Введение

Изготовление полых пластиковых изделий в нагретой форме – крупномасштабный промышленный процесс.

Ротационное литье (BrE: формование) включает в себя нагретую форму, которая заполняется определенным количеством материала (загрузкой). Затем она медленно вращается (обычно вокруг двух перпендикулярных осей), в результате чего размягченный материал распределяется и прилипает к стенкам формы, образуя полое изделие. Для обеспечения равномерной толщины по всему изделию форма вращается непрерывно в течение фазы нагрева, а затем продолжает вращаться во время фазы охлаждения, чтобы избежать провисания или деформации. Этот процесс начал применяться к пластикам в 1950-х годах, но в первые годы использовался мало, поскольку был медленным и ограничивался небольшим числом видов пластика. Со временем, благодаря усовершенствованию контроля процесса и разработке пластиковых порошков, его применение расширилось. Ротокастинг (также известный как ротакастинг), в отличие от ротационного литья, использует самоотверждаемые или УФ-отверждаемые смолы (вместо термопластов) в неотапливаемой форме, но сохраняет медленные скорости вращения. Этот вид ротокастинга не следует путать с центробежным литьем.

История

В 1855 году патент, полученный Р. Петерсом в Великобритании, задокументировал первое использование вращающегося механизма, создающего «два центробежных движения, перпендикулярных друг другу», посредством косозубой передачи и нагрева. Этот процесс ротационного формования использовался для изготовления артиллерийских снарядов и других полых изделий, основной целью которого было обеспечение однородности толщины и плотности стенок. В патенте США 1905 года Ф. А. Вольке описал метод, включающий полимер для производства изделий с использованием парафинового воска. Дальнейшая разработка привела к процессу производства полых шоколадных пасхальных яиц, разработанному Г. С. Бейкером и Г. В. Перксом в 1910 году. Ротационное формование получило дальнейшее развитие, когда Р. Дж. Пауэлл упомянул о широко используемом соотношении 4:1 между главной и малой осями вращения при низких скоростях вращения. Его патент охватывал этот процесс для формования полых объектов из гипса в 1920-х годах. Эти ранние методы, использующие различные материалы, определили дальнейшее развитие ротационного формования, применяемого сегодня с пластиками. Пластики были внедрены в процесс ротационного формования в начале 1950-х годов. Одним из первых применений стало изготовление кукольных голов. Оборудование было изготовлено на основе печи E Blue, вдохновленной задним мостом General Motors, приводимой в действие внешним электродвигателем и нагреваемой газовыми горелками, установленными на полу. Форма была изготовлена из электроосажденной никель-медной смеси, а пластиком служил жидкий поливинилхлорид (ПВХ) пластизоль. Охлаждение осуществлялось путем погружения формы в холодную воду. Этот процесс ротационного формования привел к созданию других пластиковых игрушек. С ростом спроса и популярности процесса он стал использоваться для производства других изделий, таких как дорожные конусы, морские буи и подлокотники для автомобилей. Эта популярность привела к разработке более крупного оборудования. Также была создана новая система нагрева, заменившая первоначальные прямые газовые струи на современную косвенную систему нагрева высокоскоростным воздухом. В Европе в 1960-х годах был разработан процесс Энгеля, позволивший производить большие полые контейнеры из полиэтилена низкой плотности. Охлаждение заключалось в выключении горелок и затвердевании пластика при покачивании формы. В 1976 году в Чикаго была основана Ассоциация производителей ротационного формования (ARM) как всемирная торговая ассоциация. Основной целью ассоциации является повышение осведомленности о технологии и процессе ротационного формования.

Оборудование и инструменты

Ротационные литейные машины выпускаются в широком диапазоне размеров. Как правило, они состоят из форм, печи, камеры охлаждения и шпинделей. Шпиндели крепятся к вращающейся оси, обеспечивающей равномерное покрытие пластиком внутренней поверхности каждой формы. Формы (или оснастка) изготавливаются либо из сварных листов стали, либо отливаются. Выбор метода изготовления часто зависит от размера и сложности детали; наиболее сложные детали, как правило, производятся с использованием литой оснастки. Формы обычно изготавливаются из нержавеющей стали или алюминия. Алюминиевые формы обычно значительно толще аналогичных стальных форм, поскольку алюминий – более мягкий металл. Эта большая толщина не оказывает существенного влияния на время цикла, так как теплопроводность алюминия во много раз выше, чем у стали. В связи с необходимостью создания модели перед отливкой, литые формы, как правило, связаны с дополнительными затратами на изготовление оснастки, в то время как изготовленные из стали или алюминия формы, особенно для менее сложных деталей, обходятся дешевле. Однако некоторые формы содержат как алюминий, так и сталь, что позволяет получать изделия с переменной толщиной стенок. Хотя этот процесс не столь точен, как литье под давлением, он предоставляет конструктору больше возможностей. Добавление алюминия к стали увеличивает теплоемкость, благодаря чему расплав дольше остается в текучем состоянии.

