Термоформование пластика: технология и применение.

Введение

Производственный процесс формования пластика нагревом

Термоформование – это производственный процесс, при котором пластиковый лист нагревается до температуры, позволяющей придать ему форму, формуется в определенную форму в пресс-форме и обрезается для получения готового изделия. Лист, или "пленка" применительно к материалам меньшей толщины и определенным типам материалов, нагревается в печи до температуры, достаточной для растяжения его в или на пресс-форму и последующего охлаждения до окончательной формы. Упрощенным вариантом термоформования является вакуумная формовка. В простейшем исполнении для нагрева небольших вырезанных фрагментов пластикового листа и растяжения их на пресс-форму с помощью вакуума можно использовать небольшую настольную или лабораторную машину. Этот метод часто применяется для изготовления образцов и прототипов деталей. В сложных и крупносерийных производствах используются большие производственные машины для нагрева и формования пластикового листа, а также для обрезки сформированных деталей от листа в непрерывном высокоскоростном процессе, что позволяет производить тысячи готовых изделий в час, в зависимости от машины, размера пресс-формы и размера формируемых деталей. Термоформование отличается от литья под давлением, выдувного формования, ротационного формования и других способов обработки пластмасс. Термоформование тонкого калибра в основном используется для производства одноразовых стаканов, контейнеров, крышек, лотков, блистерных упаковок и других изделий для пищевой, медицинской и розничной торговли. Термоформование толстого калибра включает в себя такие разнообразные детали, как панели дверей и приборных панелей автомобилей, внутренние облицовки холодильников, кузова коммунальных автомобилей и пластиковые поддоны. Большинство компаний, занимающихся термоформованием, перерабатывают свои обрезки и пластиковые отходы, либо прессуя их в прессе-компакторе, либо подавая в гранулятор (измельчитель) для получения измельченной крошки, которая затем продается компаниям по переработке или используется повторно на собственном предприятии. Часто обрезки и отходы пластмассы, образующиеся в процессе термоформования, перерабатываются обратно в экструдированный лист для повторного формования.

Процедура

В наиболее распространенном методе высокоскоростного, непрерывного термоформования тонкостенных изделий, пластиковый лист подается с рулона или экструдера в набор индексирующих цепей, оснащенных штифтами или шипами, которые прокалывают лист и транспортируют его через печь для нагрева до температуры формования. Затем нагретый лист перемещается в формовочную станцию, где сопрягаемая форма и пресс закрываются на листе, после чего применяется вакуум для удаления захваченного воздуха и прижатия материала к форме или внутрь нее, а также подается сжатый воздух для придания пластику детальной формы пресс-формы. (Для формовки высоких и глубоких деталей обычно используются пуансоны-помощники в дополнение к вакууму, чтобы обеспечить необходимое распределение материала и толщину в готовых изделиях.) После короткого цикла формования, при открытии формовочного инструмента, с вакуумной стороны формы активируется импульс обратного давления воздуха, обычно называемый пневматическим выталкиванием, для разрушения вакуума и облегчения извлечения сформированных деталей из формы. Для извлечения более сложных деталей или деталей с отрицательным уклоном и подрезами на форме также может использоваться выталкивающая пластина. Лист, содержащий сформированные детали, затем перемещается на станцию обрезки на той же машине, где штамп вырезает детали из оставшейся полосы листа, или перемещается в отдельный обрезной пресс, где детали обрезаются. Оставшаяся после обрезки сформированных деталей полоса листа обычно наматывается на приемный вал или подается в встроенный гранулятор для переработки.

