ВНИМАНИЕ При использовании вспомогательного пуансона непосредственно для процесса термоформования, а также для съема изделий необходимо сделать следующее разделение: • автоматические рулонные термоформовочные машины — охлаждение формованных изделий проводится исключительно за счет контакта с инструментом; • машины для формования листа, иногда автоматические рулонные ГЯ-машины, когда охлаждение изделия со стороны пуансона поддерживается воздухом. Пуансон не должен контактировать с воздухом во время охлаждения, и поэтому его обычно отводят на время охлаждения. Для этого нужно два движения пуансона. Это относится к повторному движению пуансона Вниз: первое для формования, второе для съема изделия.
200 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Применение «повторного движения вспомогательного пуансона вниз» осуществляется для изделий, сложных для съема, например, с крутыми боковыми стенками, относительно низкой жесткостью, сильной склонностью к деформации, или формовок с поднутрением. ВНИМАНИЕ Вспомогательный пуансон должен, по возможности, иметь i аналогичную, несколько меньшую, чем у формованного изделия, форму для предотвращения неконтролируемого коробления по- : следнего выталкивающим воздухом (рис. 7.6, 7.7). iJnUnJnUr Рис. 7.7. Устройство для предварительной вытяжки как средство для съема при многогнездной форме Рис. 7.6. Устройство для предварительной вытяжки как средство для съема при одногнездной форме: 1 — вспомогательный пуансон; 2—конфигурация изделия при съеме; 3 — изделие Последовательность процесса: • формование вспомогательным пуансоном; • возвращение пуансона; • охлаждение; • введение пуансона в форму повторно (повторное движение пуасона вниз); • извлечение из формы; выталкивающий воздух прижимает формовку к пуансону; формующий инструмент выходит из изделия; • возвращение пуансона; • открытие рамы; • удаление формовки. Грубая структура поверхности инструмента более предпочтительна для съема, чем гладкая, потому что выталкивающий воздух может проходить быстрее. Для крупнозернистой структуры поверхности необходимо выбирать больший угол конусности, возможно более 5°, иначе структуру можно повредить при съеме изделия.
7 Снятие с формы 201 7.6 Трение между формованным изделием и термоформующим инструментом Слишком высокое трение во время снятия с формы приводит к царапинам или потертости на изделии (рис. 7.8), а в худшем случае — к деформации изделия (рис. 7.9). Рекомендации для практического применения • В отличие от других поверхностей, на позитивных прямоугольных формах фланцы можно полировать. • Смазки должны использоваться только на форме-образце и опытной форме. • Приемлемые смазки состоят из мягкого мыла для деревянных форм, ПТФЭ (Тефлон) и силиконового спрея для алюминиевых форм, или специальных смазочных веществ. • Производственные формы, создающие особые проблемы при съеме, могут иметь покрытие. При необходимости алюминиевые инструменты могут быть покрыты слоем металла гальваническим способом, слоем пористого хрома или никеля, содержащим агломерированный пол итетрафторэтил е н. U Рис. 7.8. Критические абразивные точки при снятии с формы: контур формы; контур изделия при съеме выталкиващим воздухом а) Ь) Рис. 7.9. Деформации при съеме из-за слишком высокого трения в углах: а) хорошая формовка; Ь) формовка, деформированная в области радиуса фланца: слишком высокое трение 7.7 Снятие с формы изделий с поднутрениями Изделие с небольшими поднутрениями можно снимать с формы без закладных вкладышей в форму, если перерабатываемый материал дает эту возможность. На рис. 7.10 показано изделие с поднутрением, которое может сниматься с формы без трещин или закладных вставок в форму. Это поднутрение располагается на штабелируемой чашке с завариваемым кольцом.
202 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Рис. 7.10. Принудительное снятие с формы изделия с поднутрением за счет гибкой деформации формовки а) Ь) Рис. 7.11. Принудительное снятие с формы изделия с поднутрением с повелением от напряжения из-за чрезмерной вытяжки материала: а) разрез; Ь) вид сверху; 1 — длина побелевшей под напряжением части Если поднутрение является слишком большим (рис. 7.11), на формовках из определенных полимеров возникают следы побеления под напряжением («побеление под напряжением») или постоянные деформации от перенапряжения. При повелении под напряжением происходит изменение цвета в пигментированных изделиях или появляется молочный оттенок в формовках прозрачной природы. Причина состоит в перенапряжении во время изгиба при температурах ниже температуры стеклования. Побеление возникает, например, для УПС и АБС-пластнка. Другая возможность съема изделия с поднутрением — с помощью опрокидывания формы (рис. 7.12). Если геометрия изделия, а также его твердость позволяют, опрокидывание формы может происходить во время опускания стола. Шарнир устанавливается на форме на стороне без поднутрения. Чтобы наклоняемая часть формы не падала слишком сильно, должен быть резиновый буфер, если форма легкая, или амортизирующая подкладка, если форма тяжелая (рис. 7.12). К^22Пта2% Рис. 7.12. Снятие с формы изделия с поднутрением путем опрокидывания формы
7 Снятие с формы 203 Формовки с поднутрениями из гибкого материала могут сниматься с помощью колокола. Последовательность процесса для однопозиционной машины для листов показана на рис. 7.13: • термоформование изделия с поднутрением; • охлаждение; • помещение колокола над формовкой; • прижим формовки к колоколу выталкивающим воздухом; • съем за счет опускания формы. ВНИМАНИЕ Колокол должен быть достаточно большим, чтобы позволить извлечь изделие с поднутрением при съеме. На машинах для листов, если гнездность небольшая, изделия с поднутрениями могут удаляться с применением съемных элементов формы, которые вставляются и удаляются вручную (рис. 7.14). Последовательность процесса: • охлаждение; • подъем верхней рамы; • удаление формовки со сменными вкладышами вручную (внимание: стол остается вверхуХ); Рис. 7.13. Съем изделия с поднутрением из гибких материалов с применением вспомогательного колокола Рис. 7.14. Формующий инструмент с ручным удалением вставок: 1 — рама; 2— вставка(и) в разных частях, если поднутрение кольцевое; 3 — формовка; 4 — контур вспомогательного пуансона; 5 — негативная форма; 6 — основание формы
204 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ • замена вставок в форме снова (при необходимости используя резервный комплект вставок); • опускание стола; • установка нового материала; • закрытие предохранительного клапана и рамы; • нагревание; • формование. На рис. 7.15 показано удаление изделия с поднутрением с помощью съемных деталей, связанных с формовкой. В конце времени охлаждения и в момент подачи воздуха для выталкивания форма выходит из формовки при закрытой прижимной раме. Во время этого движения прижимная рама остается подвешенной на формовке, в то же время воздействуя на съемные детали. Достаточная стабильность изделия при съеме — необходимое условие этого метода. Рис. 7.15. Форма со съемными деталями, управляемыми формовкой: а) при термоформовании; Ь) при съеме ВНИМАНИЕ Если жесткость формованного изделия слишком мала для перемещения таких съемных деталей, последние в этом случае ролжны управляться соленоидными или пневматическим клапанами, работа которых контролируется временем или шагом. "Горда термоформовочная машина должна быть оснащена устройством для «вытягивания сердцевины».
8 ОТДЕЛКА ТЕРМОФОРМОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ Большинство термоформованных изделий требуют проведения ряда отделочных работ. Для технических изделий они могут составить почти 80% от общих производственных затрат. Большая часть отделочных работ может выполняться в рабочем цикле как целой линии (непрерывный процесс), а также линий с модульной конструкцией. Самые важные отделочные работы включают: • обрезку изделия, состоящую из обрезки в одной плоскости, или в трех координатах; • удаление заусенцев; • склеивание клеями, сварка, герметизация, болтовое соединение, клепка; • поверхностную обработку. КОММЕНТАРИЙ Отделочные работы, при которых образуется стружка или металлическая пыль, должны физически быть отделены от области термоформования. Электростатический заряд может приводить к загрязнению подготовленного к термоформованию материала пылью и стружкой даже на расстоянии нескольких метров. Возможно некоторое исправление положения за счет обдува формуемого материала ионизированным воздухом или его продувки. В продаже имеются различные варианты приборов для ионизации воздуха. 8.1 Обрезка изделий резкой , -^ g в одной плоскости А и ^-\^~ ^J—-^нь^ Конструкции форм описаны в главе 10. Ниже, на i i рис. 8.1, показаны два варианта обрезки зажимных кромок. В табл. 8.1 обобщено оборудование для об- Рис 8.t. обрезка зажим- резки формовок, начиная с возможных положений ного фланца. Позиции обрезки, резки А и В см. в табл. 8.1
206 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Таблица НА Варианты обрезки формовок в одной плоскости Обрезное устройство Позиция обрезки (см. рис. 8.1) Ударный сдвиг (только для жестких термопластов) Ленточная пила с вертикальным резом Дисковая пила Лобзик Ручной фасонно-фрезерный станок с концевыми или дисковыми фрезами ' 2-5-координатный фрезерный станок Горизонтальная ленточная пила Вырубные ножницы1* Валково-вырубной пресс (штанцевые формыJ' Пресс для вырубки штанцевыми формами3' (вырубка по плоскости) Поперечно-резательный инструмент с матрицей и пуансоном (штамп) А А А АнВ АнВ АнВ В А А А '' Рекомендуется направляющая по шаблону (кондуктору) или специальному приспособлению. ' Рекомендуется для толщины обрезаемой позиции до 1,2 мм; плохое качество обрезки при большей толщине. Для нагреваемого вырубного инструмента толщина до 2 мм при этой позиции обрезки. На рис. 8.2 показано, как зажимной фланец ванны обрезается ручным фрезерным станком, а на рис. 8.3 — обрезка ручным фрезерным станком по шаблону для обработки формованных изделий. Обрезка зажимного фланца горизонтальной ленточной пилой изображена на рис. 8.4. Качество обрезки и удаления заусенцев при обрезке ленточной пилой — функция конструкции зубьев и угла заточки полотна пилы, скоростей реза и подачи, а также управления ленточной пилой и формовкой. Независимо от толщины материала в положении обрезки расстояние между полотном пилы и ленточным конвейером Рис. 8.2. Обрезка зажимного фланца ванны не должно быть менее 6 мм. Пи- ручным фрезерным станком ла практически никогда не ре-
Отделка термоформованных изделий Рис. 8.3. Обрезка по шаблону на ручном фрезерном станке: 7 — шаблон для фрезерного станка; 2 — сенсорный ролик; 3 — опорный стол; 4 — ручной фрезерный станок ис. 8.4. Горизонтальная ленточная пила, схема: ' - «^сформованное изделие; 2 - ленточный конвейер. ™№№™™"£°°^™ стружки; 3 - подпружиненные нижние держатели с *°^MM""^™Z^. 7-сго- пропил; 5 - ленточное или ножевое полотно; 6 - направляющая для ленточной р' ° желоб из термоформера (состыковать)
208 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ жетбез грата (заусенцев). Выход ножей из строя из-за «самоналипания» (оплавления), покрытия облоем обычно вызывается: • слишком маленькой скоростью подачи; • недостаточным рядом зубьев; • слишком тупыми зубьями. Табл. 8.2 содержит обобщенные данные для пильного и ножовочного полотна для обрезки термоформованных изделий. Нестабильные изделия, которые деформируются при обрезке, или под действием усилия резки, или прижима нижних держателей, можно сделать устойчивыми с помощью опорных приспособлений (рис. 8.5). Таблица 8.2 Варианты пильного или ножевого полотен Ножевое полотно Двухстороннее, пригодное для материала толщиной менее 0,5 мм Ножевое полотно Выпуклое двухстороннее для материала толщиной менее 0,5 мм Ножевое полотно Выпуклое с альтернативной заточкой для материала толщиной менее 0,5 мм Ножевое полотно Зуб А1 прямой,пригодно для материала толщиной от 0,5 мм Ножевое полотно Настройка зуба A3, пригодно для материала толщиной от 4 мм Ножевое полотно Настройка зуба А6, пригодно для материала толщиной от 8 мм Ножевое полотно Зубья с переменным шагом, установленным D 1,75, для хрупкого материала толщиной от 1 мм Г лллллл< Л*Ш1,»НМ,Ч A*^AWV*******1 Пильное полотно Шаговые зубья, установленные D 3, для хрупкого материала Пильное металлическое полотно Шаг зубьев А, 14/1" TPI, пригодное для материала толщиной от 2 мм Пильное металлическое полотно Установка зубьев А, 8/1" TPI для материала толщиной от 4 мм Пильное металлическое полотно ^^ХЛЛ, Установка зубьев А, 4/1" зуб ) ' ^| на дюйм (ТРГ) для материала толщиной от 8 мм Г л^л^лл* {Ъ*уъ*ьъык JY С^Л 1 АГ*.ЛЛЛЛы»* * «■««■
8 Отделка термоформованных изделий 209 Вырубка на валковом прессе (рис. 8.6) с помощью штанцевых форм является экономически выгодным способом для вырубки сложных контуров, где требуются небольшие партии. Штанцевые формы состоят из опорной плиты, которая включает режущие полотна (рис. 8.6). Для прямолинейных вырубных контуров подача в валковый пресс должна осуществляться под углом, чтобы штанцевая форма и пресс подвергались меньшей нагрузке (рис. 8.6, Ь). Вырубка на прессе со штанцевой формой показана на рис. 8.7. Подъем стола можно осуществлять различными способами: • непрямая подача через коленчатое соединение с помощью электродвигателя, пневматической или гидравлической систем; • прямая подача от гидравлического цилиндра, для больших ходов с усилением давления. Рис. 8.5. Стабилизация гибких изделий для обрезки зажимного фланца на горизонтальной ленточной пиле, схема: 1 — обрезаемая часть формовки; 2 — плоскость обрезки; 3 — отходы; 4 — место прижима нижних держателей; 5 — опорная плита, перфорированная, если необходимо, для удаления стружки Подача с помощью коленчатого рычага имеет то преимущество, что он обладает высоким усилием вырубки в полностью выпрямленном положении и позволяет находиться в открытом виде длительное время при высоких скоростях движения. Коленчатая передача от электродвигателя, кроме того, очень энергетически экономична. Перегрузка штанцевой формы на коленчатом i —- 1 У7Gутгг/'/'/''У~^?Уг7У*У :::>--J a) b) Рис. 8.6. Вырубка с помощью валкового пресса со штанцевой формой, схема: а) вид сбоку; Ь) вид сверху; 7 — вырубная контрплита; 2— изделие; 3— вспененный материал, действующий как выталкиватель; 4 — вырубные стальные лезвия; 5 — ламинированная деревянная опорная плита для штампа примерно 20 мм толщиной; 6 — самоклеящаяся регистрирующая лента с обратной стороны линии реза 14 Зак 796
210 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ 11 '• 10 9 8 Рис. 8.7. Пресс со штанцформой, схема: 1 — колонны; 2 — верхняя движущаяся плита; 3 — теплоизолирующая пластина; 4 — нагревающая плита до 160 "С; 5 — опорная плита штанцевого инструмента; 6 — контрплита, к которой присоединяют стальные режущие ножи; 7 — стальные режущие ножи; 8 — вырубная контрпластина; 9 — нижняя плита, неподвижная или подвижная; 10 — формовка; 11 — привод стола Рис. 8.8. Сдвиговая вырубка на зазорном штампе,принципиальная схема; 1 — подвижная плита; 2 — неподвижная или подвижная плита; 3 — вырубной штамп (верхний пуансон); 4 — вырубная плита (матрица); 5 — стопор для рамки; 6 — выталкиватель для обрезанной формовки; 7— желоб для укладки; 8 — набор готовых изделий; 9 — рамочная выгрузка штампе невозможна, потому что ход ограничен положением запирания коленчатого рычага. Недостатком коленчатого запирания является то, что с увеличением толщины материала — примерно от 1,5 мм и выше — начальное усилие вырубки, то есть как только штамп входит в материал, значительно ниже, чем конечное усилие. Усилие вырубки может быть уменьшено при использовании нагретых штанцевых форм. Столы, напосредственно перемещаемые гидравлическими цилиндрами, гарантируют высокое усилие вырубки даже при вырубке толстых материалов, но они требуют большего количества энергии. Для предотвращения перегрузки ножей столы должны быть оснащены конечными выключателями. Инструмент сдвиговой вырубки (рис. 8.8) дает очень хорошее качество резки при соответствующем режущем зазоре, начиная с толщины материала около 0,15 мм. При больших толщинах качество резки очень во многом зависит от вида полимера. Преимущества инструмента вырубки при сдвиге: • длительный срок службы — зависит от вида вырубаемого полимера; • высокое качество резки. Недостатками являются: • относительно высокая стоимость инструмента; • непригодность для очень тонких материалов, толщиной менее 0,1 мм;
8 Отделка термоформованных изделий 211 проблемы вырубки многослойных материалов, когда лицевой слой очень тонкий или мягкий (влияние направления резки см. на рис. 8.9). а) Ь) Рис. 8.9. Сдвиговая резка для многослойных материалов: а) тонкий слой напрессован на изделие; Ь) тонкий слой отслаивается от изделия; 7 — (обрезанное) изделие, 2— отходы Более подробно см. в разделе 10.7. 8.2 Обрезка изделий многомерными ножами Для многомерной обрезки (рис. 8.10) используется следующее оборудование: • ручной фасонно-фрезерный станок с концевыми фрезами; • фрезерные станки 3- или 5-шпиндельные; • 5-координатные лазерные обрезные устройства; • 5-координатные водоструйные обрезные устройства. На рис. 8.11 показана 3-координатная обрезка по шаблону ручным фрезерным инструментом. На 5-координатных фрезерных устройствах могут обрабатываться как толстостенные, так и тонкостенные изделия. Могут обрабатываться все виды пластмасс толщиной от 0,5 мм. Фрезы должны быть из быстрорежущей стали (HSS) или твердосплавные (/(-группа). При фрезеровании тонкостенных формовок необходимо использовать фрезы с осевым крутящим моментом для того, чтобы можно было прижать обрабатываемую часть к оправке. Резка может выполняться без следов вибрации, заточки и заусенцев. Для хрупких полимеров, таких как ПММА, на двухперых фрезах с винтовыми зубьями при скоростях фрезерования от 24 000 до 30 000 об/мин получают гладкий рез; достигаются линейные скорости резки от 4 до 6 м/мин. Ударопрочные полимеры, типа АБС-пластика, ПЭВП, фрезеруют при более высоких скоростях: от 8 до 10 м/мин; одноперые фрезы применяют при скоростях резания от 18 000 до 24 000 об/мин.
