Термоформование пластиков. Общее

Благодаря своим природным свойствам термопластичные материалы (далее - термопласты) хорошо поддаются различным методам формообразования. При нагревании термопласты достаточно легко переходят в эластичное состояние, что позволяет изменять их форму в этом состоянии. А после охлаждения они сохраняют форму, полученную в нагретом состоянии. Это дает ряд преимуществ, особенно в случае необходимости получения изделий различных форм с ограниченной серийностью.

Методы формообразования термопластов

Самыми распространенными методами формообразования являются:

• вакуумный
• пневматический
• гидравлический
• механический
• комбинированный

По сравнению с заготовкой (полуфабрикатом) уже формованное изделие обладает большей поверхностью и меньшей толщиной стенок, что необходимо учитывать при выборе толщины стенки исходной заготовки. Примеры расчетов толщины стенки заготовки или готового изделия вы найдете в конце брошюры в разделе «Примеры расчетов».

Необходимо сразу определить, какая из поверхностей изделия должна иметь лучшее качество, и будет ли реализован на поверхности какой-либо рисунок, от этого зависит метод формования, подробнее в разделе «Формообразующая оснастка и основные методы формования».

Преимущества термоформования

• доступные и недорогие инструменты и оборудование
• возможность использования различных материалов (к примеру, монолитные, вспененные материалы, материалы с нанесенной печатью)
• возможность использования многослойных материалов
• возможность изготовления изделий с большой площадью, что дорого или невозможно при литье под давлением
• экономичность, как при мелкосерийном, так и при крупносерийном производстве

Основные понятия

При выборе метода формообразования необходимо учитывать свойства материалов, потому что каждый полимер ведет себя по-разному и имеет разные температуры размягчения, формообразования, различные показатели линейного теплового расширения, возвратные свойства и рекристаллизацию. В технологиях формообразования стоит в первую очередь разделять формование аморфных и полукристаллических полимеров. Из-за разной структуры макромолекул эти полимеры обладают существенными различиями, которые влияют на формуемость материалов.

На пирамиде полимеров слева от центра указаны аморфные пластики, а справа - полукристаллические. Также указаны термопласты стандартного, инженерного (конструкционного) и высокотемпературного применения.

Далее, на рисунке 1 и 2 графически показано поведение аморфных и полукристаллических термопластов при воздействии температур. Анализ приведённой (рисунки 1 и 2) термомеханической кривой показывает, что для термопластов характерны три ярко выраженные области, определяющие различную степень их деформируемости и соответствующие различным релаксационным (термомеханическим) состояниям полимеров: стеклообразному, высокоэластическому и вязкотекучему. Итак, полимеры наиболее эффективны в эксплуатации до точки стеклования, потому что находятся в жестком (стеклообразном) состоянии. Выше точки стеклования полимеры переходят в вязкоэластичное состояние, а выше точки текучести в вязкотекучее (расплавленное) состояние. В идеале, термопласты имеют структуру макромолекул идеальную для формования в вязкотекучем состоянии, но невозможно реализовать формование в этом состоянии из-за высокой степени провисания (стекания) материала в этом диапазоне под воздействием гравитационных сил (заготовка просто провиснет в зажатой раме и стечет вниз) и, как следствие, формование будет невозможно. Поэтому термопласты формуются в вязкоэластичном состоянии и крайне важно следить за тем, чтобы температура заготовки была бы как можно дальше от границы стеклообразного и вязкоэластичного состояния (возможна неполная проформовка). Самым наилучшим будет, если материал будет находиться в диапазоне вязкоэластичного состояния, который ближе к центру или к вязкотекучему состоянию, но опять же не находиться в точке критичности (на границе).

Аморфные термопласты*

Аморфные полимеры обычно прозрачные по своей природе и отличаются высокой точкой стеклования, порой очень близкой к постоянной рабочей температуре материала. Чаще всего это очень жесткие пластики с хорошей размерной стабильностью, но плохой стойкостью к воздействию химических веществ. Практически все аморфные материалы чувствительны к образованию трещин от внутренних напряжений, поэтому стоит внимательно относиться к формованию, механической и иной обработке пластиков данной группы.

Итак, наилучшие эксплуатационные характеристики аморфных материалов наблюдаются ниже температуры стеклования (Tg). В этом диапазоне аморфные полимеры обладают высокой жесткостью и стабильностью размеров. Выше Tg механические свойства аморфных пластиков резко ухудшаются, и материал переходит в высокоэластическое (резиноподобное) состояние.

Модуль упругости и прочность при разрыве снижаются после размягчения материала, а удлинение при разрыве существенно увеличивается. Именно в этом диапазоне высокоэластичного состояния (диапазон термопластичности) аморфные материалы легко подвергаются деформации.

В случае дальнейшего нагревания материал переходит в вязкотекучее состояние (расплавление). Обычно в этом состоянии полимеры используют для литья под давлением, экструзии или штамповки. А еще более высокая температура приводит материал к деструкции.

Полукристаллические термопласты*

Полукристаллические термопласты наоборот непрозрачные по своей природе, а точка стеклования обычно существенно ниже постоянной рабочей температуры. Это очень прочные пластики с хорошей ударной вязкостью и, если так можно выразиться, более «эластичными» свойствами в сравнение с аморфными. Так же, как и многие материалы, они склонны к образованию внутренних напряжений, но не в такой степени, как аморфные термопласты, следовательно, степень образования трещин существенно ниже. Полукристаллические термопласты обладают повышенной стойкостью к воздействию химических веществ.

Из данных графика (Рисунок 2) мы видим, что полукристаллические полимеры обладают наибольшей жесткостью до Tg, а после преодоления точки стеклования модуль упругости и напряжение при разрыве слегка снижаются, а относительное удлинение при разрыве увеличивается, но показатели слишком далеки от необходимых для формования. Обычно Tk является пределом эффективной эксплуатации большинства полукристаллических термопластов, а вот для формования нам необходимо преодолеть точку Tk. Только после превышения Tk напряжение при разрыве и модуль упругости при растяжении существенно снижаются, а относительное удлинение увеличивается. В этом диапазоне температур полукристаллические материалы переходят из полукристаллического в аморфное состояние. При этом они приобретают определенную прозрачность и вязкоэластичное («резиноподобное») состояние в котором легко деформируются.

Стоит обратить внимание, что если материал не догреть до Тk, то в готовом отформованном изделии останутся области с кристаллической структурой, наиболее сосредоточенные в зонах деформации. В этих зонах образуются остаточные напряжения, которые могут быть высвобождены при повторном нагревании или в процессе эксплуатации, что приведет к деформации изделия. В случае дальнейшего нагревания материал пластифицируется и переходит в вязкотекучее (расплавленное) состояние. А более высокая температура приводит к деструкции материала.

Подробную брошюру "Формообразование термопластов. Термоформование. Нагревание. Гибка" Вы найдете в разделе "Скачать" -> "Листовки с описаниями". 

Информация, использовавшаяся в данной статье взята из открытых источников, а также из: Каталогов и брошюр о термопластах, Ensinger GmbH; Брошюры «Формообразование термопластов», Simona AG; Статьи «Конструкция оснастки и изделий при термоформовании», опубликованной в журнале «Пластикс» № 1-2(95-96) 2011; Книги «Производство изделий из полимерных листов и пленок.», Шерышев М.А. СПб.: Научные основы и технологии, 2011.