Технология температурно-вакуумной формовки листового пластика

Вакуумная формовка пластика: оборудование и технология

Принцип производства изделий из пластика вакуумной формовкой заключается в придании листу пластмассы формы матрицы. Между разогретым листом и матрицей создается разреженная среда, которая способствует деформации пластика. В результате полимер плотно прилегает к поверхности формы и полностью повторяет ее рельеф. Технология применяется в основном для серийного производства, случаи изготовления единичной продукции встречаются редко. Это обусловлено необходимостью создания формы для определенного изделия, которая фактически входит его себестоимость. В случае массового тиража стоимость матрицы распределяется между всеми изделиями.

На конечную стоимость продукции, кроме особенностей производства, значительное влияние имеет исходный материал. Например, если купить АБС пластик для вакуумной формовки, изготовление одного кг изделий, по расходу и энергозатратам эквивалентно двум кг нефти. Стоимость данного материала зависит от марки и толщины листа. Например, лист толщиной 2 мм и размером 1*3 м будет стоить 1500 руб.

Кроме АБС для штамповки пригодны практически все термопластичные полимеры.

Продукция, изготовленная термическим формированием, используется в производстве:

• Узлов и деталей для автомобилей, самолетов, кораблей и космических аппаратов;
• Рекламной продукции;
• Форм для искусственного камня, тротуарной плитки, еврозаборов;
• Пищевой и упаковочной тары;
• Элементов декора;
• Блистерной упаковки;

Также при помощи этой технологии изготавливают одноразовую посуду, поддоны, объемные макеты местности, защитные кожухи, пластиковую фурнитуру, ванны, мойки, тазики, крышки ля унитазов и многое другое.

Обзор технологии производства

Из всех вариантов обработки полимерных материалов вакуумная формовка листового пластика – наиболее дешевый и быстрый. В процессе изготовления на заготовку достаточно воздействовать сравнительно не большим отрицательным давлением (-0,8 атм.), что не требует значительных энергозатрат. К тому же, сырье для производства поставляется в готовом виде (листы), что избавляет от организации процесса его подготовки.

Еще одно положительное качество этой технологии – сравнительно быстрый запуск в производство. Обычно на подготовку нужно 7-10 дней. Основное время затрачивается на изготовление формы и во многом зависит от ее сложности и материала, из которого она будет сделана.

Когда матрица готова ее размещают в машине вакуумной формовки, после чего возможен запуск производства.

Собственно, технологический процесс формирования изделий состоит из таких этапов:

• Фиксация пластикового листа между матрицей и нагревающими элементами;
• Прогрев заготовки и матрицы;
• Раздув листового полимера (в случае формования изделий с глубоким рельефом);
• К предварительно разогретой и раздутой заготовке поднимают рабочий стол с матрицей;
• Откачка воздуха из оставшихся пустот между пластиком и формой;
• Обдув изделия до полного его охлаждения;
• Съем пластикового изделия с поверхности матрицы;
• Финишная доработка готового продукта.

Это довольно поверхностное описание процесса. Для более глубокого понимания следует рассмотреть каждый из этапов более подробно.

Фиксация заготовки в зажимной раме

Предварительно очищенный полимерный лист зажимается в специальной раме станка. Усилие зажима зависит от конкретного материала и должно обеспечивать его надежную фиксацию. Одновременно с этим оно не должно быть избыточным, это может стать причиной повреждения готового изделия во время его извлечения.

Для вакуум-формовочного оборудования, работающего в автоматическом режиме необходимо правильно устанавливать соответствующие настройки. В случае с полуавтоматическими станками качество готовой продукции во многом зависит от квалификации оператора.

Рамка с пластиковым листом плотно прилегает к периметру рабочей поверхности, исключая попадание воздуха со стороны. Это делает возможным создание разреженной среды или избыточного давления, необходимого для корректировки провисания полимерного листа.