212 ТЕРМОФОРМОВАниЕ Рис. 8.10. Многомерный контур обрезки, схематический рисунок Рис. 8.11. Многомерный контур обрезки с направляемым по шаблону ручным фрезерным инструментом: 1 — сложное изделие, сначала обрезка прижимного фланца (если это необходимо); 2 — оправка для изделия; 3 —- направляющий шаблон; 4 - удерживание изделия вакуумом; 5 — подключение вакуума При фрезеровании 5-координатными машинными центрами (рис. 8.12) формовка должна быть закреплена на оправке. Усилие прижима обычно обеспечивается вакуумом, действующим на формовку. Воспроизводимые размеры формовок, полученные при обработке, требуют того, чтобы отклонения толщины стенок, усадки и деформации были как можно меньше. Неправильный выбор среды для охлаждения и/или слишком большое усилие прижима могут привести к трещинам на формовке. Рис. 8.12. Шпиндельная головка 5-координатной фрезерной машины (Фото: Huber и Grimme)
8 Отделка термоформованных изделий 213 Преимущества 5-координатиых фрезерных машин: • высокие скорости резки; • чистый, в основном без оплавлений, рез, если выбранные точные фрезы и условия резки (число оборотов, скорость подачи) являются для них оптимальными; • могут быть изготовлены даже глухие отверстия; • низкие капиталовложения по сравнению с лазерными и водоструйными машинами. Для 5-координатных фрезерных машин необходимо принять во внимание: • относительно сложные оправки для формовки из-за высоких усилий реза; • точный выбор фрезы, важный для обрезки без заусенцев. При лазерной обрезке 5-координатный механический инструмент с элементами робототехники заменен лазером. Резка проводится в атмосфере инертного газа, предотвращающего горение полимеров. Мощность обработки С02-лазе- рами для пластмасс находится в интервале от 250 до 1800 Вт. Ширина линии реза для полимерных материалов толщиной 3-4 мм составляет примерно 0,2 мм, толщиной 10 мм — около 0,5 мм, а толщиной 15 мм — около 1 мм. В зависимости от вида полимера и толщины скорости резания составляют от 3 до 7 м/мин. Преимущества обрезки лазером: • чрезвычайно узкая линия реза; • можно обрезать даже сложные контуры с острыми углами; • чистый срез; • не требуется дальнейшей обработки; • не требуется сложных оправок: усилия резки достаточно низкие; • короткое время настройки. Неблагоприятные аспекты лазерной обрезки: • высокие розничные цены; • дорогая технология утилизации образовавшихся газов; • отдельные термопласты имеют тенденцию образовывать трещины под напряжением вдоль разрезаемой линии из-за высокого теплового воздействия; • формовки, которые подвергались механическому воздействию (статическому или динамическому), должны быть испытаны на наличие напряжений после лазерной резки, чтобы выявить замороженные напряжения. При лазерной резке с воздействием водораспылителя, очевидно, существенно снизится тепловое воздействие. При обрезке водяной струей полимеры удаляют чистой водой или водой с абразивными веществами. В процессе используют сопло с внутренним диаметром в интервале от 0,12 до 0,4 мм при давлении от 2500 до 4500 бар. Качество резки
214 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ (глубина резки и качество обрезной кромки) улучшается при повышении давления нагнетания, увеличении диаметра сопла и замедлении хода подачи. Резка водяной струей используется в автомобильной промышленности для обрезки/обработки приборных панелей, внутренних паиелей/облицовки, напольных ковриков, сборной облицовки крыши и коврового покрытия. Для всех этих изделий качество обрезных кромок не является главным показателем, поэтому они могут обрезаться при скоростях подачи до 30 м/мин. Вспененные материалы с толщиной реза до 1,5 мм обрезают при скорости 16 м/мин, в то время как для монолитных термопластов толщиной от 3 до 5 мм достигают скоростей подачи только 2,5-4 м/мин. Для определенных полимеров, например, полиоле- финов, очень чистые и гладкие обрезные кромки получают только при низких скоростях подачи. Для противодействия высоким давлениям при обрезке требуются оправки. Преимущества резки водяной струей: • нет теплового воздействия на термопластичные материалы; • очень точная линия реза; • можно получать острые кромки сложных внутренних контуров; • отсутствует экологическое загрязнение; • короткое время настройки; • относительно низкие затраты на инструмент для жестких формовок (только искусственные сапфиры для сопел имеют ограниченный срок службы); • водой с абразивными добавками могут резаться даже твердые материалы, такие как керамика или закаленные стали. Отрицательные стороны водяной резки: • высокие первоначальные затраты; • относительно медленный процесс для многих жестких термопластичных материалов и для гладких поверхностей обрезки; • требуются поддерживающие оправки для менее жестких формованных изделий; • гигроскопичные полимеры или полимеры, ламинированные тканью, намокают в области обрезки. Снятие заусенцев Выпускаемые серийно большими партиями изделия должны обрезаться/обрабатываться с помощью простых процессов, после которых обычно остаются заусенцы, которые желательно также удалить. Заусенцы удаляют после обрезки, например, пилами, или при механической обработке ручными фрезерными устройствами, или даже при обработке 5-координатными фрезерными машинами, когда параметры резки и/или фрезы далеки от идеальных. Снятие заусенцев
8 Отделка термоформованных изделий 215 обычно выполняется вручную с использованием приспособлений из листового металла, как показано на рис. 8.13. Если заусенцы загрязнены и оплавились, их снятие будет возможно только при использовании напильника или шлифовального круга. Для автоматической обработки требуется 5-координатный робот, управляющий ножами для снятия заусенцев. 8.4 Методы соединения Методы соединения термоформованных изделий зависят от планируемого сочетания материалов (полимеры/полимеры, полимеры/текстиль, полимеры/картон и т. д.). Они в основном включают: • склеивание; • сварку; • заклепывание; • термосварку; • соединение болтами/винтами; • соединение с помощью защелок. 8.4.1 Склеивание полимеров Для большинства случаев подходящие клеи имеются в продаже. Склеиваемые поверхности должны быть чистыми и обезжиренными, а также, по возможности, ошкуренными. Поверхности полимеров, стойких к адгезивам (например, ПЭ, ПП, ПОМ), должны подвергаться сложной предварительной поверхностной обработке. Если возможно, при использовании этих материалов вообще необходимо избегать склеивания. Предварительная обработка поверхности возможна с помощью обработки в пламени газовых горелок, снятия статического электричества с поверхности или химической обработки. Указания для выбора клеев можно найти в разделе 2.4. Для соединения методом «сплавления» и склеивания с другими материалами рекомендуют использовать двухкомпонентные клеи. 8.4.2 Сварка термопластов Фактически могут свариваться только совместимые виды термопластов, поскольку материалы свариваются в расплавленном состоянии. Одно из немногих исключений — сварка АБС-пластика и ПММА. Чтобы получить хорошую свар- Рис. 8.13. Инструмент для снятия заусенцев
216 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ ку, необходимо позволять горячему сварному соединению охлаждаться под давлением. Давление сварки ниже при высоких температурах сварки (образование сварного наплыва) и выше при более низких температурах. Термоформованные изделия сваривают в основном с помощью следующих методов: • сварка нагретым инструментом; • фрикционная/вибрационная сварка; • ультразвуковая сварка (во многих случаях не подходит); • высокочастотная сварка (только для полярных термопластов). При соответствующей конструкции термоформованных изделий имеющиеся выступы для сварки могут оплавляться за счет тепла или ультразвука, таким образом помогая «сплавлению» соединяемых материалов. 8.4.3 Термосварка Термосварка — это соединение двух одинаковых или различных упаковочных материалов с помощью термосварного слоя (табл. 8.3). Термосварной слой действует как склеивающее вещество и активируется теплом. Упаковочные материалы как субстрат для термосварного слоя не плавятся. Обычно только один соединяемый материал покрывают термосварным слоем. В зависимости от состава температура активации для термосварных слоев находится в интервале от 60 до 140 °С. Сваривание и термосварка являются конкурирующими методами соединения. Соединение различных материалов, таких как картон и полимеры в упаковочной промышленности, осуществляется с помощью термосварки с термосварным покрытием, всегда наносимым на картон. Таблица S3 Примеры термосварного соединения в упаковочной отрасли Комбинирование упаковочных Полимер контейнера, материален! например, блистера или чашки Покрытие Полимер/картон Полимер/алюминий Полимер/полимер ПВХ, ПС ПЭТ УПС ПЭТ ПВХ ПЭТ ПВХ Картон с термосварным слоем Алюминий с т/с слоем или алюминий/ПА"' с т/с слоем ПЭТ с т/с слоем1' ПВХ с т/с слоем1* Термосварной слой совместил! с применяемым полимером. ПА-слой дает лучшее сопротивление проницаемости.
8 Отделка термоформованных изделий 217 Когда соединяют только полимеры, вместо термосварки может использоваться просто сварка. Необходимо учитывать, однако, при сварке непрерывно нагреваемыми электродами, что сварной шов может деформироваться при более высоких температурах. С другой стороны, этого не происходит при термосварке при более низких температурах (табл. 8.5). Кроме того, термосварное соединение по прочности может регулироваться в зависимости от качества термосварного слоя от качественного до легко отделяемого («отслаиваемого»). Для сварки тонких термоформуемых полимерных материалов всегда требуются электроды, покрытые антиадгезивами или многослойными материалами с одной «антиадгезионной» стороной, предотвращающими прилипание материала к электроду (см. табл. 8.4). Конечно, этого не требуется для термосварки. Таблица 8.4 Сварка нагретыми электродами полимерных комбинаций в упаковке Полимер 1 Однослойный РЯТС-матерпал Трехслойный PETG/APET/PETG PVC-U2) Полимер 2 Многослойный PETG/OPET' -материал Многослойный PETG/APET/PETG/'0PE1'" PVC-U2) ОРЕТ предохраняет материал от прилипания к нагретому электроду. PVC- [/-сорта должны соответствовать друг другу. Таблица S.5 Сравнение условий процесса сварки/термосварки Условия Температура электрода Давление прижима Время сварки или термосварки Сварка 200-240 "С > 2 Н/мм2 1,5с Термосварка 160-200°С >A-2)Н/мм- 1,5-2 с Во время термосварки теплота подводится с обратной стороны (рис. 8.14) картона или листовой фольги с покрытием: это наиболее часто применяемый и экономически эффективный процесс укупорки различной тары. Сварной электрод в этом случае нагревается за счет контакта с электронагревательной сварочной плитой. Между полимерным материалом и сварочным электродом должно быть приложено давление. Давление, температура и время термосварки должны быть скоординированы. При низких давлениях термосварки (большая область укупорки) нужно увеличить термпературу термосварки и/или время выдержки. Термосварка теплом, проводимым блистером, или термоимпульсная сварка (рис. 8.15) применяется реже из-за более сложного инструмента.
218 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Рис. 8.14. Термосварка при теплопередаче с обратной стороны: 7 — постоянно нагреваемая сварочная плита; 2 — сварочный электрод; 3 — картон или полимеры; 4 — блистер; 5 — резина в качестве компенсатора толщины; 6 — полость для блистера Рис. 8.15. Термосварка за счеттепло- передачи через блистер (термоимпульсная сварка): 1 — прижимная плита; 2—картон или полимеры; 3 — блистер; 4 — нагреваемый элемент; 5 — полость для блистера (электроизолированная от 4) 8.4.4 Соединение с помощью винтов и/или заклепок При соединении термоформованных деталей необходимо позаботиться о том, чтобы было достаточно толщины материала для соединения специальными полимерными саморезами и достижения прочного соединения. Рекомендуется использовать динамометрические гаечные ключи из-за относительно небольшой прочности полимеров. 8.5 Упрочнение Жесткость термоформованных изделий зависит от: • модуля упругости перерабатываемого вида полимера; • полученной при термоформовании толщины стенки; • конструкции формовки и размеров (длина, ширина, высота, ребра, радиусы и т. д.); • температуры окружающей среды, при которой эксплуатируется изделие. Изделие необходимо упрочнять с обратной стороны, если: • достигаемая при термоформовании жесткость недостаточна; • применяемое впоследствии упрочнение экономически более выгодно, чем использование более толстого или более дорогого материала.
8 Отделка термоформованных изделий Следующие методы могут использоваться как п ■■ . напыление стекловолокна; ' вашожиость упрочнения- . нанесение с обратной стороны пены или запол„г . склеивание с усиливающими элементами- пеной; • заполнение слабых мест заливкой смолы ' 8.6 Варианты поверхностной обработки Поверхности термоформованных изделий могут впосле^™ * * ваться множеством способов. Главным образом они зависят от п^ Г °брабаты" эования изделии, и поэтому могут быть либо технически необходимы11 Т"""" гут служить просто как декорирование. "еооходимы, либо мо- Поверхностная обработка может включать- • антистатическую обработку путем напыления антистатика в антистатиче скои ванне или обмывку водными растворами моющих средств • шлифовку и полировку; ^ ' • окраску; • печать; • металлизацию (напыление) в высоком вакууме; • гальванизацию; • флокирование.
9 ВОЗМОЖНЫЕ ОШИБКИ ПРИ ТЕРМОФОРМОВАНИИ Ошибки, которые обычно допускаются при термоформовании: • неудачная конструкция изделия; • неправильный выбор материала; • выбор неподходящей машины для конкретного применения; • неправильная установка машины/расположение; • неправильный термоформующий инструмент; • запуск нового термоформующего инструмента; • при изготовлении образцов; • неправильное или неадекватное нагревание; • недостаточное усилие «штамповки» при вакуум- и пневмоформовании. Последующие разделы служат только для ознакомления с наиболее часто встречающимися ошибками. Дополнительные ошибки перечислены в табл. 9.3 и 9.4, озаглавленных «Устранение неисправностей при вакуумформовании». 9.1 Неправильная конструкция изделия Чтобы спроектировать оптимальную конструкцию изделия, разработчик должен быть знаком со всеми возможностями, предлагаемыми процессом термоформования, включая все граничные условия, такие как крепление, установка, процесс механической обработки и так далее. Наиболее важные правила проектирования перечислены ниже. Проектирование изделий для термоформования • Большинство литьевых изделий не может изготавливаться термоформованием, а термоформованные изделия — литьем под давлением. • Практическая целесообразность производства литьевых изделий терлн»- формованием должна быть проверена сначала по их чертежам. Если :Я° выполнимо, то их необходимо затем перепроектировать для термоформ0' вания.
9 Возможные ошибки при термоформовании 221 • Размеры на чертежах термоформованного изделия должны быть проставлены со стороны, контактирующей с термоформующим инструментом. • Толщина стенки термоформованпого изделия зависит от вытяжки. Коэффициент формования (см. также раздел 3.12) Коэффициент формования (глубина вытяжки Я: диаметр D и/или ширина В) не может быть выбран наугад. Необходимо придерживаться определенных условий или использовать пуансон. В табл. 9.1 показаны ограничения для коэффициента формования. Таблица 9.1 Достижимые коэффициенты формования при термоформовании Коэффициент формования „ , тт tj.n.u.o Позитивные формы Негативные формы 0,3 : 1 Без проблем Нет необходимости в пуансоне 0,4 : 1 Без проблем Без пуансона, рекомендуется только при больших радиусах основания; от 0,4 :1 необходим пуансон для хорошего распределения толщины стенки 1:1 Хорошее формование 1,5:1 Вытяжка ограничена для получения хорошей воспроизводимости размеров изделия, способность к вытяжке применяемого материала становится более важным фактором > 1,5 : 1 Воспроизводимость размеров формовок может определяться только при изготовлении образцов Негативные боковые элементы на формованном изделии Негативные элементы на боковых стенках формовок обычно нельзя изготовить с помощью пуансона и поэтому они не должны быть слишком глубокими. Коэффициент формования Н: В (рис. 9.1) не должен превышать величину 0,4 ; 1. При очень высокой общей вытяжке достижимая четкость отпечатка таких негативных элементов на боковых стенках становится хуже. Уклон бокоа\IХ стенок Уклон боковых стенок должен быть как можно больше, чтобы снятие с формы осуществлялось быстро и без проблем. Если конусность стенок слишком большая, время съема изделия увеличивается, то есть увеличивается время цикла. Значения уклона для боковых стенок приведены в разделе 10.3.1,
222 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ a) to) Рис. 9.1. Коэффициент вытяжки боковых негативных элементов: а) позитивная форма; to) негативная форма; х— направление движения формующего инструмента Четкость отпечатка и радиусы К радиусам скруглений на термоформованном изделии не должны предъявляться слишком высокие требования по точности (рис. 9.2). На тех частях изделия, которые формуются последними, воспроизведение точных радиусов представляет трудности. За более детальным описанием обратитесь к разделу 10.3.2. Проектирование конфигурации Проектирование конфигурации упаковки для сохранения товаров на поддонах или в блистерах и тому подобное может быть как правильным, так и неверным. На рис. 9.3 и 9.4 показано, как можно избежать ненужной вытяжки на термоформованном изделии, не ухудшая потребительских свойств упаковки. a) to) Рис. 9.2. Округления на изделиях: a) при позитивном формовании слева нерекомендуемый вариант, справа — рекомендуемый, b) при негативном формовании слева нерекомендуемый вариант, справа — рекомендуемый; г — меньший радиус скругления; Я — больший радиус скругления
9 Возможные ошибки при термоформовании 223 Ь) Рис. 9.3. Конфигурация поддона для упаковки товаров с одинаковым «эффектом сохранения»: а) плохая; Ь) хорошая; / — упакованная деталь; 2 — конфигурация поддона а) Рис. 9.4. Конфигурация блистера: а) неудовлетворительная; Ь) хорошая$ 7 — упакованная деталь; 2 — блистер Припуски для обработки и зона подачи На рис. 9.5 и 9.6 показано, как выбирать припуски при механической обработке так, чтобы получить в формованном изделии оптимальное распределение толщины стенок. Рекомендации из эмпирического опыта: выберите геометрию обрезаемой части формовки так, чтобы там происходила наименьшая вытяжка внешних углов (большие радиусы). На рис. 9.7 показано влияние, которое оказывает зона подачи на распределение толщины стенок. Если готовая формовка (рис. 9.7, а) должна иметь, по возможности, равномерное распределение толщины стенок в отсекаемой области, то конструкция формующего инструмента должна обеспечить, чтобы обрезка не происходила в углах (рис. 9.7, Ь). Мы рекомендуем, чтобы зона подачи была увеличена (рис. 9.7, с), что обеспечит необходимое распределение толщины стенок в обрезаемой части, но также приведет и к большему количеству отходов. Разница по высоте, ступени При проектировании инструмента не должны допускаться вытяжка или радиусы с разницей по высоте или со ступенями (рис. 9.8, 9.9).
