Бесплатный звонок
по России
8-800-500-8-777
sale@elmica.ru
Карта сайта
Главная / Обработка полимеров

Термоформование пластиков. Расчеты

Свойства, оказывающие влияние

Температурные характеристики.

Постоянная и кратковременная температура эксплуатации. Температура формования термопластов зависит от постоянной и кратковременной температуры эксплуатации полимера. Чем выше эти температуры, тем большему нагреванию подвергаются материалы для достижения зоны формуемости, а, следовательно, тем большие энергозатраты необходимы.Термоформование полимеров, Элмика

Теплоемкость - количество теплоты, затрачиваемое для изменения температуры (нагревание материала) на 1°С (1К). Согласно более строгому определению, удельная теплоемкость - термодинамическая величина, определяемая выражением C=ΔQ/ΔТ (ΔQ - изменение энтальпии (теплосодержания) в зависимости от температуры (ΔT)). Значения С берутся из таблиц технических характеристик термопластов (показатели на последних страницах каталогов Ensinger, Simona) или графиков энтальпии (Рисунок 3). Экспериментальное определение зависящей от температуры теплоемкости производится методом дифференциальной калориметрии (DSC). Согласно этому методу небольшое количество материала (5–30мг) нагревается контролируемым образом в тигле, и по ходу этого выполняется измерение необходимого теплового потока для этой эталонной пробы. Теплоемкость аморфных пластиков зависит от вида полимера и находится в диапазоне от 1,0 до 1,5 кДж/(кг·K). Теплоемкость полукристаллических пластиков также зависит от вида полимера и находится в диапазоне от 1,0 до 2,7кДж/(кг·K) (для большинства пластиков 1,0-1,8 кДж/(кг·K). Существенное влияние на теплоемкость может оказывать наполнитель (модификатор), добавляемый в полимер. Добавки могут как снижать теплоемкость, так и повышать ее (зависит от вида и количества включаемого в полимер вещества).

Теплопроводность (N) - процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела (или тел) к менее нагретым частям (или телам), осуществляемый хаотически движущимися частицами тела. Способность вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности (удельной теплопроводностью). Численно эта характеристика равна количеству теплоты, проходящей через образец материала толщиной в единицу длины (1 м), площадью в единицу площади (1 м2), за единицу времени (1 секунду, а может час?) при единичном температурном градиенте (1 К). В метрической системе мер единицей измерения коэффициента теплопроводности является Вт/(м·K). Таким образом, теплопроводность характеризуется количеством энергии, которое может «проходить» в материал в единицу времени. Теплопроводность ненаполненных аморфных термопластов лежит в диапазоне от 0,1 до 0,3 Вт/(м·K).

Теплопроводность полукристаллических термопластов варьируется от 0,2 до 0,6 Вт/(м·K). Теплопроводность существенно зависит от температуры, а также от добавки, включенной в полимер. К примеру, введение углеволокна в термопласт существенно увеличивает теплопроводность материала. Показатели теплопроводности также можно найти в таблицах технических данных термопластов (показатели на последних страницах каталогов Ensinger, Simona).

Температуропроводность (коэффициент температуропроводности) - физическая величина, характеризующая скорость изменения (выравнивания) температуры вещества в неравновесных тепловых процессах. Численно равна отношению теплопроводности к объёмной теплоёмкости при постоянном давлении, в системе СИ измеряется в м²/с. Температуропроводность является важным показателем при оценке деформируемости термопластов. Для большинства ненаполненных полимеров температуропроводность лежит между 0,05 и 0,25мм2/сек. Температуропроводность определяет прогревание заготовки для формовки в результате воздействия внешнего тепла (к примеру, излучения или непосредственного контакта инструмента с формуемой заготовкой). Стоит обратить внимание, что при непосредственном контакте нагревающего элемента и заготовки имеет значение показатель прогрева b.
Контактная температура Tc определяет тепловой поток между инструментом и заготовкой во время формования. С помощью Таблицы 1 можно рассчитать необходимые коэффициенты в зависимости от температуры.

Форование пластмасс, Элмика 2015

Механические характеристики

Фрикционные свойства зависят от структуры, качества поверхности и физико-механических свойств материалов. По причине незначительного поверхностного напряжения полимеры, как правило, обладают низким коэффициентом трения (хорошими свойствами скольжения) при комнатной температуре. Однако с изменением температуры свойства скольжения изменяются. Существенно свойства скольжения зависят от добавки, введенной в материал. Некоторые наполнители, армирующие волокна существенно снижают коэффициент трения (к примеру, углеволокно), а некоторые существенно увеличивают его (к примеру, стекловолокно). Изменения свойств скольжения касаются и многослойных материалов.