Предварительный нагрев заготовки

После фиксации листа к его верхней плоскости, которая расположена с противоположной от матрицы стороны, подводится нагревательный элемент. Данный процесс зависит от конструкции станка, но суть одна для всех вариантов – заготовка должна прогреться до необходимой температуры.

В качестве нагревательного элемента на современных вакуумно-формовочных станках принято использовать кварцевые лампы или инфракрасные излучатели. На более дешевых моделях применяют керамические нагреватели. Недостаток керамики в ее длительном нагреве и остывании, что не позволяет оперативно регулировать температуру.

По достижении необходимого состояния пластик становится более мягким и может начать провисать. Это фиксируется фотоэлементами станка и в случае обнаружения деформаций система будет их компенсировать, создавая избыточное давление между рабочим столом и листом.

Для достижения необходимой температуры в заданных областях заготовки, используется позонный прогрев. Параллельно с этим тепловое состояние заготовки контролируется в реальном времени пирометрами. В случае достижения критических значений температура оперативно корректируется системой станка.

В некоторых случаях необходим нагрев матрицы. Это исключает преждевременное остывание термопласта, предотвращая его истончение и возможное повреждение. Возникновение подобных дефектов особенно вероятно на участках матрицы с острыми углами.

Предварительное растяжение листа

После нагрева заготовки до необходимой температуры нагревательный элемент откатывается или поднимается (зависит от конструкции станка).

В случае изготовления деталей, имеющих сравнительно большую высоту и сложный рельеф, заготовку подвергают предварительному раздуву. Процесс обеспечивается избыточным давлением в герметичной камере и необходим для обеспечения равномерной толщины пластика на готовом продукте.

Вакуумное формование изделия

К нижней стороне заготовки поднимается рабочий стол с матрицей. На этом этапе лист пластика принимает приблизительную форму конечного изделия. Для правильного формообразования необходимо удалить весь воздух из пустот, образовавшихся на сложных участках рельефа. Это делается через технологические отверстия в матрице при помощи вакуумного насоса. В результате разогретый пластик равномерно прилегает к поверхности формы.

При штамповке деталей со сложной геометрией, а также если требуется высокая точность повторения формы, используют дополнительный прижимной элемент – пуансон. Данный элемент является обратной копией поверхности матрицы и обеспечивает необходимую точность и плотность прилегания.

Успешный результат данного процесса зависит от многих факторов. Например, недостаточно прогретый или не раздутый материал может повреждаться. Кроме повреждений могут наблюдаться местные утоньшения слоя пластика одновременно со сморщиванием на других участках.

Охлаждение изделия и извлечение из матрицы

По окончании формования пластик нужно остудить до температуры, не допускающей его усадку. В противном случае возможна фиксация заготовки на матрице. Съем в таком случае не возможен без повреждения детали.

Для более быстрого и контролируемого охлаждения используется обдув материала. Совместно с применением датчиков температуры поверхности заготовки можно обеспечить своевременное извлечение детали с поверхности матрицы.

Для облегчения процесса съема, через технологические отверстия в матрице подается воздух. Используются те же отверстия, которые служили для создания разреженной среды в процессе формования. После того как деталь немного отошла от матрицы, рабочий стол с формой опускается в начальное положение.

Окончательная обработка изделия

Лист с заготовкой извлекается из удерживающей рамы и направляется на финишную доработку. Данный этап подразумевает, как минимум, обрезку излишков пластика. В последствие заготовка может подвергаться разрезке, сверлению, фрезеровке или шлифовке.

Особенности используемого оборудования и материалов

Наиболее популярный для штамповки материал – АБС. Вакуумная формовка АБС пластика и его модификаций позволяет производить большинство изделий из всего ассортимента пластиковой продукции.

Кроме этого, используют следующие материалы:

• Акрил;
• Полистирол;
• Полипропилен;
• Поливинилхлорид (ПВХ);
• Поликарбонат;
• Полипропилен, а также многие другие.