224 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Л I— а) <" Ь) Рис. 9.5. Конфигурация обрезаемой области при ЗО-обрезке: а) неудовлетворительная; Ь) хорошая; 1 —линия обрезки X а) Рис. 9.6. Конфигурация обрезаемой области при плоской горизонтальной обрезке: а) неудовлетворительная; Ь) хорошая; 1 —линия обрезки I u П iV Ь) с) Рис. 9.7. Большая зона подачи для улучшения распределения толщины стенок; а) готовое изделие после обработки; Ь) слишком маленькая зона подачи; с) увеличенная зона подачи означает больше отходов, но приводит к лучшему распределению толщины; линии обрезки
9 Возможные ошибки при термоформовании 225 Ь) Рис. 9.8. Переходы по высоте и/или поперечному сечению: а) нежелательный резкий переход; Ь) хороший переходе радиусом или наклоном; 1 — риск образования складок а) Ъ) Рис. 9.9. Пример целенаправленно спроектированных ребер: а) неудовлетворительная конструкция; Ь) благоприятная конструкция без складок Ребра и складки Если нельзя избежать складок при термоформовании из-за неблагоприятной конфигурации, например, при позитивном формовании (рис. 9.10), можно израсходовать этот избыток материала путем стратегического расположения целенаправленно спроектированных ребер. Моделирование процесса термоформовапия с помощью подходящей программы в этом случае может оказаться очень ценным. Рис. 9.10. «Контролируемое формование складок» за счет введения ребер в конструкцию 15 Зак 796
226 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ 9.2 Особенности формуемых материалов Качество полимерных материалов, используемых для формования, должно соответствовать требованиям к соответствующему материалу, используемому для изготовления образцов, или четко оговоренному качеству для того, чтобы получать высококлассные формованные изделия с воспроизводимыми характеристиками. При необходимости должны быть учтены колебания в поставке. Допуски по толщине должны зависеть от толщины материала, вида полимера, метода производства и условий. Для тонких материалов толщиной менее 1 мм допустимые отклонения составляют до ±10%, от ±4 до ±5% — для листа толщиной от 2 до б мм и до ±20% — для формуемых материалов, полученных полимеризацией в форме. Для изделий технического назначения такие требования к толщине являются излишними. Для допусков материалов по толщине можно использовать следующее приближение: допуск по толщине в мм As = ±@,05 + + 0,03 ■ s), где s — толщина материала, мм. Примеры допустимых отклонений по толщине по DIN для УПС и АБС-пла- стика см. в табл. 9.2. Таблица 9.2 Допустимые отклонения по толщине для УПС (DIN i6 955) и АБС-пластика (DIN 1& 956) Толщина материала в мм Допуск по толщине, % Допуск по толщине, мм 1 ±8 ±0,08 2 ±5,5 ±0,11 3 ±4,7 ±0,14 4 ±4,2 ±0,17 5 ±4 ±0,2 6 ±3,8 ±0,23 10 ±3.5 ±0,35 На современном оборудовании экструдированные или каландрованные материалы толщиной до 0,5 мм могут производиться с допуском по толщине ±0,005 мм. Если цех термоформования экструдирует свой собственный одинаковый листовой материал крупными партиями для больших заказов, для листа толщиной 4-5 мм можно получить допуск по толщине ±0,5%. Если рулонный материал имеет различную толщину на двух обрезанных кромках, это можно заметить по разнице наружных диаметров рулона. В таких случаях наиболее вероятно получение термического коробления или кривой размотки и даже выхода заготовки из направляющих цепей. Если идентичный гранулят был переработан в лист экструзией или каландрованием, но при различных установочных параметрах машины (скорость отвода из экструдера, температуры расплава и головки и т. д.), это повлияет на свойства при термоформованин такого материала. Для постоянства качества листов для термоформования существенно, чтобы изменения в качестве сырья были как можно меньше, использо-
9 Возможные ошибки при термоформовании 227 вались тот же экструдер или каландр, и чтобы параметры переработки оставались постоянными. Гигроскопичные полимерные листовые материалы необходимо хранить в воздухонепроницаемой упаковке до тех пор, пока их не будут перерабатывать на термоформовочной машине. В зависимости от вида, толщины и превалирующей влажности такие материалы поглощают влагу уже в течение первого получаса воздействия. Поэтому материал должен храниться упакованным. Если после двух часов нахождения в открытом состоянии материал поглотил так много влаги, что его стало трудно перерабатывать, то количество в дальнейшем распаковываемого материала не должно превышать то количество, которое может быть переработано в течение двух часов без потери качества. Неоднородные материалы приводят к разрывам или отверстиям даже во время нагревания и, конечно, при вытяжке, или к поверхностным дефектам, например, эффект}' «апельсиновой корки». Материалы, к которым добавили дроблен- ку, могут пострадать от дефектов, в частности, вызванных загрязнениями. Последние могут быть в виде бумаги, стружки или частиц полимеров, с более высокой температурой плавления последних. Если ламинат начинает отклеиваться от ламинированного формуемого материала, то этот материал будет расслаиваться при переработке. В материале, который не может быть переработан немедленно («в линии»), но время его хранения на промежуточном складе слишком мало, возникнет разница температур в центре и на поверхности стопы листов или рулона. При переработке это приведет к колебаниям температуры материала во время нагревания. Подобное поведение характерно для листа, который хранился в холодном складском помещении и был передан в цех формования только за короткое время перед запуском в производство. В этом случае материал не успеет акклиматизироваться при нахождении в стопе листов или рулоне. 9.3 Выбор наиболее подходящей термоформовочной машины При выборе наиболее подходящей машины необходимо руководствоваться следующими факторами: • размером изделия (длина L, ширина В, высота Я); • видом полимера; • типом материала (лист или рулон); • геометрией изделия; • требованиями к точности деталей; • количеством производимых формовок; • существующими термоформовочными машинами;
228 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ • затратами па инструмент; • потреблением материала и количеством отходов; • затратами на персонал; • затратами на машину. Если изделие, которое будет производиться, должно термоформоваться на нескольких машинах или в различных вариантах, необходимо вычислить стоимость производства изделия и сравнить для всех этих вариантов. Для малых партий изделий большое значение имеют затраты на инструмент, при большом объеме партии большее значение приобретают затраты на материал. При покупке новых машин должны учитываться затраты на обслуживание, содержание, технические и консультационные услуги. 9.4 Возможные ошибки, допускаемые при установке/монтаже термоформовочных машин Для производства изделий, требующих высокой точности воспроизводимости конфигурации и распределения толщины стенок, очень важна правильная установка термоформовочной машины. Месторасположение не должно выбираться вблизи транспортных проездов, открытой вентиляции или подобных продуваемых проходах. Если нельзя избежать неудобного месторасположения, машина обязательно должна быть защищена от сквозняков установкой эффективного экрана или стенки. Необходимо обеспечить достаточное пространство для транспортировки инструментов, листовых материалов и готовых изделий. Должны быть учтены требования к помещению с точки зрения проезда существующего промышленного транспорта. Необходимо обеспечить достаточное пространство между машиной и стенами для обслуживания термоформовочпой машины п, например, для замены больших вакуумных насосов. При подаче сжатого воздуха, вакуума и охлаждающей воды требования изготовителей машины и оборудования к давлению н потреблению должны четко выполняться. Сжатый воздух должен быть сухим и очищенным от масел, поскольку он проходит через машину. Поперечные сечения подающих трубопроводов не должны быть меньше, чем сечения для присоединения к машине. Давление подачи не должно снижаться ниже давления, установленного на впускном клапане машины. Если несколько машин включены в общую линию, мощность этой линии должна быть проверена при каждом новом подключении.
9 Возможные ошибки при термоформовании 229 9.5 Возможные дефекты термоформующего инструмента Выбор материала Выбор материала для термоформующего инструмента зависит от объема производимой партии и требований к качеству изделий. Стоимость на материал из дерева, полимерной смолы, алюминия (без термо- статирования и с термостатированием) увеличивается в этой же последовательности. ВНИМАНИЕ «Недорогой» инструмент не всегда гарантирует низкие издержки производства термоформованных изделий. Большие партии изделий изготавливать более рентабельно на термостатируе- мых алюминиевых формах. Расчет стоимости производства термоформованных изделий обеспечивает правильный выбор наиболее подходящего материала для инструмента. При заказе инструмента для термоформования необходимо выяснить, включена ли доработка инструмента в цену. Термостатируемый инструмент Инструмент для термоформования из полимерной смолы редко термостати- руют из-за того, что плохая теплопроводность не позволяет полностью использовать термобалансировку. Короткое время охлаждения можно получить только при использовании термостатируемых форм из металла с прекрасной теплопроводностью, типа алюминия. Применение длинных каналов для нагревания/охлаждения длинномерного, напрямую термостатируемого формующего инструмента приводит к высоким потерям давления, если поперечные сечения каналов слишком маленькие. Сильное снижение расхода охлаждающей среды либо ухудшает термостатирование, либо даже делает его неэффективным. Температура инструмента повышается бесконтрольно. Проектируемые термостатируе- мые формы в достаточной степени могут быть рассчитаны в соответствии с главой 6 «Термостатирование инструмента для термоформования». Для опосредованно охлаждаемого формующего инструмента необходимо обеспечить как можно большую площадь контакта или теплопередачи через охлаждающую плиту. Формующий инструмент должен иметь, по возможности, несколько плоскостей разъема, а также не должен снижать диссипацию тепла за счет передающей среды в плите.
230 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Контроль температуры инструмента и регулировка с обратной связью Температура или распределение температуры на поверхности инструмента для термоформования определяют соответствующее качество формованных изделий. Если единственно возможной является регулировка температуры воды в термостатирующем устройстве, абсолютно необходимо контролировать температуру инструмента. Задачей является регулировка датчиками потока воды и/или температуры воды в форме так, чтобы температура инструмента была насколько возможно постоянной. Это определяется уровнем мастерства при изготовлении формующего и вырубного инструмента. Важно установить термопары в нужных местах. Опыт переработчика, так же как изготовителя инструмента, имеет здесь особую ценность. Механическая прочность инструмента для термоформования Термоформующий инструмент должен быть достаточно жестким, чтобы выдерживать давления формования. Поверхность инструмента для термоформования Если на поверхностях изделия появляются маленькие пузыри (воздушные включения), обычно это является признаком отсутствия или плохого отсоса воздуха в инструменте. Остающийся между изделием и формующим инструментом воздух не может быть удален. Поэтому поверхность формующего инструмента должна обрабатываться пескоструйной установкой или загрубляться, если это вообще возможно. Полированные формы являются исключением; только формы для абсолютно прозрачных изделий или только углы позитивных форм необходимо полировать. Выпускные каналы Если полости в многогнездных формах все идентичны, необходимо обеспечить, чтобы были похожими не только выпускные каналы или щелевые отверстия каждого элемента формы, но также и вакуумные каналы. Каждый канал для подвода вакуума должен быть примерно одинакового размера вплоть до подсоединения вакуума к столу машины. В любом случае они не должны быть меньшими, то есть вакуумиропание должно быть идентичным во всех областях. Выпускные отверстия на поверхности формующего инструмента не только служат для удаления воздуха во время процесса формования, но также для подачи воздуха для съема. В частности, для высоких позитивных форм поперечные сечения каналов должны быть достаточно большими для подачи необходимого количества воздуха для быстрого извлечения изделия. Здесь мы рекомендуем использовать высверленные сопла или клапаны. Справочные значения соответствующих конструкций каналов для удаления воздуха см. в разделе 10.3.4.
9 Возможные ошибки при термоформовании 231 9.6 Возможные ошибки/дефекты при запуске нового термоформующего инструмента Обнаружение дефектов уже сразу при установке формующего инструмента в машине экономит затраты, если только это дефекты установки и они устранимы! Очень важна проверка выпускных каналов и поперечных сечений на формах для вакуумформования. Как только инструмент был установлен, необходимо проверить удаление воздуха. Шкала вакуумметра от 0 до -1 должна показывать примерно -0,2 при свободном удалении воздуха для больших форм без материала и примерно -0,3 — для маленьких. Это относится только к формам с полностью герметичными основаниями. Во время термоформования, то есть с материалом, окончательно проверяют значение вакуума, которое должно быть, по крайней мере, -0,9, если машина работает на высоте не более 500 м над уровнем моря (см. рис. 3.1 в разделе 3). Если манометр показывает более низкое значение предельного вакуума, машину и инструмент необходимо проверить на наличие утечек, поскольку предельное значение влияет на отпечаток, время нагрева/охлаждения и, следовательно, непосредственно на цикл формования. Для проверки однородности нагревания желательно начать с установки «общей нагревательной панели». На современных машинах для термоформования листа и автоматических рулонных термоформерах такие нагревательные панели рассчитывают с помощью соответствующего программного обеспечения. Данные по настройке термоформовочной машины, определенные при проведении опытных работ, регистрируют на установочном листе или загружают в банк данных (жесткий диск или дискета). Практика показала, что имеет смысл также распечатывать копии установочных данных — по крайней мере, для самых важных формованных изделий — и заносить их в картотеку. 9.7 На что обращать внимание при изготовлении образцов Все условия при изготовлении образцов должны быть идентичны условиям последующего массового производства. Каждый заинтересованный работник, от инструментальщика до машинного оператора и персонала для механической обработки, должен быть ознакомлен с размерами и допустимыми отклонениями производимого термоформовочного изделия. Если оператор термоформовочной машины ознакомлен с контуром обрезки формовки, в случае необходимости он будет в состоянии принять свое собственное решение относительно точности деталей в обрезаемой области, таким образом способствуя снижению отходов и экономии затрат. Чтобы избежать проблем, важно, чтобы используемый материал был идентичным листовому мате-
232 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ риалу, необходимому для производства, по качеству, сорту полимера, цвету, усадке и фактуре поверхности. При обрезке и установке заготовок необходимо учитывать «положение» материала (направление экструзии). Образование складок и свойства при вытяжке зависят от направления экструзии. Чтобы обеспечить оптимальное использование материала, необходимо точно определить форму инструмента и размер зажимной рамы. Термоформующий инструмент должен быть спроектирован так, чтобы расстояние от линии обрезки до зажимной кромки или плоскости зажима было как можно меньше (отходы!). Размеры зоны формования должны быть идентичными таковым для производственного инструмента. По возможности изготовление образцов и производство должны выполняться на той же самой модели машины. Если по причине стоимости при изготовлении образцов используется позитивная форма, а производство будет осуществляться на негативных формах, оценка конструкции может проводиться только в общих чертах, но нельзя будет сделать заключение по стабильности, распределению толщины стенок и точности отпечатка в производственном цикле. 9.8 Как избежать ошибок при нагревании радиационными инфракрасными устройствами При запуске нового инструмента на машинах для листа всегда можно полагаться на основную нагревательную панель, если она оборудована изотермической регулировкой с обратной связью. 11а однопозициопиых машинах с радиационными нагревателями чем толще формуемый материал, тем ниже устанавливают температуру нагревателя и больше падение температуры в начале и конце времени нагрева. На машинах для листов с контролируемым с обратной связью понижением температуры основные параметры настройки машины изменяют вручную. Но время первых циклов производства необходимо проверить функцию контроля с обратной связью на пилотных нагревателях. Если большое понижение температуры было ошибочно выбрано для короткого времени цикла, может, например, произойти то, что система нагрева не достигнет снова заданной температуры на холостом ходу. Тогда материал больше не будет нагреваться одинаково. Если необходимо изготовить изделия с высокой степенью вытяжки и/или высоким качеством воспроизведения деталей, ненагретые формующим инструмент и зажимные рамы необходимо нагреть до рабочей температуры перед началом производства. Для достижения однородного нагревания па автоматических рулонных тер- моформерах должны быть выверены расстояние между станциями нагревания а
9 Возможные ошибки при термоформовании 233 Рис. 9.11. Схема нагрева рулонного материала в машинах-автоматах: а — зажимная рама в станции формования; Ь — направляющие для цепей; с — нагреватели; d — отражатели для цепного конвейера; е — зеркальный отражатель (только со стороны нагревателя); f— экранирование вертикальным поперечным зеркальным отражателем; подача (шаговая) материала: 0 —зона станции формования; 1,2, 3 —зоны нагрева; 4— зона захода материала формования, а также длина нагревательной системы для того, чтобы весь формуемый материал имел одинаковую температуру на стадии формования. Если важно, чтобы материал имел однородную температуру вплоть до краев, должна быть проверена термическая деформация зажимных рам в машинах для листов или цепного конвейера на автоматическом термоформере для рулонов. Если на станции нагрева в машинах для листа рамы выполнены не из алюминия, то в них на верхней раме должны быть установлены алюминиевые отражатели. На нижней раме в 99,5% случаев должно быть напыление из алюминия. Для автоматических рулонных машин для формования направляющие для цепей в области нагревания и обратная сторона рам должны быть облицованы отражателями в направлении излучения тепла. Если длина нагревательного устройства не может быть подогнана за счет отключения радиационных нагревателей или регулировки с обратной связью поперечных нагревателей до целого числа /, кратного длине подачи, то избыточная длина нагревания должна экранироваться. В трудных ситуациях рекомендуется устанавливать зеркальный отражатель по вертикали поперек направления подачи (рис. 9.11), также см. раздел 5. 9.9 Ошибочное давление формования Для получения точной геометрической конфигурации изделий важно выбрать правильное давление формования. Слишком низкое давление формования имеет место: • из-за плохого уплотнения резиной инструмента и зажимной рамы; • на однопозиционных машинах, когда основание формы слишком высокое;
234 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ • когда неиспользуемые присоединительные отверстия на столе не заглушены; • если зажимные рамы на станции формования были деформированы из-за слишком слабой или слишком сильной затяжки; • если плиты основания неровные; • если в качестве опорной плиты используются воздухопроницаемые слои из дерева; • если трубопроводы с утечками; • вследствие ошибок, сделанных при установке машины, например, плохой подачи сжатого воздуха из-за слишком маленьких поперечных сечений отверстий и трубопроводов. Когда несколько машин объединены в замкнутую линию, и одновременно все машины работают при полной нагрузке, значения вакуума или давления формования будут неустойчивыми, если линия не справляется с подачей. 9.10 Предотвращение складок Причины образования складок, встречающихся при термоформовании, можно разделить следующим образом. Складки, связанные с материалом: • поверхностные складки из-за слишком большого провисания материала во время нагревания; • ориентационные складки, вызванные избыточными ориентационными напряжениями при экструзии материала. Складки, вызванные конструкцией инструмента: • угловые складки на позитивных формах; • складки при вертикальных стенках в углах, если радиусы или конусность слишком маленькие; • складки, вызванные недостаточным расстоянием между отдельными гнездами в мпогогиездных позитивных формах; • складки в глубоких негативных формах при коэффициенте формования, превышающем 1 : 0,4, и очень большом отношении длины L к ширине В. Характерное для процесса образование складок происходит, если: • осуществляется слишком большой по высоте предварительный раздув во время предварительного формования; • слишком большие скорости формования из-за процесса всасывания через вакуумное отверстие со слишком большим поперечным сечением; • скорость формования слишком мала, поэтому тонкий материал слишком сильно охлаждается перед формованием.