Стандартная установка и оборудование для ротационного литья

Обычно все системы ротационного формования включают в себя формы, печь, камеру охлаждения и шпиндели для форм. Формы используются для изготовления изделий и, как правило, изготавливаются из алюминия. Качество и внешний вид готового изделия напрямую зависят от качества используемых форм. Печь служит для нагрева изделия, одновременно вращая его для придания необходимой формы. В камере охлаждения изделие охлаждается, а шпиндели предназначены для вращения и обеспечения равномерного покрытия пластиком внутри каждой формы.

Машины для рок-н-ролла

Это специализированная машина, предназначенная главным образом для производства длинных узких деталей. Некоторые из них имеют конструкцию типа "раковина", с одним плечом, но существуют также машины "рок-н-ролл" шаттлового типа с двумя плечами. Каждое плечо вращает или перекатывает форму на 360 градусов в одном направлении и одновременно наклоняет и раскачивает форму на 45 градусов выше или ниже горизонтали в другом направлении. Более новые машины используют принудительный нагретый воздух для нагрева формы. Эти машины лучше всего подходят для крупных деталей с большим отношением длины к ширине. Благодаря меньшим нагревательным камерам, достигается экономия затрат на нагрев по сравнению с двухосевыми машинами.

Машины для изготовления клейм

Это одноручная ротационная формовочная машина. Рука обычно поддерживается дополнительными рычагами с обеих сторон. Машина с раскрывающимся корпусом (или "ракушечного" типа) нагревает и охлаждает форму в одной камере. Она занимает меньше места, чем эквивалентные челночные и рычажные ротационные формовочные машины. Она экономична по сравнению с размерами изготавливаемых изделий. Она доступна в небольших масштабах для учебных заведений, заинтересованных в прототипировании, и для изготовления высококачественных моделей. К одному рычагу можно прикрепить несколько форм.

Вертикальные или вращающиеся вверх и вверх машины

Площадка для загрузки и выгрузки расположена в передней части машины между зонами нагрева и охлаждения. Эти машины варьируются в размерах от небольших до средних по сравнению с другими ротационными машинами. Вертикальные ротационные формовочные машины энергоэффективны благодаря компактности нагревательных и охлаждающих камер. Эти машины обладают теми же (или аналогичными) возможностями, что и горизонтальные карусельные многоплечие машины, но занимают значительно меньше пространства.

Машины для шаттлов

Большинство машин челночного типа имеют две руки, которые перемещают формы вперед и назад между нагревательной камерой и охлаждающей станцией. Эти руки независимы друг от друга и осуществляют двухосное вращение форм. В некоторых случаях машина челночного типа имеет только одну руку. Такая машина перемещает форму в линейном направлении, вводя и выводя её из нагревательной и охлаждающей камер. Она отличается низкой стоимостью при заданном размере выпускаемой продукции, а её занимаемая площадь минимальна по сравнению с другими типами машин. Также она доступна в уменьшенном масштабе для учебных заведений и изготовления прототипов.

Машины с подвижными руками

У машины с поворотными рычагами может быть до четырех рычагов с двухосным движением. Каждый рычаг независим от других, поскольку нет необходимости одновременно управлять всеми рычагами. Каждый рычаг крепится к углу печи и перемещается внутрь и наружу печи. На некоторых машинах с поворотными рычагами пара рычагов монтируется в одном углу, поэтому четырехрычажная машина имеет две точки опоры. Такие машины особенно полезны для предприятий с длительными циклами охлаждения или требующих значительного времени на извлечение деталей из формы по сравнению со временем обжига. Гораздо проще планировать техническое обслуживание или испытывать новую форму, не останавливая производство на других рычагах машины.

Карусельная машина

Это одна из самых распространенных двухосевых машин в отрасли. Она может иметь до четырех манипуляторов и шесть станций и выпускается в широком диапазоне размеров. Машина представлена в двух различных моделях: с фиксированными и независимыми манипуляторами. Карусель с фиксированными манипуляторами состоит из трех фиксированных манипуляторов, которые должны двигаться синхронно. Один манипулятор находится в нагревательной камере, другой – в охлаждающей камере, а третий – в зоне загрузки/перезагрузки. Карусель с фиксированными манипуляторами эффективно работает при использовании одинакового времени цикла для каждого манипулятора. Карусель с независимыми манипуляторами доступна с тремя или четырьмя манипуляторами, которые могут двигаться независимо друг от друга. Это позволяет использовать формы разных размеров, с разными временами цикла и требованиями к толщине.

