Термоформование пластиков. Основные методы и виды.

Одними из самых популярных методов формования являются вакуумное, пневматическое, механическое, а также и некоторые другие виды формования, при этом возможны их различные комбинации. Свойства готовых изделий при использовании данных методов идентичны.

При вакуумном формовании заготовка принимает свою окончательную форму под действием атмосферного давления (1 атм = 0,1 Н/мм2), поэтому этот метод наиболее предпочтителен для тонкостенных изделий. Первоначально заготовку прижимают по периметру к рабочей камере вакуум-формовочной машины прижимной рамой над технологической формующей оснасткой. Потом с помощью нагревательного устройства разогревают до высокоэластического состояния и заготовка вытягивается. Затем в полости, образованной поверхностями заготовки и формующей матрицы (или формующего пуансона), создают разряжение, в результате чего за счет возникающего перепада давления пластифицированная заготовка прижимается к формующему инструменту под внешним давлением воздуха и происходит формование изделия. После охлаждения изделия до температуры его формоустойчивости его извлекают (снимают) с формующего инструмента, предварительно открыв прижимную раму. Преимущество вакуумного формования состоит в том, что тонкостенные фасонные детали с большой площадью поверхности могут изготавливаться с применением простых инструментов. Технология вакуумного формования позволяет изготавливать детали с низкой или большой серийностью с умеренными затратами, существенно сниженными, чем при литье под давлением.

Процессы пневмоформования отличаются от вакуумного формования только тем, что перепад давления создают за счёт использования в качестве рабочей среды сжатого газа, как правило, сжатого воздуха, с избыточным давлением до 2,5 МПа. Поэтому при толщине формуемых заготовок более 5 мм или для получения изделий с высокой точностью рекомендуется применять пневматическое формование, так как материал прижимается к формообразующему инструменту высоким давлением (от 7 бар = 0,7 Н/мм2 до 10 бар = 1 Н/мм2).

При гидравлическом формовании роль рабочей среды выполняет подогретая жидкость, нагнетаемая насосом под давлением 0,15–2,5 МПа.

Механическое формование (механотермоформование) отличается от процессов пневматического формования тем, что придание плоской разогретой заготовке формы готового изделия осуществляется за счёт её механической вытяжки металлическим пуансоном.

Современные технологии производства предусматривают и совмещение разных методов формования изделий, например пневмовакуумное, пневмомеханическое и т.п. Обратите внимание, что если конечное изделие предполагает реализацию тонкой структуры или наличие мелкого объемного рисунка, то рекомендуется использовать заготовки с толщиной менее 5 мм.

Перед принятием решения о получении изделия методами термоформования стоит принимать во внимание:

• тип формуемого материала
• геометрию готового изделия
• формообразующую оснастку
• имеющееся оборудование

Виды формования

Позитивное, негативное, негативно-позитивное, свободное формование выбираются в соответствии с требованиями к качеству внутренней и внешней поверхностей изделия.

При позитивном формовании (формование на пуансоне) внутренняя поверхность изделия в точности воспроизводит форму или рисунок формующего инструмента, потому что заготовка прилегает к технологической оснастке своей внутренней стороной. Там, где у положительных форм образуется участок меньшей толщины, у отрицательных форм возникает участок большей толщины. При высоких требованиях к допускам следует использовать позитивное формование, так как при охлаждении деталь сжимается на инструменте.

Если необходимо получить изделие с хорошей внутренней поверхностью, то рекомендуется формование на пуансоне. А если требования предъявляются к внешней поверхности изделия, то наоборот рекомендуется формование в матрице. Негативное формование (формование в матрице) даёт возможность получать изделия, наружная поверхность которых в точности воспроизводит форму или рисунок внутренней поверхности матрицы.

Свободное формование осуществляют в пройме прижимной рамы машины без использования формующего инструмента.

Стоит обратить внимание, что изготовление пуансонов механической обработкой проще, чем изготовление матриц, поэтому при отсутствии жестких требований к изделию, экономичней производить формообразование на пуансоне. При формовании в матрице усадка несколько больше, чем при формовании на пуансоне, и к тому же она имеет большую неоднородность для различных размеров одного и того же изделия. Это объясняется тем, что сам пуансон препятствует развитию усадки. Однако съем изделий с пуансона требует больших усилий, так что если формообразующие детали выполнены из относительно малопрочного материала - например, из гипса, - то повышенный износ имеет место именно у пуансонов.

Предварительная механическая или пневматическая вытяжка позволяет снизить разнотолщинность изделия, но не может исключить ее. На рисунке 9 приведены примеры разнотолщинности при использовании различных методов формования.

Во избежание образования складок, сразу после пластификации заготовки необходимо нагнетать воздух, а в случае негативного формования произвести вытяжку. Вытягивание должно происходить на высоте, равной примерно 2/3 высоты технологической формообразующей оснастки. Далее технологическая оснастка (инструмент) «одевает на себя» пластифицированную заготовку и вводится разрежение.

Быстрее всего заготовка охлаждается в местах, где полимер наиболее прилегает к технологической оснастке. Далее изделие охлаждается с помощью воздуха. Обратите внимание, что смачивание водой еще недостаточно охлажденного изделия может привести к образованию напряжений. Смачивание водой возможно лишь тогда, когда поверхность уже достаточно охлаждена, что исключает «замораживание» возникающих напряжений. Благодаря этому способу обработки обеспечивается равномерная толщина стенок и уменьшение внутренних напряжений. Для получения изделий отличного качества и минимизации рисков коробления изделий рекомендуется достигать полного охлаждения деталей в отдельной раме уже после вынимания из формообразующего инструмента (действительно для некоторых видов материалов).

Рекомендуется производить охлаждение в таких рамах, которые соответствуют геометрии формообразующей технологической оснастки (формующего инструмента). При этом можно многократно использовать старые формующие инструменты или специальные деревянные формы.

Высокие температуры формования, медленное охлаждение и по возможности низкая температура изделия при извлечении из формы, а также обрезка краев непосредственно после изготовления – все это способствует уменьшению коробления изделия.

Итак, процесс получения готового изделия может состоять из множества всевозможных этапов или исключать некоторые из них, но, в общем, преимущественная технология формообразования состоит из:

• установки и зажима заготовки в раме
• нагрева заготовки до достижения достаточной эластичности
• первичного формирования изделия (предварительная вытяжка)
• основного формирования изделия (придание окончательной формы)
• охлаждения (готовое изделие)
• выемки изделия из формообразующей оснастки и вырубка/обрезка изделия

а - а не излучателя

а1 - показатели существенно зависят от осуществляющего работы персонала и используемого оборудования

* В поперечном направлении примерно половина указанного значения

** Для предельного коэффициента вытягивания, специально для отрицательного формования

*** E-CTFE между 170 и 240 °C обладает очень низким удлинением при разрыве и не должен обрабатываться в этом диапазоне температур.

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.