9 Возможные ошибки при термоформовании 235 Складки никогда не образуются при вытяжке материала, а только при его усалке, если температура формования слишком низка и/или скорость усадки слишком высока. Как избежать образования складок: • Меньше нагревать материалы, у которых слишком велико провисание. • Больше нагревать материалы, если не применяется или применяется небольшой предварительный раздув, а материал пока еще не слишком сильно провис; увеличить температуру формующего инструмента. • При осуществлении предварительного раздува немного его убавить, применить меньший нагрев и более медленное всасывание, если возможно. Увеличить температуру формующего инструмента. • Уменьшить область формования. • Установить пуансоны, заставлять маленькие складки входить в контакт со вспомогательным пуансоном или снизу подпирать складки пуансоном соответствующей конфигурации во время предварительного раздува. Один вспомогательный пуансон используют для предварительной вытяжки полимерного материала в области образования складок во время процесса формования. • Изменить конфигурацию формующего инструмента путем создания дополнительных поверхностей: увеличить величину радиусов, конусность или объем инструмента ниже складок. 9.11 Устранение неисправностей В табл. 9.3 и 9.4 был собран материал для помощи в обнаружении неисправностей при термоформовании. Неисправности делятся на ошибки, зависящие от изделия, технологии, термоформующего инструмента, термоформовочной машины, формуемого материала и/или конструкции.
имяохохве эинвпзс1лв11 aondowoHHBcIaji йшшьиохэЛэн вмиоис1оф^ (зонхээш) имяои^офТншвяшвхд имнохохве ии11воос1.шн иAи чхэохэшигод S а в о 5 а. о •е- 3 о -е- с; "Iqimlnadj.odHHw эмнхээдо имевши эмнхээдо "ампокЗоф я iqirnlnodx xnswXdxsnH вн HMHOKdodp эинвншгвдо woxiiawXdxsmi d эхмвхном win импохолве awdEBj hwbWeohj XVsksw йшёюРу xbitjX я им)/в1П13 HX30HXdOHOU BH HMlTBITM^ монэхэ BiiHlnirox BEHdawoiiHBdojj iqirxX эиннох 4xaoiixd3HOU квянох ИМНЭХЭ Э1ЧЯОМ09 ЗИМНОХ HX30HXd3HOH Bit BHlXl/Eg KBHEBd900Hh09 qxoonxd3HO]j iqtfolfD 3HM33I.HdXH3tlHO}J HXSOHXdDHOII BH КИНЭЬОПГМЯ 3I4]IIIlXl/E0g qxoonxdsaou квннэнЕвйлв£ MoivodM HxsoHxdsflou вн MHxdXg HX30HXd3H0U EH KHHStfJKBITXO МХГЭЬ'Э ivoxH3ivXdx3HH э вхмвхном эинхэхХэхо эинхэьэн иное 3iqaoBd>j ИХЭОМХЭЬ 3HHX3XXoXQ
9 возможные ошибки при термоформовании 1 1 1 • • О • а О с? •L. ■ н - Ч| С а с 3 ' а • • 1 i \ • • • • 5 О 5 га с 3 1 5 - & : li. : g£ е. и : = Ь* £ : о' - э t- * J О « • • • • • 1 ! j I • • • Я ЕС О С о ■е ее; га и И • • 5 1 С 1 т С S3 Е- 'с с Е- ч о г С с \ ГЗ 1 ее f ^ 1 - £ i £* 3 <* 3 ь 3 н \ с • • • X н и 1 г- У CJ с ' 1 с н СП н <LJ <_ Е- с • • • о с S X с с с Е- (_ "с с . t с С 1 - • | . 1 • 2 с с о о с с т • • • 5 С" О те н ■ о: п Г" 1 tf • • • • • пз X >■ Р1 (V о со 2 о ■В ГО i о о ГД г- £ \£. К | Слишком быгтпый подъем инструмента • • • • • • PI п ' 5 о о о с и с и о р с с • • о 5 г- X . о 6 ■1 • • с н о £ о Г" « о н а о ш СО • Зажимные кпомки не отменяются немеппенно • I I I • п с. гг е ПЗ ГО г: са £ от • • Отсутствует вспомогательный пуансон (подача СЛИШКОМ МС.МЛСППЯЯ^ • • I 5 2 | • S с ее с О 9 та 15 о с С CQ • Поверхность вспомогательного пуансона слишком • CJ - Вспомогательный пуансон слишком холодный м S V S >. н s и U 3 9 >, ? а о ■е- е ^ о ■ft- ч — — • • — А :1ч 3 S у U • • — — — • 1 ;-£ э- с >: Е с « -J Э ц U < * а a г; ь С \с к :2 • • • • • пескостру тый ^-J- rt '3 о Э х fd jj ц ^ 2 S а о Ш и
238 S to ж ТЕРМОФОРМОВАНИЕ iiMHoiOJBfi omieiiadjmi зот1эмонявс1ац квниьиохэХон емяоик1оф ввхАшоеи вмпоиAоф (эонхээи) имяо!мс1оф эшпши.гкхд нняохолве иимвяос1лвн и<1н чхэохзишгод О niurtiiDdiodMHW омнхэорм иэШЫгмэ эмнхзэрм э>шож1оф я wnntnadx XHawXdxDHH вн имнсшйоф эиивншгвн иохнэклйхэни э эхмвхном Hdu имяохолве HwdeRd иивМеэнл Ллкэи mtttevxj xbitjX я имквггм;) S а. HXOOHXdDHOU ВЦ KtWlCXQ НОНЭХЭ ВШШ11ГОХ KBIcdDWOHOBdOfJ 1Ч1ГЛ/С ЭИННОХ •е- о qioonxdaaou ивмнох ИННЭХЭ Э1ЧЯОМ09 ЭИМНОХ HiDoiixdDHOii вн кихХьГед KBHCBd9ooMh09 qxooHxdaaon 1Ч1?Э1ГЗ DHM03I.HdXH3tllI0JI HxooHxdaaou вн кинэьонгмо эгонт&Геод 4XD0HXd3H0U HBIIIIOHEBdjBg aowoda HXDOHxdDaou вн MHxd^g HX30HXd3H0U ВН КИНЭ1ЛКВ1ГХО 1Ч1ГЭ1ГЭ woxiiswXdxoiiH э bxhbjjiom эияхзхХэхо ЭИНХЭЬЭН NIIOE 3Ha3Bd}£ ихэомхэь эияхэхХзхо
9 Возможные ошибки при термоформовании 239 д. -J я п: р. я z -1 к т 63 X м К а са 5 л н a •е о ч • • га ОМ RIV1HK * и та С 1 * • • • ом мала и о та d | Ц d • с и сна неж ь с л: С % * . С я • — • — — — — • 2 5 2 X = | % ~ . г Я — — — ■— — — • = плотнен с- о с . с с та . с [И • 1СНИЯ ГО VIIЛОТ с с Е н- >■! • • • • • сс с F та 3 С С; С я: С £J • 1ВНЫЙ = с и CJ Е :Д • • • • • • та -- СО £ з - С С стемнеет лишком м С ? с а • • та иного фильтр > та в; та rol этовки заг Дефекты • Заготовка неправильно хранилась ("вертикальное • • Заготовка выбпана слишком тонкой * • 3 1 'с с о С Я С т и с р га • Запашка имеет шюгюлиые включения • • Заготовка вытянута с олиой стопопы • • Заготовка имеет высокую чтяпку « « • > с с ■6 О с С Е- та :* Р Е та СП • 2 та я с с с 1 £' = s >. Ь: 2 О S- р с? м = it я О «I
240 _™юформоВание я кохнэм Мхопи о зхмвхиом ИAп имиохо.пн: Hindce^ монэхэ внШшгох KBiidowoiiimclaii рпглЛ зимиох (эинеяонэо) •aaoiixdoHoii kbmhoj. ИЯНЗХЭ 01ЧНОМО9 ЭИМНОХ о а. о •в- ? \& и ■е- « HXDOiixdatiou вн вихЛгад ifciiEEd900Mh09 4xooiixd3Horj i4l/oira 3HM00hHdxii3iino>i Hxooiixdoooii вн bxMeoh вииэьонтд "qXDOHXdsnOU BBIIHDIIEKdjBg MowodM BiiHliiirox BBiidowoHaBdoj-j HXDOIIXdOOOU ВН ВИНЭ1/ЖВЮСО 1Ч17Э1Г) X « о s a о •е- о 5 ю V X в s п. с * Р и о в (в а. к о к v is 1) Я О Я п £ Koxiiaw^dxDiiH э вхмвхном эияхэхХзх0 ЭИНХЭЬЭИ 1ЧНОЁ DMHhOWOdjI ихэонхэь эияхэхХэхо ЭИМОЭ1ЧН ЮОМШИ1ГЭ И»П01\A0ф HMJVOd^I ЭОХЭ1ГОХ иожпшгэ имнои^оф эиивяонэо KoxaBwoir EHaoKdoQ BoxaXdi«f39Bxm oxoiru шги miaAdmagvim эн EMaowdocj) HaiiEBdjBE ЧIrифodu ии1н^жэ^ WtfOXXO ХЭВаИХВЯХВЁ BMHOIvdo<J) BBHf oirox моятшгэ 'ввмнох моятшгэ нмнок^Оф КЭХЭ^ИИ.^офэС L'MUOR'dO(J) xBdswced я вэхэвтчнэиХ BMHowdofl) HHiiBflsdjBH Hdn BDXHgodoM вянохолв£ эхнэи/Мхэни кэЬюьСнйоф - эмиои^оф я iqiinhiedx xiwwXdxsim вн имаок<1оф dhiibiihitbjj WOXH3WXdX0HH 3 ЗХМВХИОМ Mdll ИМНОХОХВЕ OWdEBJ u - v •e S" V - S 8- s- 5- u О 4 - о в X - к 2 a о о о о ГС1 ГС| I С о о >> X О С ё\
9 возможные ошибки при термоформовании 241 • • • • • • Сжатого воздуха недостаточно Плавление слишком низкое) • Сжатого воздуха слишком много f Плц1«нть ^явление) • • • • Сжатый воздух отключен слишком рано • КпттГюння давления сжатого воздуха — • • • Высота обрезки установлена неправильно • • • Заготовка задевает форму при транспортировке • • Уменьшение нагревания • • Сквозняк над пленкой (открытые двери, окна) • Уменьшение скорости • • Увеличение скорости • 5 ь о =J 1 S 3 а. о о л н га S3 о С s ?■■ К о • Плохо отполированные поверхности • Заготовки загрязнены • • • Вспомогательный пуансон отодвигается слишком медленно или слишком поздно (отрегулировать скорость) • • Вспомогательный пуансон слишком мал • Изменить уровень выталкивания в канал укладчика • Увеличить глубину вспомогательного пуансона • • • Вспомогательный пуансон не отцентрован по вставке в форме, изменить размеры при необходимости • • Вспомогательный пуансон слишком шершавый • • • • Вспомогательный пуансон отодвигается слишком рано • • Уменьшить вспомогательный пуансон • - Вспомогательный пуансон не отцентрирован 16 Зак 796
s 3 I О похнлкЛМхэни э охмвхпом ndii импохохве ni4dEB<j монаха Bimfinrox ki;iicIowoiiiib(Id|X iqirjX ЭИ5НЮХ (эинваонэо) чхэопхсТэаои kbxiioj, ижнэхэ эпаомор dhmiiojl ихэонхёэяон вн KHiXveg в о S п. о •е- •е- О BBiiEBd9oo>ih09 чхэонхйэяоц 1ЧСЭ1ГЭ 0HM03hMtlxil3tlIIO>I uxooiixdgaou вн вхЛ/еоа кинэьонтд 4X3OHXd0HOU BBHHDIIEKdjBg MoivodM внипнгох BBudawoHHBdou HXDOiixdaaou вн кинэИжви'хо 141/01Г3 woxnawXdxaiiH d вхмвхнон эияхэхХэхо эимхэьэн иное awiihoivodjj ихэомхэь эивхэхХэхо эимоэма июмглиггэ инаокйоф HMWodjj ЭОХЭ1/ОХ иомтшгэ имаои^оф эинвяонэо кэхэвио!; B>raowd<^ BOi3Xdmr39Bxm oxoiru шги кэ^эЛётгэдтшп эн вмаок^Оф HSHEKdjBE ЧIfифodU ИИ1пЛжЭ<| nlToxxo хэвямхвяхвё вннои^Оф KBHf oirox контшгэ 'квмнох ионтш/'э вннор^оф BoxaXdHwdc^aB' вняо1«1оф xedDweed я вэхэвтчнэгоХ вмвоик!оф HUlIBtlod IBH Hdu BDXHgodOM BMBOlOJBg 3xnaw,<dxonH иэпкмХи^оф - эмнои^оф я NiMtnadj, xiioiv/Cdxoiin вн иниш\ч1оф эинвшилщ woxiiowAdxoHn э эхмвхнон udu имвохохвё aiqdcB j o VO Л о. о о s\ В , * Я о Я Й1
9 Возможные ошибки при термоформовании 243 • i Инструмент недостаточно уплотнен • • • • Охлаждение инструмента недостаточно • • • • • Вентиляционные отверстия слишком малы/слишком мало • Увеличить давление прижимающего устройства • Форма загрязнена • о Ег о •*. о г; О са пз t- 3 * • • Прижимное устройство/контактные щетки слишком слабые, слабые пружины • • Вспомогательный пуансон слишком мал • Вспомогательный пуансон слишком велик • • • 3 о т 5 о S- о • • • • Форма вспомогательного пуансона Я о н п заг фекты • • • Заготовка выбрана слишком тонкая • • • • • Заготовка неравномерной толщины • • Заготовка имеет инородные включения • • Заготовка вытянута с одной стороны • • • Заготовка слишком усаживается ' • • • • • Заготовку трудно формовать • • • • Заготовка имеет узкий интервал формования • • Заготовка не держит тепло о £ л,
10 ТЕРМОФОРМУЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ В содержании этого раздела изложены только общие рекомендации по отношению к термоформующему инструменту. Из-за больших различий в областях применения и типах выпускаемых термоформовочных машин в последние годы выделилась отрасль специалистов — изготовителей инструмента. 10.1 Основополагающие принципы Проектирование термоформующего инструмента зависит от размера партии, используемой термоформовочной машины, существующих устройств для механической обработки, геометрической формы и размерной стабильности, а также требуемого качества поверхности. Размер партии Только небольшие количества опытных образцов производят на недорогой оснастке из дерева или полимерной смолы. В особенности это относится к тем случаям, где изначально это только вопрос оценки конструкции изделия. Однако если образцы также предназначены для получения данных по усадке, стабильности размеров и времени цикла, то необходимо будет изготовить опытную одногнездную форму, которая способна работать в условиях производства. Производственная оснастка в основном изготавливается из алюминия или путем комбинирования алюминия со сталью. Сочетание алюминий- смола используется редко. Геометрическая форма Конструкцию, стабильность размеров и требуемое качество поверхности обычно необходимо оценивать одновременно. Однако часто возникает, по крайней мере, одна позиция, где необходим компромисс. Это происходит, например, когда конструкция изделия и стабильность размеров требуют негативного формующего инструмента, а поверхность с высоким глянцем должна находиться на
10 Термоформующий инструмент 245 стороне, противоположной инструменту, что характерно для позитивного инструмента. Сторона, заказывающая изделие, должна будет уступить по одной из двух упомянутых позиций для производства изделий в оптимальных условиях. Опыт показал, что нежелание идти на компромисс и игнорирование технических ограничений переработки приводят в таких случаях к неудаче. Размерная стабильность Сторона изделия, контактирующая с инструментом, всегда имеет большую стабильность размеров, чем обратная сторона. Если понадобится впоследствии изменить толщину материала по причине жесткости, это вполне может привести к изменению позитивного инструмента на негативный. Допустимые отклонения размеров на формованных изделиях никогда не должны устанавливаться менее ± 10% от величины усадки! Поверхность формованного изделия Структура поверхности на лицевой стороне изделия может быть сформирована только со стороны, контактирующей с инструментом, если на формуемом материале уже не было готовой структуры. Изделия с прекрасной глянцевой поверхностью должны изготавливаться, по возможности, таким способом, чтобы глянцевая сторона не контактировала с поверхностью инструмента, например, негативное формование ванн и бассейнов. Механическая обработка Необходимо предусмотреть дополнительно 6-8 мм по высоте изделия, если зажимные кромки должны будут отрезаться на механической горизонтальной пиле. Также необходимо сделать припуски для другой механической обработки: фрезерования, лазерной или водяной резки по месту на формующем инструменте. Также необходимо учитывать минимальный зазор между режущими кромками штаицевых ножей, а также ширину зазора при вырубке или штамповке. Усадка и деформация Для пластмасс, которые подвержены высокой усадке (например, полиэтилен), некоторые изделия все-таки деформируются, несмотря на все известные предосторожности при охлаждении (термостатирование инструмента и изменение времени охлаждения). В этих случаях конфигурация формующего инструмента может быть изменена в соответствии с отклонением геометрических размеров изделия. ПРИМЕР ■ Хотя боковые стенки изделия остаются прямыми, центр основания сплющивается примерно на 10 мм; можно увеличить размеры основания формы в соответствии с этой деформацией.