Последние улучшения

До недавнего времени процесс в значительной степени основывался на методе проб и ошибок и опыте оператора для определения момента извлечения детали из печи и момента, когда она достаточно остынет для извлечения из формы. В последние годы технологии усовершенствовались, что позволило контролировать температуру воздуха в форме и значительно уменьшить неопределенность в процессе. Большая часть текущих исследований направлена на сокращение времени цикла и повышение качества деталей. Наиболее перспективным направлением является прессование формы. Хорошо известно, что создание небольшого давления внутри формы в нужной фазе нагрева ускоряет спекание частиц полимера в процессе плавления, что позволяет получить деталь с меньшим количеством пузырьков за меньшее время, чем при атмосферном давлении. Это давление замедляет отделение детали от стенок формы из-за усадки в процессе охлаждения, способствуя более эффективному охлаждению детали. Основным недостатком является опасность взрыва детали под давлением для оператора, что препятствует широкому внедрению прессования формы производителями ротоформовочных изделий.

Средства для выделения плесени

Хороший разделительный агент (MRA) обеспечивает быстрое и эффективное извлечение изделия из формы. Разделительные агенты могут сократить время цикла, количество дефектов и изменение цвета готовой продукции. Существует несколько типов разделительных агентов, которые можно классифицировать следующим образом:
Жертвенные покрытия: покрытие MRA необходимо наносить каждый раз, поскольку большая часть агента остается на отлитом изделии при его извлечении из формы. Силиконы – типичные компоненты MRA в этой категории. Полупостоянные покрытия: при правильном нанесении покрытие сохраняет свои свойства в течение нескольких циклов, прежде чем потребуется повторное нанесение или обновление. Этот тип покрытия наиболее распространен в современной индустрии ротационного формования. Активным химическим веществом в этих покрытиях обычно является полисилоксан. Постоянные покрытия: как правило, это та или иная форма политетрафторэтилена (PTFE), которая наносится на форму. Постоянные покрытия избавляют от необходимости ручного нанесения, но могут быть повреждены при неправильной эксплуатации.

Природные материалы

В последнее время появилась возможность использовать натуральные материалы в процессе литья. Используя настоящий песок и каменную крошку, можно создать композит из песчаника, состоящий на 80% из натурального необработанного материала. Ротационное литье гипса применяется для производства полых статуэток. Шоколад подвергается ротационному литью для создания полых кондитерских изделий.

Проектирование для ротационного формования

Еще одно соображение касается углов наклона. Они необходимы для извлечения детали из формы. На наружных стенках может быть достаточно угла наклона в 1° (при условии отсутствия шероховатой поверхности или отверстий). На внутренних стенках, например, внутренней поверхности корпуса лодки, может потребоваться угол наклона в 5°. Это связано с усадкой и возможной деформацией детали. Важным фактором также являются ребра жесткости. Хотя сплошные ребра могут быть желательными и достижимыми при литье под давлением и других процессах, полые ребра являются оптимальным решением при ротационном формовании. Сплошное ребро можно получить, вставляя готовую деталь в форму, но это увеличивает стоимость. Ротационное формование особенно эффективно при производстве полых деталей. Однако необходимо соблюдать осторожность. Если глубина углубления превышает его ширину, могут возникнуть проблемы с равномерным нагревом и охлаждением. Кроме того, между параллельными стенками должно быть достаточно места для обеспечения нормального течения расплава по всей форме. В противном случае может образоваться перемычка. Оптимальный вариант для параллельных стенок – зазор, как минимум в три раза превышающий номинальную толщину стенки, при этом пятикратная толщина является оптимальной. Также необходимо учитывать острые углы в параллельных стенках. При углах менее 45° могут возникать перемычки, наплывы и пустоты.

Существенные ограничения и соображения

Еще одним важным аспектом является текучесть расплава материала. Для некоторых материалов, например, нейлона, потребуются большие радиусы скругления, чем для других. Жесткость затвердевшего материала также может играть роль. При использовании недостаточно прочного материала могут потребоваться дополнительные конструктивные и усиливающие меры.

Толщина стен

Одним из преимуществ ротационного литья является возможность экспериментировать, особенно с толщиной стенок. Стоимость полностью зависит от толщины стенок: более толстые стенки обходятся дороже и требуют больше времени на производство. Хотя толщина стенки может быть практически любой, конструкторам следует помнить, что чем толще стенка, тем больше материала и времени потребуется, что увеличивает затраты. В некоторых случаях пластик может деградировать из-за длительного воздействия высоких температур. Различные материалы обладают разной теплопроводностью, что означает, что им требуется разное время пребывания в нагревательной и охлаждающей камерах. В идеале, деталь следует протестировать, используя минимальную толщину, необходимую для конкретного применения. Этот минимум затем устанавливается в качестве номинальной толщины. Для конструктора, хотя переменная толщина и возможна, требуется процесс, называемый остановкой вращения (стоп-ротация). Этот процесс ограничен тем, что только одна сторона формы может быть толще остальных. После вращения формы и достаточного покрытия всех поверхностей потоком расплава, вращение прекращается, и расплаву дается возможность скапливаться в нижней части полости формы. Толщина стенок также важна для радиусов углов. Большие внешние радиусы предпочтительнее малых. Большие внутренние радиусы также предпочтительнее малых. Это обеспечивает более равномерный поток материала и более равномерную толщину стенок. Однако внешний угол, как правило, прочнее внутреннего.