Оборудование для формовки пластика

Все формовочные станки имеют схожую конструкцию и работают по одному принципу. Различия присутствуют в размерах рабочего пространства, нагревательных элементах, способе подачи листа и съема готовой продукции. Также есть варианты формовки с использованием пуансона (обратной матрицы). Этот способ используется для изготовления деталей с большей точностью.

Многие производители оборудования предлагают опциональную оснастку своих изделий. То есть функциональность формовочного станка может быть такой, какая необходима конкретному заказчику. Наиболее низкая цена оборудования с малым рабочим столом и без автоматической подачи заготовки. Например, стоимость станка с рабочим столом 400*500 мм – 100 000 – 150 000 рублей.

Также немалое значение имеет мощность вакуумного насоса, которым комплектуется станок. От этого зависит с каким материалом может работать то или иное оборудование. Имеется в виду толщина пластика, а также некоторые его виды, для качественной формовки которых необходимо значительное разрежение среды.

Основные узлы формовочного станка

Пресс для вакуумной формовки пластика включает в себя следующие элементы:

• Станина. В ней располагается в вакуумный насос блок управления. Также реализована система электроснабжения узлов станка.
• Система, создающая разреженную среду в камере для формования. Главный узел данной системы – вакуумный насос.
• Нагревательные элементы.
• Система датчиков для контроля за нагревом, охлаждением и положением заготовки.
• Узел, удерживающий пластиковую заготовку и обеспечивающий герметичное прилегание к периметру формовочной камеры.
• Рабочий стол, оснащенный подъемным механизмом.
• Система обдува, обеспечивающая равномерный прогрев и охлаждение детали.

Для запуска полноценного производства недостаточно купить станок для вакуумной формовки пластика, кроме него понадобится изготовить матрицу и возможно обратный прижимной профиль – пуансон. Выбор материала для этих деталей определяет сложность и глубину рельефа будущего изделия, а также количество циклов формовки. Наиболее подходящий материал для изготовления матрицы – алюминий и его сплавы.

Самостоятельное формование пластика

Вакуумная формовка пластика своими руками не возможна без соответствующего оборудования, которое можно купить или изготовить самостоятельно. Вариант покупки более прост, но станки для подобных работ стоят достаточно дорого.

Для сооружения небольшого станка понадобятся следующие материалы:

• Фанера, ОСБ, или в крайнем случае ДСП толщиной 16 мм;
• Строганный брус из дерева;
• Тонкая фанера (4 мм) или ДВП;
• Силиконовый герметик.

Для обеспечения нагрева понадобится духовка или небольшой обогреватель прямоугольной формы. По габаритам одного из этих нагревательных элементов нужно будет изготовить рабочую камеру для будущего станка.

Камера изготавливается из листового материала (фанера, ДСП, ОСБ), стыки при сборке необходимо промазывать герметиком, собираем на саморезы. Далее из бруса нужно сделать две рамки. Между ними будет зажиматься пластиковая заготовка. Рамки по длине и ширине должны соответствовать камере, при этом внутренний периметр рамок должен быть таким же, как и рабочий стол камеры.

На рабочем столе камеры необходимо насверлить множество отверстий для обеспечения равномерной выкачки воздуха (шаг в 3 см). В боковой стенке камеры делается отверстие для вакуумной системы. В самом крайнем случае для этих целей можно использовать бытовой пылесос.

Подобные самодельные станки можно использовать для ручного формования штучных изделий. Для более масштабного производства придется купить оборудование для вакуумной формовки пластика, обладающее необходимым функционалом.

Технологический процесс вакуумной формовки пластика

Во время процесса формовки пластмассовый лист-заготовка нагревается до размягчённого состояния, а затем втягивается в матрицу. Благодаря вакууму лист принимает форму матрицы, и после остывания вынимается из неё.