246 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Значения усадки При производстве термоформующей оснастки необходимо учитывать следующие значения усадки: • Технологическую усадку термоформованного изделия (значение усадки характерно для каждого вида полимера). Если неизвестно точное значение усадки, оно должно быть установлено при проведении испытаний образцов или формованных изделий аналогичной формы. , ВНИМАНИЕ г Значение усадки должно определяться таким способом, что- | бы исключить деформационные изменения размеров. • Усадку промежуточную, если таковая используется, модели (из керамики, силиконового каучука). • Усадку материала, из которого изготовлен инструмент (например, усадка алюминия при литье). 10.2 Выбор материала для термоформующего инструмента При изготовлении оснастки используются следующие материалы: • гипс, неармированный или армированный стекловолокном (в основном при проектировании моделей); • дерево для получения ограниченного количества образцов; • полиуретановые литые смолы (PU) для изготовления моделей и опытных образцов; • эпоксидные смолы для изготовления форм небольших объемов партий; • воздухопроницаемые пластины из наполненной алюминием эпоксидной смолы; • наружняя поверхность из литой смолы с термоконтролируемой алюминиевой сердцевиной; • алюминий в форме плит, полученных точным литьем в керамику или литьем в песчаную форму. 10.2.1 Деревянный инструмент Любой вид дерева подходит для изготовления мастер-модели. Если инструмент требуется только для изготовления образцов, можно использовать мелко-
10 Термоформующий инструмент 247 пористую древесину со слабо выраженной склонностью к растрескиванию под действием тепла, типа клена. Оправки для предварительной вытяжки и деревянные формы изготавливают из фанеры. Фанера из бука, пропитанная фенольной смолой, используется как конструкционный материал. Деревянные формы никогда не окрашивают. Для ухода за деревом в качестве смазки поверхности инструмента может использоваться жидкое мыло. 10.2.2 Оснастка из смолы Есть различные способы изготовления инструмента из смолы. • Литье смеси смол в «негатив» модельной формы подходит для объемов примерно до 2000 см3 и максимальной высоты инструмента 40 мм. «Негатив» может изготавливаться из следующих материалов: пластмасс, например, термоформованное изделие, алебастра, дерева или силиконового каучука. • Поверхностный слой смолы создают с помощью заделки неровностей или за счет слоистой структуры (качество, достаточное для получения образцов). Негатив модели покрывают загустевшим верхним слоем, а затем заделывают за счет забивания в пористый материал. Ламинат приклеивается к модели (негативу). В зависимости от размера эта оболочка ламината затем заделывается и стабилизируется. ВНИМАНИЕ Если возможно, не используйте перегородки в конструкции! • Отливка лицевой поверхности из смолы Прежде всего, сердцевину как основу для лицевого слоя получают отливкой смолы. Эта основа состоит из пористого уплотненного материала. Сердцевину затем вкладывают в негатив или в мастер-модель. При отливке лицевой поверхности полое пространство затем заполняют литьевой смолой. Метод похож на литье металлов. • Формующий инструмент из смолы или металла с напыленным металлическим покрытием Тонкий слой металла напыляется на инструмент, изготовленный одним из вышеупомянутых методов, используя процесс напыления металлов. Благодаря методу напыления этот металлический слой имеет вид «грубо обработанной пескоструйкой» поверхности. Это гарантирует беспроблемное удаление воздуха. Однако этот метод встречается редко и его практикуют только несколько фирм. • Заполненная смолой оболочка с металлическим напылением Негативную модель методом напыления покрывают слоем твердого ме-
248 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ талла толщиной не менее 1 мм, а впоследствии заполняют смолой с металлическим наполнителем. Применяемая смола должна быть безусадочной. Преимущества смол: • высокая точность воспроизведения (и, следовательно, также воспроизводимость); • легко и быстро перерабатывается; • никаких проблем с усадкой; • в большинстве случаев достаточная прочность. Недостатки смол: • очень плохие проводники тепла (поэтому большое время цикла); • плохая термобалансировка; • снижение прочности при увеличении температуры. 10.2.3 Алюминиевый инструмент Алюминий является предпочтительным материалом для изготовления тер- моформующего инструмента. Преимущества алюминия — его хорошая теплопроводность и легкость обработки. Путем применения определенных сплавов также удовлетворяет высокие требования к прочности. В настоящее время современные автоматизированные методы фрезерования позволяют этот материал использовать даже для совсем небольших форм. Литье в песчаную форму или точное литье в керамику необходимо использовать для изготовления алюминиевой оснастки только в тех случаях, когда механическая обработка оказывается неэкономичной. Здесь необходимо помнить, что даже модель, полученная литьем, как правило, затем обрабатывается фрезерованием. Изготовление алюминиево-керамических точных литьевых форм Последовательность процесса: • Изготовление модели, обычно из дерева. • Изготовление керамической литой формы но модели. • Изготовление оснастки путем заливки высококачественного алюминиевого сплава в керамическую форму. Формующий инструмент с лицевой литой поверхностью из смолы с охлаждаемой алюминиевой сердцевиной (рис. 10.1) Последовательность процесса: • Получение ламината (стеклопластика) на мастер-модели. • Изготовление модели для отливки алюминиевой сердцевины.
10 Термоформующий инструмент 249 • Заливка алюминиевой сердцевины (литье в песчаную форму) обычно через «забытый сердечник» вспененных моделей. • Нанесение облицовочного слоя из смолы на алюминиевую сердцевину (с ламинатом в качестве негатива) для получения окончательных размеров формующего инструмента. Преимущества этой оснастки: Рис" 10-1 ■ Конструкция формы с лицевым слоем из литой смолы: • способность к термостатированию /-лицевой слой из смолы; 2 - алюми- ИЗ-за алюминиевой сердцевины; ниевая отливка; 3 — охлаждающие трубки • никаких проблем с усадкой; • очень точная воспроизводимость при незначительном использовании механической обработки; • инструмент можно легко изменить. Недостатки: • требуется как тонкий, так и однородный по толщине слой смолы; • необходимо очень хорошее соединение алюминиевой сердцевины со смолой. Выбор между алюминием и смолой как материалом для термоформующего инструмента В принципе, и эпоксидная смола, и алюминий могут применяться в качестве материала для промышленных форм. Существенное различие состоит в теплопроводности, то есть времени охлаждения или времени цикла. Смола не подходит для тонких перегородок или обособленных стенок из-за того, что она легко крошится. При использовании сочетания материалов, например, смолы с алюминием или алюминия со сталью, необходимо учитывать разницу коэффициентов температурного расширения в продольном направлении. 10.2.4 Стальной инструмент Благодаря сочетанию прочности/твердости сталь в основном используется в комбинированном формовочно-вырубном инструменте. Примеры использования, где характеристика твердости является решающей, это плиты и режущие части штампов, направляющие, болты, канавки для вырубки зубчатыми ножами. Если важно в формовочно-вырубном инструменте поддерживать расширение или режущий зазор между двумя половинками формы в пределах нескольких микрон, преимущественным является сочетание материалов сталь/сталь.
250 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ 10.2.5 Специальные материалы для термоформующего инструмента В продаже имеются воздухопроницаемые листовые материалы, в состав которых входит эпоксидная смола и алюминиевый порошок. Этот материал имеет преимущество для получения необходимых выпускных или вакуумных отверстий. Сначала необходимо проверить, достаточно ли материал прочен для изготовления сложной оснастки, например, с узкими ребрами. При усадке полимерных формуемых материалов на форме, а также при извлечении изделия из формы возникающие усилия могут привести к повреждению инструмента, например, поломке ребер. Характеристика охлаждения, которой является теплопроводность, примерно соответствует теплопроводности инструмента из наполненной алюминиевым порошком эпоксидной смолы в отсутствии охлаждения. Высококачественная, но также и дорогая оснастка может изготавливаться в виде пористых оболочек из никеля специальным методом гальванопластики. Толщина оболочек примерно до 2 мм. Их впоследствии заполняют и снабжают охлаждающими трубками. В специальных случаях, когда необходимо короткое время охлаждения, при изготовлении оснастки используют высокопрочные медные сплавы, типа бериллий-медь. 10.3 Руководящие указания по проектированию термоформовочного инструмента 10.3.1 Уклоны боковых стенок В процессе формования полимеры усаживаются на формующем инструменте при позитивном формовании и отходят от стенок при негативном формовании. Для негативных форм такая усадка дает «преимущество» только при съеме с одногнездных форм. Свойство усадки в негативных многогнездных формах необходимо рассматривать как усадку па позитивных формах, потому что формуемый материал усаживается на перегородках, соединяющих гнезда. Ориентировочные значения уклонов боковых стенок (см. также раздел 3.7) • Уклоны боковых стенок всегда должны быть как можно больше, в особенности для позитивных форм. • Для обычных позитивных форм уклоны не должны быть менее 3°, а для низких позитивных форм 0,4° B4 мин) — минимальный уклон боковых стенок. При уклоне менее 0,4° для съема изделия необходимо использовать закладные элементы.
10 Термоформующий инструмент 251 • Негативные одногнездные формы могут, если это абсолютно необходимо, изготавливаться с уклонами стенок до 0°. Для негативных многогнездпых форм применяют те же значения, что и для позитивных форм. • Уклоны стенок для гравированных негативных форм зависят от глубины гравировки. 10.3.2 Радиусы Радиусы R в негативных областях необходимо выбирать таким образом, чтобы полимерный материал полностью ложился на инструмент при формовании (рис. 10.2). Отсутствие контакта с инструментом означает более плохую диссипацию тепла в этих областях, что приводит к увеличению времени охлаждения. Кроме того, формованное изделие деформируется из-за различия скоростей усадки в более быстро и медленно охлаждаемых зонах. На изделии, которое не полностью контактирует с инструментом с «негативным радиусом», также будет недостаточная воспроизводимость конечных радиусов, поскольку для большинства изделий процесс будет неконтролируемым. Справочное значение радиусов R, исходя из средней точности воспроизводимости: R=\,5-s, где s — исходная толщина материала. На готовых изделиях легче получить острые грани на верхней поверхности позитивной формы, чем острые грани в нижней части негативной формы. В негативных зонах (рис. 10.2) почти для всех термопластов независимо от толщины материала 5 достижимы минимальные радиусы R около 0,2-0,5 мм. Предварительным условием является относительно низкая вытяжка (коэффициент фор- а) ь) Рис. 10.2. Радиус Я в негативной области: а) неправильный; to) правильный
252 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ мования Н: Wro 0,4 : 1), высокая температура материала и, соответственно, высокая температура инструмента. При пневмоформовании желательным, но не необходимым является высокое давление формования. 10.3.3 Шероховатость поверхности формующего инструмента Лучшие результаты формования достигаются на поверхностях, обработанных пескоструйной установкой. Если поверхности слишком гладкие, то не удается удалить воздух из пространства между инструментом и материалом. Это приводит к воздушным включениям или кольцевым или волнообразным отпечаткам на изделии. Если поверхности слишком шероховатые, поверхность изделия будет казаться загрязненной. Также это будет затруднять скольжение материала. Кромки, по которым полимерный материал должен скользить, могут загруб- ляться плоским напильником в направлении движения. На высоких позитивных формах могут полироваться углы. Полученный коэффициент трения влияет на толщину стенок изделия. Поверхности можно полировать, если воздух не будет захватываться. Производство абсолютно прозрачных изделий, где захватываемый воздух является целью, составляет исключение. Абсолютно прозрачные изделия, формуемые из листа, лучше изготавливать с помощью каркасных форм (см. раздел 4.6.4). Если это невозможно, инструмент необходимо полировать. Прозрачные фрагменты изделий также можно получить при целенаправленно применяемом плохом удалении воздуха. Из-за таких недостатков, как неконтролируемое охлаждение и коробление изделия или, например, его деформация, этот метод вообще нельзя рекомендовать. Деревянную оснастку не окрашивают и не покрывают лаком. Толстые слои лака отскакивают и скалываются. Гладкие поверхности приводят к захвату воздуха и неудовлетворительному поведению при скольжении. 10.3.4 Поперечные сечения каналов для выхода воздуха Количество и диаметры каналов и ширина щелей для выхода воздуха должны быть достаточно большими, чтобы быстро удалить воздух (вакуумировани- ем). С другой стороны, они не должны оставлять никаких следов на поверхности формованного изделия. Поперечные сечения каналов для удаления воздуха Сверление в интервале 0,4-0,5 мм: • для негативных форм с очень высокой точностью воспроизведения;
Ю Термоформующий инструмент 253 • точно в области гравировки; • для ПП и ПЭ, перерабатываемых пневмоформованием выше температуры плавления кристаллов. Сверление в интервале 0,5-0,6 мм: • вообще для пневмоформования; • для ПП и ПЭ при вакуумформовании; • для вакуумформованных чувствительных видовых поверхностей, таких как глянцевые или крупнозернистые поверхности. Сверление 0,8 мм: обычно применяется при вакуумформовании. Сверление 1,0 мм: для толстых листов толщиной от 6 мм и выше, но не для ППиПЭ. Сверление от 1,0 до 1,5 мм: для гибких вспененных материалов. Высверленные отверстия диаметром е/3 = 6 мм (рис. 10.3): для вакуумформо- вания. Высверленные отверстия диаметром d3 = 8 мм: для очень больших удаляемых объемов, например, для негативных форм с глубокой вытяжкой и полной площадью формования. Щелевые выпускные отверстия Щелевые отверстия 0,2-0,3 мм: для ПП и ПЭ при всех толщинах материала при контактировании инструмента с лицевой стороной; для других материалов — до 0,5 @,8) мм. Щелевые отверстия 0,5 мм: обычное значение. Щелевые отверстия 0,6-0,8 мм: при очень быстром вакуумировании. Прежде всего для инструмента на автоматических рулонных машинах с маленькими циклами формования, но не для ПП и ПЭ. а) Ь) с) Рис. 10.3. Рекомендации для удаления воздуха: а) вертикальное по отношению к поверхности формы отверстие для удаления воздуха; о) отверстие для удаления воздуха с внутренней стороны «негативного радиуса»; с) канал для бокового удаления воздуха
254 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Отверстия и щели для удаления воздуха расширяются с внутренней стороны формующего инструмента сверлением отверстий большего диаметра D-10 мм) или большего поперечного сечения (рис. 10.3). Выпускные отверстия на поверхности формы d\ должны соединяться с большим диаметром d2 уже диаметром 2-4 мм с переходом в еще большие выпускные каналы d-A. Если выпускные отверстия dx будут слишком длинными (глубокими), то скорость отсоса будет уменьшаться. Также их значительно труднее изготавливать. Проектирование системы каналов для удаления воздуха Система выпускных каналов разработана правильно, если поток воздуха проходит без задержки (вызванной ограниченным поперечным сечением) от поверхности инструмента до выпуска воздуха (подвод вакуума). Состыковка в системе выпускных каналов должна быть разработана так, чтобы поперечное сечение каждого канала увеличивалось в направлении воздушного потока. «Качество» удаления воздуха на вакуумных или вакуум- и пневмоформовочных машинах ориентировочно может быть установлено следующим образом. При условии, что вакуумметр на термоформовочной машине без инструмента показывает значение -0,2 (интервал шкалы: ОД), когда вакуум включен, инструмент установлен, но материал отсутствует, его показания не должны превышать следующие значения: -0,2 для больших форм; -0,3 для небольших форм. При полном использовании площади формования сумма поперечных сечений на поверхности инструмента должна быть больше, чем поперечное сечение вакуумного отверстия на столе формовочной машины. 10.3.5 Полости Большие внутренние полости, в основном встречающиеся в позитивных формах, должны быть заполнены деревом для того, чтобы сократить время ва- куумирования. В зависимости от толщины стенок формующего инструмента полости необходимо укреплять. Необходимо учитывать возникающую нагрузку на поверхность при вакуумировании. 10.3.6 Термостатируемый инструмент Помимо придания формы формуемому материалу, инструмент также должен охлаждать полученное формованное изделие, пока оно не приобретет размерную стабильность. Стабильное качество изделия можно получить только при соответствующей температуре инструмента. В машинах для формования
10 Термоформующий инструмент 255 листа формующий инструмент, а также зажимные рамы в случае необходимости термостатируются отдельными устройствами нагревания/охлаждения. Вода используется как нагревающая/охлаждающая среда. В устройстве для нагревания/охлаждения вода нагревается электронагревательными элементами с использованием теплообменника для охлаждения либо водопроводной, либо охлажденной водой. Вода может нагреваться до 150 °С в замкнутом контуре при напорном давлении 5 бар. В автоматических рулонных термоформерах формующий инструмент, а также иногда форматные детали типа прижимных рам охлаждают водяными холодильниками. Варианты термостатирования (также см. главу 6) Алюминиевые формы могут термостатироваться прямо или опосредованно. Пряное термостатирование проводится через систему каналов или трубок, которые встроены непосредственно в формующий инструмент. Системы могут состоять из глубоко просверленных отверстий, залитых (встроенных) трубок, фрезерованных каналов, заделанных медных трубок. Хотя встроенные трубки обеспечивают хороший охлаждающий эффект, позднее это может привести к проблемам. Из-за относительно неточного расположения трубок последующая доработка (например, сверлением) или ремонт могут оказаться затруднительными. При косвенном термостатировании используют термостатируемую плиту (сегмент опорной плиты), на которой установлен формующий инструмент. Количество переданного тепла зависит от площади контакта между термостати- руемой опорной плитой и формующим инструментом и теплопроводности применяемых для форм материалов. Для косвенно термостатируемого формующего инструмента поверхность контакта должна быть наибольшей, а также плоской с минимальной шероховатостью. Формующий инструмент необходимо закреплять достаточным количеством болтов для обеспечения хорошего контакта сегмента формы с охлаждающей плитой. Незначительная шероховатость, типа следов от фрезерования от проходов по поверхности, может быть выровнена графитовой или густой консистентной смазкой или, иначе, теилопроводящей пастой. Если возникает большая разница между температурами опорной плиты и формующего инструмента, то теплопередача плохая. Преимущества термостатируемого формующею инструмента: • производство может быть немедленно начато при температуре формования: следовательно, меньше отходов при запуске; • короче время охлаждения и цикла; • деформация изделия и точность воспроизведения лучше контролируются; • возможна лучшая воспроизводимость. Термостатирующие шланги и подводки должны выдерживать температуру и давление охлаждающей среды.