Преимущества

Ротационное литье обладает конструктивными преимуществами по сравнению с другими методами литья. При правильном проектировании детали, состоящие из нескольких частей, могут быть изготовлены как единое целое, что позволяет избежать высоких затрат на сборку. Процесс также имеет присущие ему сильные стороны, такие как равномерная толщина стенок и прочные внешние углы, практически не подверженные напряжениям. Для повышения прочности в деталь можно интегрировать ребра жесткости. Помимо интеграции в конструкцию детали, их можно добавить непосредственно в форму. Возможность добавления готовых деталей в форму является значительным преимуществом. Металлические резьбы, внутренние трубы и конструкции, а также даже пластик разных цветов могут быть добавлены в форму перед загрузкой пластиковых гранул. Однако необходимо учитывать, чтобы минимальная усадка при охлаждении не повредила деталь. Эта усадка позволяет создавать небольшие выступы и устраняет необходимость в механизмах извлечения (для большинства изделий). Ротационное литье может служить эффективной альтернативой выдувному литью для таких изделий, как пластиковые бутылки и цилиндрические контейнеры. Однако такая замена целесообразна только при небольших объемах производства, поскольку эффективность выдувного литья зависит от больших партий. Еще одним преимуществом являются сами формы. Поскольку они требуют меньшего количества оснастки, их можно изготовить и запустить в производство значительно быстрее, чем при использовании других методов литья. Это особенно актуально для сложных деталей, которые могут потребовать значительного количества оснастки при использовании других методов литья. Ротационное литье также является предпочтительным методом для мелкосерийного производства и срочных заказов. Формы можно быстро менять или использовать разные цвета без необходимости промывки формы. В других процессах для смены цвета может потребоваться промывка. Благодаря достигнутой равномерной толщине отсутствуют большие участки растяжения, что позволяет изготавливать большие тонкие панели (хотя возможно появление деформации). Кроме того, наблюдается не растяжение пластика, а скорее его укладка внутри детали. Эти тонкие стенки также ограничивают стоимость и время производства. Еще одним экономическим преимуществом ротационного литья является минимальное количество отходов материала в процессе производства. Отсутствуют литники и каналы (как при литье под давлением), а также обрезки и отходы (как при выдувном литье). Материал, который образуется в виде отходов или отбракованных деталей, обычно можно переработать.

Ограничения

Для ротационно-формованных деталей существуют ограничения, отличные от тех, что характерны для других процессов переработки пластмасс. Поскольку это процесс низкого давления, конструкторам иногда бывает сложно обеспечить доступ к определенным участкам формы. Качественный порошок может помочь решить некоторые проблемы, но обычно конструкторам следует учитывать, что изготовление острых резьб, возможных при литье под давлением, не представляется возможным. Некоторые изделия из полиэтилена можно помещать в форму перед загрузкой основного материала. Это позволяет избежать образования отверстий в определенных областях. Добиться этого также можно, используя формы с подвижными элементами. Ограничения касаются и самих форм. В отличие от других процессов, где необходимо охладить только изделие перед извлечением, при ротационном формовании необходимо охладить всю форму. Хотя возможно использование водяного охлаждения, время простоя формы остается значительным, что увеличивает финансовые и экологические издержки. Некоторые пластмассы могут разлагаться при длительных циклах нагрева или в процессе измельчения в порошок для последующей переработки. Стадии нагрева и охлаждения включают передачу тепла сначала от нагретой среды к полимерному материалу, а затем от него к охлаждающей среде. В обоих случаях процесс теплопередачи происходит в нестационарном режиме, поэтому его кинетика представляет наибольший интерес при рассмотрении этих этапов. На стадии нагрева тепло, получаемое от горячего газа, поглощается как формой, так и полимерным материалом. Оборудование для ротационного формования обычно имеет относительно небольшую толщину стенок и изготавливается из металлов с высокой теплопроводностью (алюминий, сталь). Как правило, форма передает гораздо больше тепла, чем пластик способен поглотить, поэтому температура формы должна изменяться линейно. Скорость вращения при ротационном формовании относительно низкая (4–20 об/мин). В результате на начальных этапах цикла нагрева загруженный материал остается в виде порошкового слоя на дне формы. Наиболее эффективным способом оптимизации цикла является использование листов полиуретана в горячекатаном виде.