На передовом производстве используется сложное пневматическое, гидравлическое и тепловое оборудование для вакуумной формовки, что позволяет получить более высокую скорость производства и более точное формование.

Практически все термопласты могут выпускаться в листовой форме и, следовательно, подвергаться процессу формования. Наиболее часто используемые материалы для вакуумной формовки:

• акрилонитрилбутадиенстирол;
• полистирол;
• полиэтилентерефталат;
• поликарбонат;
• полипропилен;
• полиэтилен (также вспененный);
• полиметилметакрилат;
• поливинилхлорид.

В качестве примеров изделий вакуумной формовки можно назвать:

• ванны и поддоны для душа;
• стаканчики для йогурта;
• боксы для перевозки лыж;
• корпусы лодок;
• предохранители для оборудования;
• автомобильные внутренние панели;
• внутренние панели для холодильников;
• коробки для сэндвичей;
• детали для кабин транспортных средств;
• наружные вывески.

Особенности технологии

Метод вакуумной формовки имеет ряд преимуществ перед другими технологиями. Изделия изготавливаются под низким давлением, что позволяет использовать сравнительно недорогое оборудование.

Поскольку процесс производства происходит под низким давлением, пресс-формы для вакуумной формовки могут быть изготовлены из недорогих материалов, и время их изготовления может быть достаточно коротким. Благодаря этому экономичным становится и производство прототипов крупных или средних изделий, выпускаемых в ограниченном количестве.

Более сложные машины и пресс-формы используются для непрерывного автоматизированного производства большого количества предметов – например, стаканчиков для йогурта, одноразовой посуды и упаковок для сэндвичей.

В отличие от других технологий создания термопластов, где используются порошок или смола, вакуумная термоформовка подразумевает использование готовых пластиковых листов. Иногда после процесса формования требуется срезать излишки материала с торцов изделия, которые затем могут быть измельчены, переработаны и использованы повторно.

Видео: «Вакуумная формовка пластика»

Видео: «Технология вакуумной формовки АБС-пластика»

Процесс вакуумного формования пластика

Стандартно технология вакуумного формования пластика включает в себя следующие этапы: фиксацию, нагрев, предварительный раздув, откачку воздуха, вдавливание, охлаждение, извлечение и обработку.

Фиксация

Зажимная рама должна быть достаточно мощной, чтобы обеспечить надёжное закрепление заготовки в процессе формования. Зажим должен справляться с толстым материалом – до 6 мм для станков с одним нагревательным элементом и до 10 мм для оборудования с двойным нагревателем. В автоматизированном процессе работа движущихся частей должна быть защищена, чтобы избежать случайного повреждения изделия.

Нагрев

Нагреватели – это, как правило, инфракрасные элементы с отражающей пластиной из алюминия. Чтобы в процессе формовки получить наилучший результат – вне зависимости от того, какой материал используется, – лист нужно прогревать равномерно по всей поверхности и по всей его толщине. Для этого необходимо разделить площадь нагрева на несколько зон, которые бы контролировались при помощи регуляторов мощности. Керамические нагревательные элементы с этой точки зрения имеют некоторый недостаток – из-за своей высокой теплоемкости они медленно нагреваются (около 15 минут) и медленно реагируют на корректировку мощности.

Сейчас имеются более сложные – кварцевые – нагреватели, которые имеют меньшую теплоемкость и быстрее реагируют на изменение мощности. Пирометры позволяют точнее контролировать температуру нагрева, измеряя температуру плавления листа и взаимодействуя с системой контроля рабочего процесса. Точный контроль температуры также возможен с управляемой компьютером системой, работающей одновременно с пирометром(-ами). При формировке толстых листов рекомендуется использовать двойные нагреватели, так как они обеспечивают более равномерное проникновение тепла и сокращение времени цикла.