10.3.7 Расположение области формования Здесь важны расстояния между формовкой и прижимной рамой, а так*, промежутки между отдельными гнездами формы. Значения необходимых промежутков нельзя задать обобщенным уравнением, потому что они зависят от размеров формы, геометрии формы, применяемого полимерного материала и сложности производства. Для позитивных форм по 200 мм высотой (рис. 10.4, а) необходимые промежутки могут быть определены с помощью следующих справочных значений: 6, = @,25-0,33) • h, где h _ «расчетная» высота формы (как показано на рис. 10.4, а и 10.4, Ъ) и определяется по схеме. Нас здесь интересует высота h при таком положении формующего инструмента, где проведена касательная от уровня прижима к точке, в которой она впервые контактирует с формой. Таким образом, расчетная высота h не всегда идентична фактической высоте формы (рис. 10.4, Ь). Необходимо обеспечить, чтобы: Ь>> 1,5-5, где 5 — толщина материала. Расстояние между формой и промежуточным прижимом Ь3 (нижний держатель) определяется как для Ь{: Ь, = @,25-0,33) • к Ь) с) Рис. 10.4. Положение области формования: а) для позитивных форм до 200 мм высото , о) определение расчетной высоты формы с) для негативных форм; 1 — верхний зажим; 2 - нижний зажим
10 Термоформующий инструмент 257 Толщина нижнего держателя с должна выбираться таким образом, чтобы он не деформировался в процессе формования. Поэтому промежуток ЬА определяется следующим уравнением: ЬА = 2 • Ья + с. Для формующего инструмента общей высотой менее 20-30 мм можно обойтись без нижнего держателя, если к Ьл применимо следующее выражение: bA>\,S-h. Для всех других форм — независимо от высоты формы — также могут быть выбраны разные промежутки, если имеются соответствующий опыт или результаты испытаний. Например, для позитивной формы (рис. 10.4, а) высотой h = 500 мм, уклоном боковых стенок а = 0,5° и радиусом R= 15 мм промежуток Ь2 = 20 мм может казаться вполне реальным. Примеры исключений: при производстве облицовки чемоданов на машинах для листа с помощью метода позитивного формования большое расстояние от зажимной рамы, примерно @,5-0,6) • /г, приводит к хорошему распределению толщины стенок. При производстве плоских светорассеивателей из ПММА с предварительно нанесенной печатью отступы от зажимной рамы обычно составляют 1,5 • h. Предварительный раздув не используют. Вспомогательный пуансон применяют для распределения угловых складок, а форму термостатиру- ют. Это приводит к минимальному искажению печати на заготовке. Для негативных форм (рис. 10.4, с) используют следующие справочные значения: Ъх > 1,5 -s. Ь2 не ограничено, насколько позволяет метод переработки. Однако толщина стенок инструмента Ь) и Ь2 должна быть выбрана так, чтобы тепло диссипировало в течение времени охлаждения. Слишком тонкие перегородки приводят к увеличению времени охлаждения и, следовательно, времени цикла. Изготовление контурных экранов для позитивных форм При термоформовании контурные экраны могут уменьшить зону подачи (формования). Контурный экран устанавливают на прижимной раме таким образом, чтобы материал оставался внутри зажатой области во время вытяжки. На рис. 10.5 показана установка контурного экрана на прижимной раме. В основном есть два варианта выбора контура экрана. • Расстояние контурного экрана от контура формы везде одинаковое (рис. 10.5, Ь); это решение принимают, если на изделии требуется одинаково толстый фланец. Ширина b (рис. 10.5, Ь) определяется из уравнения: Л = 1,5-д-+ C-6) мм. 17 За*. 796
258 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ a) Ь) с) Рис. 10.5. Контурные экраны: а) контурный экран на прижимной раме; to) контурный экран одинаковой ширины to для формы в плоскости зажима (вид сверху с рис. 10.5, а); с) овальный контурный экран для прямоугольной формы, применяемый в плоскости зажима (вид сверху) Толщина стенки а) to) Рис. 10.6. Распределение толщины стенки в плоскости сечения для позитивных форм с большой зоной подачи: а) изделие; to) распределение толщины стенок в сечении А-А • Недостатком этого вида экрана является очень маленькая область формования, что приводит везде к высокой вытяжке и относительно тонким боковым стенкам позитивно-формуемого изделия. • Овальный контурный экран для позитивной формы прямоугольного поперечного сечения на прижимной раме (рис. 10.5, с) предотвращает образование угловых складок в плоскости прижима. Для определения ширины b в этом случае применяют следующее соотношение: b = 1,5 • s + C-6) мм. • Преимуществом овального контурного экрана является увеличенная зона формования и лучшее распределение толщины стенок. Однако неодинаковая толщина в зоне формования — как показано на рис. 10.6 — является недостатком. Отступы для колокола и/или больших экранов для позитивных форм При позитивном формовании с предварительным раздувом или всасыванием в колокол (см. раздел 4.1.5 и рис. 10.36) между колоколом и формой рекомендуется следующий зазор: а = @,12-0,15). h, где h — высота формы.
10 Термоформующий инструмент 259 Это значение для зазора а также можно применять для больших овальных экранов (рис. 10.5, с). Обратитесь к разделу 7.7 за информацией о поднутрениях и вспомогательных приспособлениях для съема изделия. 10.3.8 Формы для пленочных шарниров и кнопочных защелок Есть три различнпых метода изготовления пленочных шарниров: • термоформование с помощью негативного процесса; • изготовление желобов; • вырубка. Варианты конструкции для кнопочных защелок: • сформованные на сменных кнопках; • сформованные на сменных поднутрениях; • вырубленные замкнутые скобы. Схематический чертеж упаковки с пленочным шарниром и кнопочной защелкой показан на рис. 10.7. Различные варианты термоформованных шарниров смотрите на рис. 10.8, a-f. На рис. 10.8, а приведен пример относительно жесткого шарнира. Радиус R определяется следующим образом: Л = E-6)-5, то есть при толщине материалах = 0,4 мм радиус R = 2,5 мм. На рис. 10.8, Ъ показаны размеры для более гибкого шарнира, чем на рис. 10.8, а. Для h : b = 5 : 8 применяют следующее соотношение: Ъ = A5-25) -s. Это означает, что для материала толщиной 5 = 0,35 мм получаем, что Ь = 1 мм и h = 4,5 мм. Прекрасно функционирующий пленочный шарнир показан на рис. 10.8, с; для h:b = 5:8 применяют следующее соотношение: 6 = A0-20)-s. / !_' —( а) о) ' Рис. 10.7. Упаковка с пленочными шарнирами или кнопочными защелками: а) пленочный шарнир и кнопочная защелка; to) с круговым центрированием; 1 — кнопки или кнопочные защелки; 2 — пленочный шарнир; 3 — круговая термосварка или центрирование
260 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Следовательно, для материала толщиной 5 = 0,4 мм получаем b = 5 мм и h = 3 мм. На рис. 10.8, «/показана разновидность конструкции, приведенной на рис. 10.8, с. Если требуется определенный зазор между двумя половинками упаковки, то применяют конструктивные рекомендации в соответствии с рис. 10.8, е; в этом случае снова применимо /г; b = 5 : 8, а также b = A0-20) • толщина материала 5. Шарниры, сформированные путем изготовления при термоформовании желобов, показаны на рис. 10.9; правильное действие шарнира показано на рис. 10.10, а. При «неправильном» (то есть обратном) изгибе движение шарнира @,2-0,3) Я Г Л о а) 0,8-2 to К Г Л о to) с) О b 0,8В b в) С^> Рис. 10.8. Конструкции форм для изготовления пленочных ширниров на упаковках: a-f— примеры конструкций Рис. 10.9. Процесс изготовления желоба для шарнира: 7 — конфигурация пуансона для получения желоба; 2 — формуемое изделие; 3 — алюминиевая форма
10 Термоформующий инструмент 261 а) ь) Рис. 10.10. Пленочный шарнир с желобом: а) угол изгиба 180"; Ь) ограниченный угол изгиба при «неправильном» сгибании 0,72 Я Рис. 10.12. Позитивная форма для изготовления упаковки с желобчатым шарниром 1 Рис. 10.11. Благоприятная конфигурация пуансона для формования желоба Рис. 10.13. Негативная форма для изготовления упаковки с желобчатым шарниром ограничено (рис. 10.10, Ь). Примеры подходящих конфигураций пуансонов для формования желобов показаны на рис. 10.11. Принципиально шарнирная упаковка может термоформоваться позитивным или негативным методами. При позитивном формовании пуансон для формования желоба должен быть частью основного пуансона, то есть установлен в контринструменте (рис. 10.12). При негативном формовании контур пуансона для формования желоба должен быть включен в негативную форму. В этом случае пуансон осуществляет обжим (рис. 10.13).
262 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ ВНИМАНИЕ Для всех форм необходимо — так же, как для штанцевой вьр рубки — иметь устройство для регулировки. Необходимо стремиться к получению постоянной и минимальной толщины шарнира. Соответствующая форма пуансона для формования желоба приведена на рис. 10.11. Определение максимальной длины желоба Максимальная длина желоба зависит от: • толщины материала; • вида материала; • температуры материала во время процесса изготовления желоба; • усилия прижима на формующей станции; • кинетической энергии массы, непосредственно вовлеченной в процесс изготовления желоба (вес и скорость соприкосновения со вспомогательным пуансоном, рамой или столом). Определение необходимого усилия формования желоба F (эмпирические значения) г = г$ • L • кт, где F — требуемое усилие изготовления желоба, Н; Fs — удельное усилие изготовления желоба (требуемое усилие на 1 мм длины шарнира), Н/мм (рис. 10.14); L — длина формуемого шарнира, мм; kT — коэффициент, учитывающий температуру материала (рис. 10.15). ф * §§ л х с; ш ш с; с[ со > Р Толщина материала, мкм Рис. 10.14. Удельное усилие Fs изготовления желоба как функция толщины материала для ПВХ и УПС (HIPS)
10 Термоформующий инструмент 263 IS (О II Я а. СО Q) m н _0 СО !> I го 1& il -е-р ■е- го о и 1 г 120 130 140 150 160 170 180 190 Температура материала, 'С Рис. 10.15. Коэффициент/сг для определения усилия изготовления желоба в зависимости от температуры материала для ПВХ и УПС (HIPS) Шарниры также могут изготавливаться вырубкой (рис. 10.16). Однако недостатком этого метода является то, что такие шарниры непригодны для частого закрывания и открывания. Кнопочные защелки для шарнирных упаковок На рис. 10.17 показана схема распределения толщины стенки при термоформовании «кнопок». Обратитесь к рис. 10.18 за соответствующими размерами формы. Применяют следующее соотношение: Я: D = от 0,5 :1 до 0,8 :1; D = от 6 до 10 мм и d = D - 1,6 • s. ВНИМАНИЕ Действие кнопки будет достигнуто, только если позитивно сформованная кнопка вдавливается в негативно сформованное углубление! Пример гибкой конструкции позитивной кнопки приведен на рис. 10.19. Размеры впадины: глубина 0,8 мм, ширина около 2 мм для диаметра d = 8 мм. Ь) К=^ Рис. 10.16. Шарнирная упаковка с вырубленным шарниром: а) упаковка; fa) профиль вырубки; Ь — ширина перемычек в шарнире Рис. 10.17. Формование поднутрения для кнопочной защелки: (слева) негативное формование; (справа) позитивное формование: 1 — утолщение; 2 — утонение; 3 — полимерный материал; 4 — шарнир
264 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ а) Рис. 10.18. Конструкция формы для кнопок: а) негативная; Ь) позитивная; / — отверстия для удаления воздуха Рис. 10.19. Форма для гибкой позитивной кнопочной защелки Рис. 10.20. Овальная конструкция кнопочной защелки Рис. 10.21. Конструкция кнопочной защелки с поднутрениями Для овальных кнопочных защелок используют следующее соотношение (рис. 10.20): 1:Я«AE-3,5):1. Кнопки также могут быть изготовлены с поднутрениями (рис. 10.21). Позитивные кнопочные защелки с поднутрениями более гибкие и, таким образом, обеспечивают лучший захват при вдавливании в негативную впадину. Такие кнопки показаны на рис. 10.22, а, и с центрированием — на рис. 10.22, Ь. Снабженные крючками кнопочные защелки показаны на рис. 10.23. Вариант закрытия упаковки может быть получен также вырубкой с перфорацией (рис. 10.24). т—I—п vt^i <&. Рис. 10.22. Кнопочные защелки с высокой гибкостью: 1 — шарнир Рис. 10.23. Кнопочные защелки с крючком: 1 — шарнир
10 Термоформующий инструмент 265 Рис. 10.24. Закрытие с помощью вырубаемого контура: / — шарнир 10.4 Устройства для предварительной вытяжки Требования к материалу для изготовления устройств предварительной вытяжки: • не должен охлаждать нагретый формуемый материал при контакте; • должен иметь хорошие характеристики при скольжении и/или трении по поверхности нагретого полимера; • должен быть устойчив к механическим напряжениям при давлении, прогибе и истирании; • должен также отвечать требованиям к термическим характеристикам; • должен быть легким в обработке; • должен производиться по разумным ценам. 10.4.1 Материалы для устройств предварительной вытяжки Предпочтительные материалы для устройств предварительной вытяжки можно найти в табл. 2.4 (также см. раздел 4.8.1). Дерево является наиболее часто используемым материалом для устройств предварительной вытяжки на машинах для переработки листа. Лучшие скользящие характеристики получают на твердых породах дерева (рекомендуется клеи). Желательно соблюдать направление текстуры, как показано на рис. 10.25. Хотя фанера — это превосходный строительный материал, ее нельзя использовать для производства корпуса пуансона, потому что могут остаться следы. Ламинирование деревянных пуансонов мягкой тканью (типа перчаточного материала) уменьшает охлаждение и улучшает скольжение, но деревянные пуансоны по возможности должны использоваться без ламинирования, поскольку ламинирующий материал достаточно быстро изнашивается.
