Современные технологии получения пластика: вакуумное и термическое формование

03.07.2024

Основное отличие между вакуумным и обычным термоформованием пластика заключается в способе получения изделия из разогретого листового материала.

Обычное термоформование происходит так. Нагретый лист термопластика размягчается и формуется под действием механического давления формующего пуансона или матрицы. Для получения четких форм и углублений требуется создавать высокое давление. Метод подходит для изделий с относительно простыми формами и невысокими требованиями к точности воспроизведения мелких деталей.

Вакуумное термоформование выполняется следующим образом. Нагретый лист термопластика размягчается и втягивается в формующую полость матрицы (пресс-формы) под действием разрежения воздуха. Процесс происходит при пониженном давлении. Этот способ позволяет получать детали с более сложными формами, глубокими выемками и четким воспроизведением мелких деталей. Ключевыми преимуществами метода являются высокие производственные скорости, низкий расход материалов, а также интегрирование различных функциональных элементов в формованное изделие.

Выбор между обычным и вакуумным термоформованием зависит от требований к изделию, его формы, размеров, необходимой точности и производительности процесса.

Основные виды процесса

Большая заинтересованность в мире тематикой пластического формования привела к созданию нескольких технологических решений.

1. Простое вакуумное формование

Базовый тип, при котором разогретый до пластичного состояния термопластичный лист формуется над пресс-формой путем создания вакуума. Применяется для производства изделий относительно простой формы.

2. Формование с подпором

Усовершенствованный метод, при котором в полость пресс-формы дополнительно подается азот или воздух под давлением. Это компенсирует усадку материала для улучшенного воспроизведения формы матрицы. Пригодится для тонкостенных изделий со сложной геометрией.

3. Супер жесткое формование

Модификация для производства высокопрочных жестких деталей значительной толщины из полипропилена, АБС-пластиков и других жестких термопластов. После прилегания листа к форме под вакуумом пресс-форма дополнительно обжимается с большим усилием.

4. Многоматричное формование

Использование пресс-форм, содержащих несколько отдельных матриц, для одновременного формования в параллельном формате нескольких изделий за один рабочий цикл. Позволяет значительно увеличить производительность.

5. Формование многослойных изделий

Процесс, при котором формуется многослойная конструкция. Она содержит различные функциональные вставки, компоненты, декоративные элементы и др., которая заранее закладывают в пресс-форму.

6. Формование нетрадиционных материалов

Помимо широко применяемых термопластов (ПВХ, ПП, ПС, АБС), в вакуумном формовании могут использоваться листы из биополимеров, древесно-полимерных композитов, армированных волокнами пластиков и др. специализированных материалов.

Чем выполняется нагрев

С целью повышения температуры формуемого материала применяют различные типы излучателей, каждый из которых имеет свои особенности, преимущества и недостатки.

1. Кварцевые. Представляют собой трубчатые нагревательные элементы, заполненные галогеном, имеющие колбу. У них высокая эффективность и скорость нагрева, компактность, долгий срок службы. Но при этом высокая стоимость, необходимость точного позиционирования относительно материала.
2. Керамические. Состоят из керамического корпуса с нагревательным элементом внутри. Обеспечивают равномерный нагрев, имеют продолжительный период эксплуатации, низкую цену. Однако отличаются замедленным нагревов по сравнению с кварцевыми излучателями, имеют большие габариты.
3. Инфракрасные. Формируют равномерный нагрев, проявляют высокую энергоэффективность, отличаются небольшими габаритами. По сравнению с электрическими аналогами ускоряют процесс нагрева в разы (актуально при подготовительной сушке листового пластика).
4. Индукционные. В работе используют энергию токов индукции в проводниках. Выполняют быстрый нагрев, проявляют отличную результативность, нет прямого контакта с материалом. Но при этом работают только с резистентными материалами и требуют значительных затрат на оборудование.
5. Электрические. Представляют собой проволочные или ленточные элементы, которые нагреваются при прохождении через них электрического тока. Востребованы за счёт простоты конструкции, низкой стоимости, формирования равномерного повышения температуры в пластичной среде, возможности регулирования термического потенциала. Их нужно защищать от перегрева, периодически обновлять. Электрические разновидности могут быть встроены в формующие пуансоны, плиты или располагаться отдельно в нагревательной камере.