При формировке высокотемпературных материалов с критической температурой формования советуют использовать двойные кварцевые нагреватели. С пристальным контролем за интенсивностью теплового излучения можно полностью компенсировать теплопотери по краям, вызванные конвекционными воздушными потоками и поглощением областями, закреплёнными в зажимной раме.

Можно добиться также значительной экономии, если будут использоваться специальные кварцевые нагреватели: когда в процессе формования нагревательные элементы находятся с обратной стороны, можно регулировать падение мощности.

Контроль положения листа

На устройство обычно устанавливается фотоэлектрический датчик для сканирования пространства между нижним нагревателем и листом пластика. Если в процессе нагревания лист провисает и разрывает луч, в камеру вводится небольшое количество воздуха, поднимающего лист и останавливающего провисание.

Предварительный раздув листа (пузырь)

После того, как пластик достиг своей температуры формования или «пластичного» состояния, он может быть предварительно растянут – с тем, чтобы обеспечить будущему изделию равномерную толщину стенки. Предварительный раздув листового пластика для вакуумной формовки – полезная функция при глубокой вытяжке деталей с минимальным углом уклона и высокой поверхностью пресс-формы. Способ управления высотой «пузыря» должен быть таким, чтобы можно было получить постоянный результат.

Откачка воздуха

Как только материал предварительно растянут соответствующим образом, можно придавать листу форму при помощи вакуума. В больших станках резервуар используется в сочетании с мощным вакуумным насосом для формовки. Это позволяет создать двухступенчатую откачку воздуха, которая ускоряет формование нагретого листа.

Вдавливание

Эта часть процесса подразумевает использование пуансона – подвижной части пресс-формы, приводимой в движение пневматическим или гидравлическим цилиндром и расположенной над матрицей. Он используется для того, чтобы вдавливать материал в углубления в зоне формования. В сложном процессе глубокой вытяжки это позволяет производить изделия без складок и равномерно распределять толщину.

Идея заключается в том, чтобы до откачки воздуха подать столько материала, сколько необходимо для того, чтобы избежать истончения изделия. Пуансон, как правило, изготовлен из дерева или металла, его гладкая поверхность позволяет листу скользить во время растягивания.

Кожаная прокладка или прокладка из войлока гарантирует значительное снижение риска преждевременного охлаждения при контакте. Резиновый пуансон – хорошая альтернатива: будучи изолятором, резина не влияет на температуру листа.

Вдавливание – важный этап при формовании нескольких изделий из одного листа, поскольку пуансоны можно поместить рядом, не опасаясь возникновения складок между изделиями.

Охлаждение и извлечение

Прежде чем изделие можно будет извлечь после формовки, оно должно остыть. Если сделать это слишком рано, то можно деформировать изделие и получить брак. Для ускорения процесса остывания на оборудование для формовки устанавливаются вентиляторы системы охлаждения, которые включаются лишь после того, как изделие сформовано. Если в вентиляторы вмонтированы туманообразующие форсунки, на лист направляется мелкодисперсный туман. В общей сложности это может ускорить цикл охлаждения на 30%.

Также существуют блоки управления температурой пресс-формы, которые, регулируя температуру внутри неё, обеспечивают правильное равномерное охлаждение кристаллических и кристаллизующихся полимеров, таких как полипропилен, полиэтилен высокой плотности и полиэтилентерефталат.

После охлаждения изделие отсоединяется от пресс-формы под создаваемым системой давлением. Затем его вынимают и отправляют на обрезку.

Обрезка и отделка

После того как сформованное изделие остудили и извлекли из матрицы для вукуумной формовки, удаляются излишки материала. Затем в нём сверлят необходимые отверстия, щели и делают прорези. Также постобработка включает в себя отделку, печать, укрепление и сборку.

Для того чтобы отделить изделие от листа, используются различные способы обрезки. Выбор оборудования в значительной степени зависит от типа разреза, размера самого изделия, коэффициента вытяжки, толщины материала и объёмов производства. Также это факторы, которые следует учитывать при определении инвестиционной стоимости необходимого оборудования.