266 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Рис. 10.25. Направление текстуры дерева при производстве пуансонов для предварительной вытяжки: a) направление движения пуансона; b) направление текстуры (твердое дерево); с) склеивание (если требуется) Хотя войлок более дорогой, чем дерево, он позволяет обойтись без ламинирования перчаточным материалом. Стабильность размеров и стойкость к истиранию неотвержденного войлока улучшаются путем поверхностного отверждения за счет обработки его прайме- ром глубокого проникновения для древесины. Синтаксическая пена фактически является материалом общего назначения для пуансонов и часто используется в автоматических машинах с рулонной загрузкой. Полимерные смолы, а также смолы, наполненные тальком для улучшения скользящих свойств, используют для пуансонов очень сложной конфигурации. Как показала практика, полиуретановые смолы (PU) являются превосходными для данного применения. Пуансоны могут быть изготовлены из чистой смолы или из комбинации дерево/смола. Металл, обычно алюминий, используется как материал для пуансона в следующих случаях: • если механическая нагрузка слишком высока для дерева или смолы; • если пуансон в форме контррамы или штампа для тиснения необходимо термостатировать (например, для ПММА); • если пуансон разработан как составная часть для получения равномерных толстых кромок при формовании блистеров за счет охлаждения материала по фланцу. Нагретые металлические пуансоны используют только в специальных случаях из-за очень сложного поддержания нагрева и температурного контроля. В специальных случаях, если требуется очень высокая температура формования, в качестве материала пуансона для полиолефинов ПЭ или ПП подходит политетрафторэтилен (например, тефлон). Для прозрачных изделий в большинстве случаях в качестве материала для пуансона используют полиоксиме- тилен.
10 Термоформующий инструмент 267 10.4.2 Конструкция устройств для предварительной вытяжки 10.4.2.1 Вспомогательные пуансоны для негативных форм Конфигурация пуансонов обычно повторяет конфигурацию формованного изделия за счет сохранения повсюду одинакового зазора а (рис. 10.26). Вспомогательный пуансон диаметром d < 20 мм также может иметь цилиндрическую форму. Радиусы R для вспомогательного пуансона см. в табл. 10.1. Для зазора а может применяться следующее выражение: а= 1,5 -s + A-3) мм, где 5 — толщина исходного материала. Элементы конфигурации (зазоры и радиусы), рекомендованные здесь для вспомогательного пуансона, дают исходную форму, которая может быть при необходимости скорректирована во время испытания формующего инструмента. Общая методика подбора конфигурации пуансона показана на рис. 10.27. Начинают с наименьшего радиуса R, то есть самого большого объема. Примеры формы вспомогательных пуансонов показаны на рис. 10.28-10.34. В отношении рис. 10.31 и 10.32 отметим: подобное распределение толщины стенок (однако без следов инструмента) может быть достигнуто, если вместо фетровых шаровых наконечников использовать сопла для обдува холодным воздухом. Обязательное условие — отсутствие складок, а точность полученного отпечатка является адекватной. Рис. 10.26. Определение конфигурации пуансонов £>min > 0,25 • у для многогнездной формы Рис. 10.27. Методика подбора конфигурации пуансона
268 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ а) о) Рис. 10.28. Пуансон для конических конфигураций: а) цилиндрический пуансон для малых диаметров d =S 25 мм; Ь) правильный контур пуансона в области основания изделия Рис. 10.29. Пуансон, повторяющий контур FW YZZZZZ Рис. 10.30. нутрением Простой пуансон для формы с под- •//////;/>*> "Ф Рис. 10.32. Охлаждение с предварительной Рис. 10.31. Негативные угловые детали, вытяжкой для предохранения слишком тонких вытянутые с помощью шаров углов jb—СВ] Рис. 10.33. Пуансон «килеподобный» Рис. 10.34. Использование боковых пуансонов
10 Термоформующий инструмент 269 Таблица 10.1 Радиус R и мм для вспомогательных пуансоиоп для переработки таких полимеров, как ПС, У ПС, ЛБС-нластик, ПЭТ, ПВХ, Styrolux, K-Resin, Barex со слабой тенденцией к прилипанию Толщина материала s, мм Диаметр пуансона d, мм 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 <1 1 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 1 1 2 2,5 3 4 4 5 5 5 5 2 1 2,5 3 4 4 5 5 5 5 5 3 3 4 4 5 5 5 5 5 5 4 3 4 4 5 5 5 5 5 5 5 3 4 4 5 5 5 5 5 5 е 4 4 5 5 5 5 5 5-6 7 4 4 5 5 5 5 5-6 5-6 8 4 5 5 5 5-6 5-6 5-6 9 4 5 5 5-6 5-6 5-6 5-6 10 5 5-6 5-6 5-6 5-6 5-6 Примечание. Для гибких полимерных материалов с низкой прочностью расплава пли высоким когезионным трением, например ПП, значения R из табл. 10.1 умножают на коэффициент 1,5-3. 10.4.2.2 Пуансоны для позитивных форм Для позитивного формующего инструмента пуансоны используют не только для улучшения распределения толщины стенок, но также н для предотвращения складок (рис. 10.35). Расстояние а должно равняться толщине вытянутого мате- ( 1_ / -4 _| А ± .ST а) Ь) Рис. 10.35. Использование пуансона против образования угловых складок: а) вид сбоку; Ь) сечение А-А
270 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ /7 // / л°\/ /s\// /Гг //;//s\ .J. Та Рис. 10.36. Предварительный раздув внутри колокола с подвижной плитой основания: а = @,12-0,15)-Я риала плюс 1 мм. Колоколообразные пуансоны используют для предотвращения следов охлаждения (рис. 10.36). 10.5 Антикоррозионная защита термоформующего инструмента, термостатируемого водой Целью антикоррозийной защиты термоформующего инструмента является сохранение теплопередающей способности инструмента. Вода в термоформовочном инструменте используется с температурой от 5 до 150 "С. Вообще вода вступает в контакт с разными металлами в замкнутом цикле при термостатиро- вании. Эти металлы в основном включают алюминий (в формах, охлаждающих плитах), сталь (в винтовых соединениях и вырубных штампах), медь (в трубопроводах) и латунь (термопары, штуцеры). Отложение осадка и/или эрозия зависят от состава воды, ее температуры, расхода воды и контакта с различными металлами. Со временем эти факторы приводят к ограничению потока горячей воды и даже могут разрушать инструмент. Все эти факторы условно обозначаются нами как процессы коррозии. Краткие указания для антикоррозионной защиты охлаждающих каналов в термоформующем инструменте • Принимая во внимание конструкцию инструмента и его производство, нельзя допускать прямой контакт алюминия и меди с оборотной водой. Алюминий будет разрушаться за счет контактной коррозии. Необходимы отдельные вставки из нержавеющей стали или полимера длиной по крайней мере 30 мм для изолирования меди от алюминия. • Если у формы тонкие стенки (разделительные перегородки, отдельные части), которые часто встречаются в формовочно-вырубном инструменте автоматических термоформеров с рулонной подачей, рекомендуется установить в оборотной воде магниевый анод. • При разработке системы охлаждения поперечные сечения необходимо делать как можно больше, чтобы скорость воды не превышала 1,5 м/с, если это выполнимо. Высокая скорость воды в комплексе с загрязнениями или осадком приведет к эрозийной коррозии. Для алюминия скорость воды не
10 Термоформующий инструмент 271 должна превышать 2,5 м/с. Поэтому при очень высоких скоростях воды существует дополнительный риск кавитациониой коррозии. • Каналы для воды необходимо наиболее тщательно очищать перед тем как инструмент берут в работу. Если возможно, сначала прогоните воздух в обоих направлениях, затем проверьте наличие утечек при дальнейшем продувании. Важно здесь использовать фильтр для того, чтобы стружка или остатки герметика не остались в оборотной воде инструмента или насоса. Продувать надо сухим воздухом. • При запуске или непосредственно после процесса очистки инструменты необходимо защитить от коррозии. Рекомендуется использовать охлаждающуюся среду, содержащую высокую концентрацию противокоррозийного вещества (ингибитора). Концентрация зависит от используемого агента. Перед использованием термоформующего инструмента в производстве рекомендуется следующая процедура: • Проверьте качество воды; она должна отвечать следующим требованиям (справочные значения): — значение рН при 20 °С: 7,0; — общая жесткость: < 30° dH*; — электропроводность при 20 "С: < 250 мСм/м; — вода должна иметь низкое содержание солей и быть очищена, не должна иметь запаха и осадка. • К открытой системе термостатироваиия предъявляются дополнительные требования. Эти требования выдвигают изготовители форм. • Противокоррозийное вещество (ингибитор), обеспечивающее наиболее эффективную защиту, необходимо добавлять в закрытую систему термостатироваиия. • Регулярно проверяйте термостатирующую среду. • Очищайте резервуары охлаждающих или термостатнрущих устройств, по крайней мере, один раз в год. • Если в резервуарах с водой найдены отложения осадка, необходимо установить тонкие фильтры с размером ячеек 80 мкм. • Убывающие магниевые аноды в инструментах необходимо осматривать один раз в три месяца и, если требуется, заменить. • Необходимо обеспечить, чтобы снятые инструменты были полностью высушены перед хранением. Алюминий, так же, как и медь (но не сталь), образует твердые окисные слои. Если инструменты хранят во влажной атмосфере или транспортируют морем, им необходимо иметь антикоррозионную обработку. * Немецкий градус жесткости Г dH = 10 мг СаО/л.
272 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ 10.6 Ножевые лезвия, которыми оснащают вырубной инструмент При разрезании ножами полимерные материалы разделяются режущим клином. При этом действующие усилия превосходят прочность полимеров на раздир. Во время процесса разрезания одновременно происходят сдвиг полимерного материала и его деформация. Ударопрочные или гибкие пластмассы требуют более глубокой резки (рис. 10.37, Ь), чем хрупкие, в которых происходит разрушение в конечном поперечном сечении из-за низкой деформируемости полимера (рис. 10.37, а). а) Ь) Рис. 10.37. Процесс резки с использованием ножевых лезвий: а) хрупкие пластмассы; to) ударопрочные пластмассы; 1 — нож; 2— материал; 3 — опорная вырубная плита Возможны два различных вида ножевых лезвий, которыми оснащают вырубной инструмент. Это хорошо известные вырубные ножи, изготовленные из инструментальной стали с высокой пластичностью, используемые в кожевенной и бумажной промышленности, и в основном применяемый в настоящее время вырубной инструмент из стальных линеек (штанцевый инструмент), который является более рентабельным. 10.6.1 Конструкция штанцевых вырубных штампов (форм) Штапцевые вырубные штампы являются вырубными штампами с ножевыми лезвиями и состоят из опорной плиты, в которую вставлены вырубные линейки. Опорную плиту обычно изготавливают из фанеры. Пазы для установки вырубных линеек изготавливают распиловкой или лазерной резкой. Лазерный метод обеспечивает более жесткие допуски по сравнению с размерами при
10 Термоформующий инструмент 273 штамповке. Для пазов, сделанных ручной распиловкий, предельные отклонения размеров, полученные при штамповке, составляют от ±0,5 до ±0,8 мм, а при лазерной резке — от ±0,4 до ±0,6 мм. Для нагреваемых штанцевых форм вырубные линейки крепят на опорной плите из алюминия. В продаже имеются вырубные линейки с различной формой ножей, толщиной и высотой. Толщина вырубной линейки также определяет минимальный радиус изгиба, который одновременно формирует радиус углов вырубаемой детали. В табл. 10.2 приведены возможные толщины вырубных линеек и их радиусы изгиба. Таблица 10.2 Толщина вырубных линеек и минимальный радиус изгиба стальных линеек Толщина вырубных линеек, мм 1,05 1,2 1,42 2,0 Минимальный радиус изгиба, мм 3 3.5 4 5 Вырубные линейки могут поставляться высотой: 23,8, 30, 33,5, 40, 50, 60, 70, 80,90,100 мм. ВНИМАНИЕ Самый большой срок службы ножевых лезвий достигается при минимально возможной высоте режущей линейки и самой большой ее толщине. По возможности не рекомендуется использовать толщину менее 1,42 мм. Конструкция вырубных штампов со стальными линейками показана на рис. 10.38-10.42. Рис. 10.38. Установка стальных линеек штампа на опорной плите: 1 — опорная плита из фанеры или алюминия (для нагреваемого штампа); 2— вырубной контур со стальными линейками (с упрочненной режущей кромкой); 3 — вырубная контрпрокладка стальной плиты 18 3«. 796
274 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Рис. 10.39. Нагреваемый штамп с переменным положением стальных линеек, соединенных с алюминиевой частью: 1 — опорная плита из алюминия; 2 — алюминиевая часть; 3 — вырубной контур из стали Рис. 10.40. Нагреваемый штамп из стальных линеек с лучшим контролем температуры и лучшей точностью для формовок большой высоты; / — опорная плита из алюминия; 2 — алюминиевая часть; 3 — вырубной контур из стали Рис. 10.41. Штанцевая форма для одновременной вырубки в двух плоскостях 1 и 2 Рис. 10.42. Нагреваемая штанцевая форма для одновременной вырубки в двух плоскостях 1 и 2 >-- Ь) Рис. 10.43. Вырубка на валковом прессе на штанцевой форме: а) поперечное сечение валкового вырубного устройства; Ь) вид сверху с подачей под углом для предотвращения штрихоподобного реза; 7 — вырубная контрплита толщиной около 4 мм из ПП или специального материала; 2 — готовое изделие; 3 — вспененный материал для выталкивания; 4 — вырубной контур из стальных линеек; 5 — опорная плита для штанцевого инструмента толщиной около 20 мм (фанера); 6 — самоклеящаяся монтажная лента с обратной стороны вырубного контура
10 Термоформующий инструмент 275 Рис. 10.44. Штанцевый инструмент для вырубки на валковом устройстве (защищен от перекоса); 1 — центрирование термоформовочного изделия; 2 — направляющая для избежания перекоса NAi 50-60# а) Рис. 10.45. Форма заточки для штанцевых ножей: а, Ь) симметричные углы заточки (стандартная форма): а — для вырубк до 0,5 мм, b — для вырубки в точке реза, толщина более 0,5 мм; с d) ас ВТ0ЧКе реза. толщина точки для бескромочной обрезки: с — для вырубки, толщина ло п' ч ^..'"wметРичные углы за- щины свыше 0,5 мм ЩИНа Д0 °'5 MM.f-Для вырубки тол- Штанцевые вырубные штампы используют не только в штампах с параллельными столами. На рис. 10.43 показана вырубка штанцевыми вырубными штампами на валковом прессе. Чтобы предотвратить смещение, то есть относительное движение между опорной плитой и вырубной контрплптой, на контрплите может быть установлена дополнительная плита, управляемая совместно с опорной плитой. Это хотя и редко, но используется для изделий с жесткими допусками (рис. 10.44). Обычные формы ножевых лезвии показаны на рис. 10.45. Асимметрично заточенные ножи из стальных линеек (рис. 10.45, с и d) скрепляют скобой. Стальные линейки на стыке сваривают точечной сваркой через соединительные пластинки или заклепывают, причем последний способ дает возможность смещения высоты. Минимальное расстояние между двумя вырубными контурами в опорной плите — около 6 мм. 10.6.2 Контрплиты, применяемые при вырубке В валковых прессах обычно используются вырубные контрплиты из полипропилена толщиной 3-5 мм. В вырубных станциях, оборудованных паР™л^ ными столами, вырубные контрплиты (вырубные пластины) изготавлив.
276 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Рис. 10.46. Вырубная пластина в качестве контрплиты: 1 — изделие с плоской кромкой; 2— вырубная контрплита из листовой стали толщиной 1-3 мм Рис. 10.47. Вырубная рамка в качестве контрплиты: 1 — изделие с U-образными кромками; 2 — вырубная рамка в качестве контрплиты; зазор а = 1,5 мм стандартного листа с глубоким отпуском или шлифованных плит из незакаленной, а также закаленной инструментальной стали (рис. 10.46). Вырубные рамки обычно изготавливают из St-37 (Fe 360 и/или S 235) или St-50 (рис. 10.47). Закаленные вырубные контрплиты с твердостью по Роквеллу от 40 до 42 HRC необходимо тщательно шлифовать. 10.6.3 Настройка штанцевого инструмента Штанцевые формы, вырубные контуры, контрплиты и машины имеют отклонение от плоскостности, которая становится очевидной в местах, где штамп не вырубает. Непрорезаемые места могут быть настроены на эффективную резку, то есть допуск по высоте может быть компенсирован с помощью увеличения толщины подкладочной ленты с обратной стороны, регулировкой толщины вырубной плиты с помощью прокладок или настройкой высоты вырубной рамки. Эта работа значительно облегчается, если используют режущий контур довольно низкой высоты. (Высокие режущие линейки имеют большие допуски. Маркированные линейки высотой приблизительно 22-23 мм имеют самый низкий допуск.) Если для полной длины обрезки требуется несколько вырубных контуров, их заранее выбирают или индивидуально подбирают с самым низким допуском по высоте. Вырубные контуры высотой более 40 мм впоследствии регулируют с помощью прокладок с обратной стороны ножей. Это выполняют там, где толщину вырубной плиты регулируют с помощью прокладок или соответственно настраивают вырубную рамку. 10.6.4 Усилия реза для штанцевого инструмента Усилие реза вырубного контура из стальных линеек зависит от: • вида вырубаемого материала (ПС, АБС-пластик, ПП и т.д.); • толщины материала;
10 Термоформующий инструмент 277 • температуры режущей кромки; • температуры материала; • температуры вырубной контрплиты; • состояния износа и/или режущего лезвия. Срок службы штанцевого инструмента существенно зависит от нагрузки на лезвия ножей, а также нагрузки (жесткости) комплектной вырубной установки. Наполнители в формуемом материале или цветные пигменты на его поверхности могут снизить срок службы вырубного инструмента в основном из-за их абразивного воздействия. Определение удельных усилий вырубки стальных линеек в зависимости от толщины материала для ударопрочного полистирола показано на рис. 10.48. Рабочие диаграммы для удельных усилий вырубки на штанцевом инструменте из различных полимерных материалов показаны на рис. 10.49. В соответствии с рис. 10.48 для удельных усилий реза Fs применяется следующее эмпирическое выражение; Fs = F0 ■ £, • hi -k3-krS, где Fs — удельное усилие реза для компоновки инструмента, Н/мм; F,, — удельное усилие реза материала, Н/мм, определенное в лабораторных условиях. Например, при обрезке холодными штанцевыми ножами и новым неизношенным вырубным контуром коэффициенты &,-&, необходимо учитывать в реальных условиях производства и их можно найти на рис. 10.48 (эмпирические значения): ky — коэффициент для температуры на режущей кромке вырубного контура; k2 — коэффициент для температуры материала при вырубке; кл — коэффициент для температуры вырубной контрплнты; k^ — коэффициент для износа режущей кромки вырубного контура; S — надежность (S = 1,5 (выбрана)). На рис. 10.49 удельное усилие реза штаицевым инструментом дано для различных видов полимеров. Прошу отметить, что эти значения применимы только к условиям, приведенным на этой диаграмме.