Выбор излучателей определяется требованиями к производительности, точности нагрева, габаритам оборудования и соответствует выделенному бюджету проекта. Нередко для достижения оптимального результата рационально создавать комбинации из различных нагревателей.

Детальное описание процесса вакуумного формования

Для формования применяются термопластичные полимеры, поставляемые в виде гранулята или листового материала. Гранулят предварительно подвергается экструзии для получения листов. Листы разогреваются в специальных печах до температуры размягчения и достижения заданной пластичности. Используемые материалы: ПВХ, полипропилен, полистирол, АБС-пластик, полиэтилен, а также биополимеры, древесно-полимерные композиты и многие другие термопласты.

1. Формование изделия

Разогретый пластичный лист укладывается над горячей пресс-формой нужной геометрии. При помощи вакуумной системы создается разрежение, под действием которого лист начинает прилегать к контурам формы. Затем степень вакуумного всасывания повышается, что обеспечивает плотное облегание листом всех мельчайших деталей рельефа пресс-формы.

После завершения формования и приобретения изделием конечной конфигурации оно извлекается из пресс-формы при помощи выталкивающих штоков или робота-манипулятора.

А теперь поговорим о составляющих процесса.

Промышленные печи с системами циркуляции горячего воздуха или инфракрасного излучения выполняют точный контроль температуры нагрева и осуществляют равномерное прогревание листов. Возможна загрузка листов в автоматическом режиме.

Высокопроизводительные вакуумные насосы создают необходимый уровень разрежения под пресс-формой. Используются системы вакуумирования с регулируемой производительностью и возможностью программирования режимов работы на разных стадиях цикла.

Конструкции противодавления (подпора). Применяют пневмосистемы подачи газа под давлением в полость пресс-формы. Синхронизируются с вакуумными системами.

Пресс-формы изготавливаются из алюминиевых сплавов или специальных жароустойчивых сталей. Имеют сложный профиль с мельчайшими деталями и элементами для воспроизведения на изделиях. Применяют системы быстрой смены форм с обязательным подогревом/охлаждением.

Гидравлические системы нужны для сильного обжима пресс-форм с при формовании жестких деталей. Позволяют программировать режимы обжатия.

Автоматизированные манипуляторы – это роботизированные загрузочно-разгрузочные устройства. Осуществляют перемещение листов в печь, вытаскивание пресс-форм с готовой продукцией

Системы ЧПУ важны в деле управления всеми параметрами процесса: температурами, степенью разрежения/давления, режимами обжатия, циклами загрузки/выгрузки. С помощью программного обеспечения оптимизируют технологические циклы под разные типы изделий.

Высокий уровень автоматизации позволяет осуществлять непрерывное серийное производство при минимальном участии человека. Современные линии вакуумного формования способны очень гибко перенастраиваться на выпуск новых видов продукции.

Для более детального представления процесса термоформования вакуумным способом покажем отдельные операции схематически.

I – процесс разогрева листа термопластика;

II – предварительное вытягивание материала сжатым воздухом;

III – перемещение вверх рабочего стола с пуансоном;

IV – финишное превращение заготовки в конечную продукцию;

1 – элементы электронагрева;

2 – листовая заготовка;

3 – рама прижимного типа;

4 – камера герметизации;

5 – пуансон;

6 – рабочая платформа-стол.

Области применения вакуумного формования пластиков

Вы наверняка видели многое из нижеперечисленного, а также пользовались этими изделиями: выставочные стенды, POS-терминалы, отделочные пластиковые панели, защитные кожухи для коммуникаций, контейнеры для медикаментов, корпуса и панели управления для домашней бытовой техники, спойлеры, расширители арок, обшивка в автомобиле, контейнеры и лотки для упаковки. Всё это создано способом термического формования.

Оно находит применение во множестве других областей, открывая широкие возможности для производства разнообразной продукции из пластмасс. По мере развития технологии и материалов сфера ее использования будет только расширяться.