События

Микропроцессорное и компьютерное управление на более современных машинах позволяет значительно повысить контроль процесса и обеспечить повторяемость настроек для одной и той же партии, с возможностью сохранения параметров нагревателей печи и времени процесса между заказами. Возможность установки отформованных листов в встроенный обрезной модуль для более точной регистрации обрезки улучшена благодаря широкому использованию электрических сервоприводов для индексации цепи вместо пневматических цилиндров, зубчатых реек и муфт, применяемых на старых машинах. Электрические сервоприводы также используются в некоторых современных и более сложных формовочных машинах для привода плит машины, на которых крепятся формовочные и обрезные инструменты, вместо традиционных пневматических цилиндров, что обеспечивает более точный контроль скорости закрытия и открытия, а также времени работы инструмента. Кварцевые и излучающие панели печей обычно обеспечивают более точный и равномерный нагрев листов по сравнению с нагревателями типа "cal rod", а также позволяют лучше зонировать печь для регулировки температуры в отдельных областях. Разработана новая технология ToolVu, обеспечивающая обратную связь в реальном времени на термоформовочных машинах. Эта автономная система подключается непосредственно к термоформу и использует несколько датчиков для записи данных о производственном процессе в реальном времени, включая давление воздуха, температуру, тензодатчики инструмента и другие параметры. Система выдает множество предупреждений и оповещений при нарушении заданных производственных параметров в ходе работы. Это сокращает время простоя оборудования, уменьшает время запуска и снижает количество брака при запуске. Инструмент является неотъемлемой частью процесса термоформовки и специфичен для каждой изготавливаемой детали. Тонкостенное термоформование, описанное выше, почти всегда выполняется на линиях непрерывного действия и обычно требует изготовления форм, оправки, пресс-форм для создания давления и всех монтажных пластин, а также обрезного инструмента и деталей штабелера, относящихся к конкретному заказу. Для термоформования толстых или тяжелых материалов также требуется инструмент, специфичный для каждой детали, но из-за больших размеров деталей формы могут быть изготовлены из литого алюминия или других композитных материалов, а также из фрезерованного алюминия, как в случае тонкостенного термоформования. Как правило, толстостенные детали обрезаются на станках с ЧПУ или вручную с помощью пил или ручных фрезеров. Даже самая современная термоформовочная машина ограничена качеством используемого инструмента. Некоторые крупные производители термоформовочных изделий предпочитают иметь собственные конструкторские и инструментальные цеха, в то время как другие полагаются на сторонние инструментальные мастерские для изготовления инструмента.

Microprocessor and computer controls on more modern machinery allow for greatly increased process control and repeatability of same job setups from one production run with the ability to save oven heater and process timing settings between jobs. The ability to place formed sheets into an inline trim station for more precise trim registration has been improved due to the common use of electric servo motors for chain indexing versus air cylinders, gear racks, and clutches on older machines. Electric servo motors are also used on some modern and more sophisticated forming machines for actuation of the machine platens where form and trim tooling are mounted, rather than air cylinders which have traditionally been the industry standard, giving more precise control over closing and opening speeds and timing of the tooling. Quartz and radiant panel oven heaters generally provide more precise and thorough sheet heating over older cal rod type heaters, and better allow for zoning of ovens into areas of adjustable heat. A new technology, ToolVu, has been developed to provide real time feedback on thermoformer machines. This stand alone system connects directly to the thermoformer and utilizes multiple sensors to record production run data in real time including air pressure, temperature, tool strain gauge and other specifications. The system sends out multiple warnings and alerts whenever pre set production parameters are compromised during a run. This reduces machine down time, lowers startup time and decreases startup scrap. An integral part of the thermoforming process is the tooling, which is specific to each part that is to be produced. Thin gauge thermoforming as described above is almost always performed on in line machines and typically requires molds, plug assists, pressure boxes and all mounting plates as well as the trim tooling and stacker parts that pertain to the job. Thick or heavy gauge thermoforming also requires tooling specific to each part, but because the part size can be very large, the molds can be cast aluminum or some other composite material as well as machined aluminum as in thin gauge. Typically, thick gauge parts must be trimmed on CNC routers or hand trimmed using saws or hand routers. Even the most sophisticated thermoforming machine is limited to the quality of the tooling. Some large thermoforming manufacturers choose to have design and tool making facilities in house while others will rely on outside tool making shops to build the tooling.