ТЕРМОФОРМОВАНИЕ 278 F0, Н/мм 250 + 200 150 100 а) 3 4 5 Толщина материала, мм Машинный нагрев и ^""С ' Н BI От150-С выше возможно только при нагреве под давлением 20 50 100 150 200 Ь) Температура режущей кромки, 'С с) 20 30 40 50 60 70 80 Температура режущей кромки, 'С К* Тупой режущий контур (режущая кромка) Новая режущая кромка /Kd=1- d) 2 3 Толщина материала, мм е) 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Толщина материала, мм Рис. 10.48. Диаграммы для определения удельных режущих усилий стальных линеек на примере УПС {HIPS), применимые для режущих линеек толщиной 1 и 1,5 мм: а) зона I: заточка симметричная под углом 60*; зона II: заточка с симметричной фаской; b-е) определение коэффициентов к:-к4
10 Термоформующий инструмент 279 я о 0) а а с; s о >. О) л i j с: О) Новый 0,08 Максимальный износ 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Толщина ,о 1,1 1,2 1,: материала, Рис. 10.49. Удельные усилия реза Fs для штанцевого инструмента для различных материалов: холодный вырубной контур; вырубной контур, нагретый до 80 "С Значения верны для температур материала от 20 до 30 'С, температура вырубной контрплиты 20 'С и износ кромки вырубного контура до ширины пика 0,08 мм; допускаемый запас прочности S = 1,5 учтен 1/21 УПС (HIPS); 2/22АБС-пла- стик; 3/23 ПЭВП; 4/24 ПП; 5/25 ПВХ; 6/26 ПК; 7/27 ПЭТ; 28 ПС 10.7 Сдвиговый штамповочный инструмент Применяют два вида сдвиговых штампов: • совмещенные в инструменте для одновременной формовки/вырубки (см. раздел 4.8.1); • стандартный вырубной и обрезной инструмент в отдельной станции или машине, установленный после формовочной машины. Усилия резания зависят от конструкции формы, а также вида полимера и толщины вырубки. Если сдвиговый штамп встроен в формовочно-вырубной инструмент, режущие кромки при пиевмоформовапии дополнительно выполняют функцию герметизирующих кромок. Резка материала начинается уже при закрытии формы. Это положение сохраняется до завершения процессов формования и охлаждения. Усилие для продолжения/завершения резки зависит от оставшейся толщины реза и вида полимера. На рис. 10.50 приведен коэффициент ks для механической нагрузки инструмента формования и вырубки в зависимости от остаточной толщины вырубки (см. раздел 10.3). Видно, что выбранные
280 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ машинные параметры имеют существенное влияние на нагрузку термоформовочной машины и инструмента. Таблица 10.3 Коэффициент ks (запас прочности) для формовочно-вырубного инструмента для различных пол Коэффициент ks имеров УПС 1,1-1,5 ПП 1-1,7 PETG 1-1,7 ЛРЕТ 1-1,8 пвх 1-1,7 Ё § 1 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 1 1 2 3 - ПС {HIPS) - ПП, PETG, ПВХ -АРЕТ Пре» к / .раще / V У ниев 3 'Л 1 >~ ыруб — (И, Оптималь Поло пая вырубк ^ \ 1 а жение максимальной Длины вырубки| | Машина перегружена (громкий удар при выру Прекращение вырубки, материал на слишком большом расстоянии бке) 1 ■» О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 \ Выруб! >ка и штамповка Нет вырубки Ж ИрО Остаточная толщина вырубки для вырубного шаблона (RDM), мм Рис. 10.50. Коэффициент/cs для расчета мехнической нагрузки в зависимости от остаточной толщины вырубки в сдвиговом штампе, которым оборудован формовочно-вы- рубной инструмент 10.7.1 Расчет усилия вырубки для формовочно-вырубного инструмента со встроенным сдвиговым штампом Величина хода при вырубке для совмещенного формовочно-вырубного инструмента устанавливается в зависимости от машины. Например, автоматические термоформовочные машины с рулонной загрузкой фирмы Иллиг имеют ход при вырубке на сдвиговом штампе, которым оснащен формовочно-выруб-
10 Термоформующий инструмент 281 ной инструмент (вырубка и штамповка), 0,8 мм независимо от толщины материала. Рулонный материал толщиной до s = 2,5 мм формуется и вырубается на такой оснастке. Особенность в том, что нагретый материал «предварительно вырубается» при относительно небольших усилиях во время закрытия формы независимо от начальной толщины материалах, поэтому после охлаждения вырубка изделия может быть завершена при ходе вырубки 0,8 мм. Для приблизительного определения усилия реза Fs применяют следующее равенство (опытная величина): rs = г0 • кт • км • kw • ks, где Fs — удельное усилие реза, Н/мм, значение для компоновки инструмента; F0 — удельное усилие реза для полимеров, Н/мм, определяемое в лабораторных условиях на новом инструменте в оптимальных условиях (рис. 10.51, a); kT— коэффициент для температуры материала при вырубке (см. рис. 10.51, b и с); kM — коэффициент разброса характеристик при резании различных видов полимеров (могут быть приняты значения: kM = 1-1,2); kw— коэффициент износа оснастки, для которого принимают значения kw=* 1-1,4; ks — коэффициент дополнительной механической нагрузки, зависит от остаточной толщины для формовочно- вырубного инструмента (табл. 10.3). ВНИМАНИЕ Для материалов толщиной s > 0,8 мм значения для F0 применяются в соответствии с s = 0,8 мм при ходе вырубки 0,8 мм. Для материалов толщиной s < 0,8 мм значения для F0 могут быть взяты непосредственно из рис. 10.51, с. Это означает, что для материалов толщиной s > 0,8 мм значение для F0 соответствующего фор- мовочно-вырубного инструмента не принимают в соответствии с толщиной материала s, а согласно толщине внутри интервала вырубки 0,8 мм. Расчет удельного усилия вырубки Fs в Н/мм для компоновки инструмента подходит для толщины материала s> 0,8 мм и хода вырубки 0,8 мм, см. табл. 10.4. Значения Fs из табл. 10.4 относятся к рекомендуемым опытным значениям и служат для определения длины реза.
к F0, Н/мм Г 90 - 80 70 ■ 60 ' 50 ■ 40 ■ 30 • 20 ■ ю ■ Реляционная Образец модель(РМ) -ПП 1 мм (ооразе -^ ■^ ПП>0,8мм(Р Л)" М) i i в пре пвх -А— 7 АР РЕ УГ П Е1 TG 1С 1 I Толщина материала делах интервала вырубки I I I I I I I Ь. а) 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 мм 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 Ь) ч *^- ПВХ .УПС. ___Температура материала вовремя процесса вырубки ' 20 60 100 140 180 Температура материала п л _во время процесса вырубки ' И I I I I ill i i •с 20 60 100 140 180 -С с) Рис. 10.51. Диаграммы для определения удельного усилия реза: а) удельные усилия реза F0 для сдвиговых штампов в лабораторных условиях; Ь) зависимость коэффициента /сготтемпера!уры материала для ПВХ и УПС (HIPS); с) зависимость коэффициента кт от температуры материала для ПЭТ и ПП
10 Термоформующий инструмент 283 Таблица 10.4 Удельное усилие вырубки Fs для схемы формовочио-вырубного инструмента со сдвиговым штампом для материалов толщиной s > 0,8 мм F0, Н/мм (рис. 10.51, а) kT (опытное значение) kM (опытное значение) kw (опытное значение) ks (опытное значение) (krkM-kw-ks) Fs, в Н/мм УПС 24 0,9 1,05 1,1 1,35 A,403) 34 пп 20 1,1 1,15 1,25 1,4 B,214) 45 PETG 27 0,98 1,10 1,15 1,4 A,751) 47 АРЕТ 31,5 0,98 1,05 1,15 1,4 A,657) 53 пвх 29 0,94 1,05 1,1 1,4 A,52) 45 ВНИМАНИЕ При определении усилия машины усилие для нижнего держателя необходимо рассмотреть дополнительно. Опытные значения коэффициентов kwv\ ks даже могут быть выше; например, kw— от 1 до 1,4; ks — в соответствии с табл. 10.3. Максимальная длина реза при проектировании формовочио- вырубного инструмента может быть рассчитана для материалов толщиной s > 0,8 мм следующим образом: ,. Усилие вырубки машины1', Н Максимальная длина реза, мм = ——■ . 1) Во время вырубки усилие вырубки машины определяется ее усилием прижима минус усилия, требующиеся для нижних держателей и съема. 10.7.2 Сдвиговые штампы с горизонтальной поверхностью вырубки для последующих вырубных станций Чтобы получить чистый рез, максимальная толщина материала s в позиции вырубки может быть 1,2 мм. Нагрузка в сдвиговых штампах (также известных как вырубной или штамповочный инструмент) всегда ниже, чем усилия в комбинированном формовочно-вырубном инструменте со сдвиговым вырубным устройством для вырубки материала идентичной толщины.
284 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Расчет удельного усилия вырубки Fx для вырубного и штамповочного инструмента где Fs — удельное усилие реза, Н/мм, значение для наладки инструмента; F0 - удельное усилие вырубки полимеров, Н/мм, определенное в лабораторных условиях с новым инструментом (рис. 10.51, a); kT— коэффициент температуры материала при вырубке (см. рис. 10.51, Ь, с, а также табл. 10.5); kM — коэффициент разброса свойств при вырубке различных видов полимеров (kM = 1-1,2); ^—коэффициент износа инструмента, принимают kw = 1-1,4; ks — коэффициент дополнительной нагрузки машины, зависит от вырубаемой толщины в формо- вочно-вырубном инструменте (табл. 10.5). Таблица 10.5 Коэффициенты для расчета усилия вырубки для сдвиговых штампов УПС ПП PETG АРЕТ ПВХ Км kw-ks) 0,95 1,05 1,1 1,25 1,37 1,05 1,15 1,25 1,25 1,88 1 1,10 1,15 1,25 1,58 1 1,05 1,15 1,25 1,51 0,98 1,05 1,1 1,25 1,56 ВНИМАНИЕ Опытные значения коэффициентов kw и ks также могут быть выше, например, от 1 до 1,4 для kw и в соответствии с табл. 10.3 — для/с5. Максимальная длина реза при установке со сдвиговым штампом определяется из соотношения: ,. „ ,. Усилие вырубки машины1', Н Максимальная длина реза, мм = — ^ '—. 1) Во время вырубки усилие вырубки машины определяется ее усилием прижима минус усилия, требующиеся для нижних держателей и съема.
10 Термоформующий инструмент 285 10.7.3 Сдвиговые штампы с крышеобразным углом заточки По сравнению со сдвиговым штампом с горизонтальной плоскостью реза, где общая длина вырубного штампа одновременно входит в плиту матрицы, на сдвиговом штамповочном инструменте, который имеет крышеобразную заточку, длина реза может быть увеличена за счет выбора угла заточки (рис. 10.52). Сдвиговый штамп с крышеообразной заточкой применяется в основном для вырубных станций, установленных после вакуумформовочной машины. Расчет крышеобразного угла заточки а (рис. 10.52) Расчет максимальной длины реза Lm„ в мм проводится для горизонтального реза в зависимости от усилия реза вырубной станции и вида полимера по формулам из раздела 10.7.2. Усилие вырубки машины, Н Максимальная длина реза, мм = F, ^■рассчитывают, как показано в разделе 10.7.2; F0 можно взять из рис. 10.51, а без ограничения толщины, а коэффициенты (kr • kM ■ kw • ks) — из табл. 10.5. Определение общей нагрузки штампа без ножа с крышеобразной заточкой L, Кс = (если получают KG > 1, штамп перегружен), где Кс — нагрузка на штамп; LM — общая длина реза инструмента, мм; Z.max — максимальная длина вырубки, мм (см. выше или в разделе 10.7.2). Рис. 10.52. Крышеобразная заточка сдвигового штампа: / — вырубной штамп; 2 — нижний держатель; 3 — вырубная плита; s —толщина вырубки; а — угол заточки (крышеобразный); /— внедренная длина; а — длина, ширина или диаметр
286 ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Определение крышеобразиого угла заточки а для Ка > 1: 2-s-Kc a S* arcsin '-, а где a, s, а — см. рис. 10.52. ПРИМЕР ==================^^ Для Кс = 1,3 при условии, что штамп будет перегружен на 30% в случае плоского горизонтального реза. Для материала толщиной s = 1 мм и диаметром а = 60 мм угол определяется как 2-1-13 а 3= arcsin и, следовательно, а > 2,48°; выбираем а - 3°. 10.8 Приварочный инструмент На рис, 10.53 показана принципиальная схема оснастки для тепловой сварки за счет теплопроводности через обратную сторону упаковки. Сварочный электрод (рис. 10.53), обычно изготовленный из латуни, постоянно нагревается и прикрепляется к электронагревателю, который может перемещаться по вертикали. Теплопередача от источника тепла к сварочному электроду осуществляется при контакте. Поэтому важно обеспечить, чтобы поверхность контакта была чистой и плоской. Рис. 10.53. Приварочный инструмент с передачей тепла через обратную сторону упаковки (принципиальная схема): 1 — нагреватель для сварки (подвижный со стороны машины); 2 — сварочный электрод (форматированный элемент); 3 — обратная сторона упаковки, картон или пластик; 4 — подпружиненные установочные штифты; 5 — оправка для приварки (форматирующий элемент); 6 — компенсационная резина (она же герметизирующая резина; необходима бывает не всегда); 7 — блистер; 8 — стол (ротационный стол, продольно перемещаемые паллеты или подобные устройства)
10 Термоформующий инструмент 287 а = 0 а) Ь) Рис. 10.54. Компенсационная резина, приклеенная к приварочной оправке: а) точно приклеиваемая герметизирующая резина; Ь) для изогнутого по радиусу блистера сварочную резину устанавливают таким образом, чтобы привариваемый контур лежал на плоскости (зазор а зависит от геометрии блистера) При приварке картона к полимерному блистеру сварочный электрод может — в исключительных случаях - контактировать с обратной стороной всего картона. При приварке полимера к полимерному блистеру сварочный электрод должен быть расположен в углублении. В этом случае контактирующую со сварочным электродом область делают в виде канавки. Подложка для приварки обычно производится фирмой Pertinax только для нескольких типовых упаковок. Для изготовления инструмента используется алюминий. Допуск по толщине фланца блистера до 0,1 мм можно выровнять с помощью компенсационной резины (рис. 10.54). Если сваривают тонкие материалы, а это, главным образом, относится к трудно привариваемым полимерам, потери тепла через приварочную оправку должны быть минимизированы. Вместо компенсационной резины на нее приклеивают жесткий изолирующий материал. В трудных случаях и в зависимости от вида полимера приварочная оправка может быть нагрета до температуры от 60 °С до 90 "С. На рис. 10.54 показано, как приклеить компенсационную резину.
Адольф Иллиг, Петер Шварцманы ТЕРМОФОРМОВАНИЕ Практическое руководство Перевод с английского языка под редакцией д-ра техн. наук Шерышева М.А. ISBN 5-93913-117-4 9785939»131 179 Ответственный редактор AM. Аввакумов Обработка иллюстраций Н.В. Красноперое Верстка И.Л. Актанова Дизайн обложки Р.В. Бабкиной Корректоры ГЛ. Быстрова, О.Д. Камнева Издательство «Профессия» Санкт-Петербург, 191002, а/я 600 Тел./факс: (812) 251-46-76, 740-12-60. URL: www.professija.ru, e-mail: bookpost@professija.ru Издание осуществлено при участии ЗАО «МастерПресс» 191119, Санкт-Петербург, ул. Марата, д. 41, лит. «В», пом. 14 Подписано в печать 10.10.06. Формат 70 х 100'/|(;. Печ. л. 18. Тираж 1000 экз. Заказ № 796 Отпечатано с готовых диапозитивов в ОАО «Техническая книга» 190005, Санкт-Петербург, Измайловский, 29