Трение может влиять на процесс формования, как позитивно, так и негативно. При большом трении между формующим инструментом и заготовкой возникает ограничение размера области контакта. Фрикционные свойства материалов зависят от:

  • шероховатости поверхности инструмента
  • температуры
  • типа полимера

Прочие характеристики

Водопоглощение

В зависимости от базового полимера, добавок (модификаторов), включаемых в него, полимеры обладают определенным водопоглощением, в том числе могут впитывать влагу из воздуха (к примеру, при хранении, транспортировке, эксплуатации). Одни полимеры отличаются крайне низким, практически нулевым, влагопоглощением, другие наоборот - высоким (к примеру, полиамиды). Но для большинства полимеров значения влагопоглощения настолько незначительны, что не оказывают влияния на свойства формования заготовок.

В случае PVC-U, PETG, РА-6, РА-66, модифицированных, электропроводящих или цветных термопластов, количество впитываемой влаги может оказаться настолько значительным, что во время нагревания заготовки на ее поверхности могут появляться пузырьки. В случае работы с наполненными (армированными, модифицированными, ...) материалами причиной влагопоглощения может служить наполнитель (модифицирующая добавка). Для того чтобы исключить или минимизировать негативные последствия, такие полимеры должны просушиваться в печах с хорошей конвекцией воздуха. Некоторые параметры просушивания (кондиционирования) представлены в Таблице 2.  Важно. При данных процессах нужно обеспечить горизонтальное расположение заготовок и хорошую циркуляцию нагретого воздуха со всех сторон заготовок (не класть друг на друга). В случаях, если была обеспечена защита заготовок от влаги при хранении или транспортировке, просушивание может быть исключено.

Форование пластмасс, Элмика 2015

Сжатие и усадка. Полимеры также подвержены увеличению удельного объема (объем на 1 кг) с повышением температуры, что связано с тепловым удлинением, проявляющимся во всех трех измерениях. Как правило, объем аморфных термопластов, с ростом температуры увеличивается почти линейно. Полукристаллические термопласты ведут себя, напротив, как анизотропные материалы, т.е. их свойства зависят от направления производства. Измерения показывают линейное увеличение объема термопластов с превышением температуры расплавления кристаллов (Tk). В диапазоне между точкой стеклования (Tg) и точкой перехода в вязкоэластичное состояние (Tk) увеличение объема протекает нелинейно (Рисунок 5).

В технике формования различают сжатие и усадку. Под сжатием понимается изменение размера заготовки при хранении с подогревом при определенной температуре.

Чтобы определить сжатие во время деформации, заготовка определенного размера нагревается в конвекционной печи на тефлоновой пленке, которая дополнительно посыпана тальком – до температуры пластической деформации. Для установления анизометрии, значения сжатия должны быть измерены во всех направлениях, в особенности вдоль и поперек по отношению к направлению экструзии.

Проблемы образования складок, вырывания в рамном стенде или образования сильной деформации во время нагревания с контактным нагревом могут быть связаны с сжатием в результате слишком высокой температуры воздействия.

Точные значения усадки могут быть определены только экспериментально посредством оборудования и формообразующей оснастки с таким контуром (геометрией), как у изготавливаемых готовых изделий. Ориентировочные значения для различных термопластов представлены в Таблице 3. Однако следует учитывать, что сжатие и усадка также могут зависеть от действующих нагрузок. За усадкой необходимо следить, в особенности при дальнейшей обработке готовых изделий, так как при этом формованное изделие зачастую еще не полностью охлаждено. Усадка, как правило, зависит от следующих факторов:

  • тип полимера (с возможными отклонениями при нагрузке);
  • скорость охлаждения: высокая скорость охлаждения обуславливает меньшую усадку при дальнейшей обработке;
  • высокая температура при извлечении изделия из формы приводит к большей усадке;
  • большое вытягивание дает меньшую усадку;
  • позитивные формы дают меньшую усадку по сравнению с негативными;
  • в зависимости от направления экструзии возможна различная усадка в изделии.

Итак, усадка определяется как разность между размером формующей оснастки и размером охлажденной готовой детали.

Далее, различают последующую усадку и общую усадку. Обратите внимание, что размеры формующей оснастки (формующего инструмента) и размеры готовой детали должны измеряться после охлаждения до 23°C в течение 24 часов.

Термоформование, Элмика

Термоформование, Элмика

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.