Термоформинговые работы тонкомерных и тяжеломерных (толстых) материалов

Существует две основные категории процессов термоформования. Листы толщиной менее 1,5 мм обычно подаются на термоформовую машину из рулонов или экструдера листов. Применения тонкостенного термоформования с использованием рулонного материала или встроенной экструзии в основном представлены жесткой или полужесткой одноразовой упаковкой. Листы толщиной более 3 мм (0,120 дюйма) обычно доставляются на формовочную машину вручную или с помощью автоматической подачи, уже нарезанными до конечных размеров. Тяжелые или толстостенные термоформованные изделия из разрезанных листов в основном используются в качестве постоянных конструкционных элементов. Существует небольшой, но растущий рынок среднетонких изделий, формируемых из листов толщиной от 1,5 до 3 мм. Толстостенное формование использует тот же базовый процесс, что и непрерывное формование тонких листов, обычно заключающийся в натягивании нагретого пластикового листа на форму. Многие применения толстостенного формования используют только вакуум в процессе формования, хотя некоторые используют две половины сопрягаемой оснастки и включают давление воздуха для облегчения формования. Развитие технологии толстостенного формования было стимулировано производством ветровых стекол для самолетов и окон для пулеметных установок во время Второй мировой войны. Толстостенные детали используются в качестве декоративных поверхностей в постоянных конструкциях, таких как киоски, автомобили, грузовики, медицинское оборудование, оборудование для обработки материалов, холодильники, спа и душевые кабины, а также электрическое и электронное оборудование. В отличие от большинства тонкостенных термоформованных деталей, толстостенные детали часто подвергаются ручной обработке после формования для обрезки до окончательной формы или для дополнительного сверления, резки или отделки, в зависимости от продукта. Толстостенные изделия обычно предназначены для "постоянного" использования, в то время как тонкостенные детали чаще разрабатываются как одноразовые или пригодные для переработки и в основном используются для упаковки или хранения пищевых продуктов или товаров. Толстостенное термоформование обычно используется для производственных партий от 250 до 3000 единиц в год, с более низкой стоимостью оснастки и более быстрой разработкой продукта, чем у конкурирующих пластиковых технологий, таких как литье под давлением. Olimunllum CF/PEEK получают методом толстостенного термоформования тонких слоев предварительно пропитанных волокон для формирования полностью консолидированных листов. Основное отличие от композитных плит, изготовленных на заказ, заключается в стандартизированной ориентации армирующих волокон, стандартизированном содержании полимера по весу и стандартизированной толщине листов. Это обеспечивает простоту проектирования и последующей обработки с использованием идентичных или аналогичных инструментов, которые обычно используются при работе с легкими металлическими материалами, такими как алюминий, титан и сталь.

There are two general thermoforming process categories. Sheet thickness less than 1.5 mm (0.060 inches) is usually delivered to the thermoforming machine from rolls or from a sheet extruder. Thin gauge roll fed or inline extruded thermoforming applications are dominated by rigid or semi rigid disposable packaging. Sheet thicknesses greater than 3 mm (0.120 inches) are usually delivered to the forming machine by hand or an auto feed method already cut to final dimensions. Heavy, or thick gauge, cut sheet thermoforming applications are primarily used as permanent structural components. There is a small but growing medium gauge market that forms sheet 1.5 mm to 3 mm in thickness. Heavy gauge forming utilizes the same basic process as continuous thin gauge sheet forming, typically draping the heated plastic sheet over a mold. Many heavy gauge forming applications use vacuum only in the form process, although some use two halves of mating form tooling and include air pressure to help form. Aircraft windscreens and machine gun turret windows spurred the advance of heavy gauge forming technology during World War II. Heavy gauge parts are used as cosmetic surfaces on permanent structures such as kiosks, automobiles, trucks, medical equipment, material handling equipment, refrigerators, spas, and shower enclosures, and electrical and electronic equipment. Unlike most thin gauge thermoformed parts, heavy gauge parts are often hand worked after forming for trimming to final shape or for additional drilling, cutting, or finishing, depending on the product. Heavy gauge products typically are of a "permanent" end use nature, while thin gauge parts are more often designed to be disposable or recyclable and are primarily used to package or contain a food item or product. Heavy gauge thermoforming is typically used for production quantities of 250 to 3000 annually, with lower tooling costs and faster product development than competing plastic technologies like injection molding. Olimunllum CF/PEEK is obtained by thick gauge thermoforming of thin layers of previously impregnated fibers to form fully consolidated sheets. The main difference from custom made composite plates lies in the standardized orientation of the reinforcing fibers, the standardized weight content of the polymer and standardized sheet thicknesses. This allows easy design and post processing using identical or similar tools as commonly used when working with metallic light weight materials like aluminium, titanium and steel.

Промышленность

Североамериканский рынок, объём которого превышает 10 миллиардов долларов США, традиционно делится на 3/4 тонкостенного и 1/4 толстостенного термопластичного формования. В 2003 году в Северной Америке насчитывалось около 150 предприятий, занимающихся тонкостенным термоформованием. 60% из них производили продукцию под собственной торговой маркой, 30% работали по индивидуальным заказам, а 10% были OEM-производителями, имеющими собственные мощности для формования. Почти дюжина предприятий, занимающихся тонкостенным термоформованием, имели годовой объем продаж не менее 100 миллионов долларов. У крупнейшего из них годовой объем продаж превышал 1 миллиард долларов. В Северной Америке насчитывалось около 250 предприятий, занимающихся толстостенным термоформованием. Почти все они работали по индивидуальным заказам. Только два или три предприятия, занимающихся толстостенным термоформованием, имели годовой объем продаж более 100 миллионов долларов. У крупнейшего из них годовой объем продаж составлял около 140 миллионов долларов. Город Бивертон, штат Мичиган, известен как мировая столица термоформирования пластмасс, что обусловлено близостью к компании Dow Chemical Company, расположенной в Мидленде, штат Мичиган.