Тонкие части детали, как правило, обрезаются на механическом обрезном прессе, который ещё называют роллер-прессом. Тяжёлые изделия извлекаются из пресс-формы, помещаются в зажимы и обрабатываются при помощи специального оборудования: горизонтальной или вертикальной ленточной пилы, ручного строгально-шлифовального станка либо 3-х, 4-х или 5-ти осевого фрезерного станка.

Производство изделий из пластика путем вакуумной формовки

Вакуумной формовкой называется процесс производства серийных или единичных изделий из листовых полимерных материалов путем придания им формы матрицы под воздействием температуры и вакуума. В процессе производства изделия лист пластика нагревается до температуры размягчения и плотно облегает поверхность матрицы за счет создания отрицательного давления.

В серийном промышленном производстве для вакуумного формования изделий применяется современное высокотехнологичное оборудование, осуществляющее процессы разогрева сырья и откачки воздуха в режиме постоянно действующего конвейера.

В качестве сырьевых заготовок могут использоваться практически все полимеры, обладающие свойствами термопластов (полипропилен, полиэтилен, поливинилхлорид, поликарбонат и другие).

Методом вакуумной формовки выпускаются пластиковые изделия для всех направлений и сфер деятельности, в том числе:

• для авиационной, автомобильной и судостроительной отраслей промышленности;
• для производства упаковочной тары и емкостей всех видов;
• для нужд пищевого производства, химической промышленности, медицины;
• для производства бытовой техники, приборов и оборудования;
• для нужд строительства и дизайна.

Технология производства

Особенностью метода вакуумной формовки является возможность протекания производственного процесса с невысоким отрицательным давлением. Такие процессы не требуют наличия мощного оборудования, высокопрочных матричных форм и значительных расходов энергоносителей. Вследствие этого производство считается экономным, а готовые изделия имеют низкую себестоимость.

Широкие возможности для применения автоматизированных производственных процессов позволяют наладить непрерывный цикл изготовления продукции самого различного назначения. Немаловажную роль играет и то, что для формовки используются готовые листовые материалы, не требующие глубокой переработки сырья.

Стандартный метод вакуумной формовки состоит из нескольких этапов, включающих в себя:

• фиксацию заготовки на матрице;
• нагрев полимерного листа;
• предварительное растяжение листа;
• откачку воздуха из матрицы и вдавливание заготовки;
• охлаждение материала;
• извлечение изделия из матрицы;
• окончательную доработку изделия.

Для того чтобы понять, что представляет собой вакуумная формовка пластика, необходимо подробно рассмотреть все стадии производственного процесса.

Фиксация заготовки

Листы полимера крепятся к матрице при помощи зажимной рамы. Фиксирующие элементы должны обеспечивать прижимное усилие, достаточное для удержания листов толщиною до 6 мм. При автоматизированной подаче заготовок на формовку работа подвижных элементов прижимной рамы должна исключать возможность повреждения готового изделия.

Нагрев заготовки

Главной особенностью этого этапа работ является обеспечение равномерного прогрева всего объема заготовки, так как в противном случае плотного прилегания материала к форме матрицы добиться не удастся. В технологии вакуумной формовки для нагрева заготовок применяются, как правило, инфракрасные излучатели и кварцевые лампы.

Общая площадь поверхности заготовки делится на несколько зон, каждая из которых нагревается отдельным элементом, а температура нагрева контролируется при помощи специальных пирометров. Данные о температуре обрабатываются компьютерной системой для своевременной корректировки разницы нагрева различных участков заготовки.

До окончания процесса нагрева лист полимера должен сохранять свое первоначальное положение. Провисание пластика фиксируется фотоэлектрическим сканером, после чего система дает команду, и в аппарат подается воздух для корректировки формы заготовки. Благодаря этому исключается возможность разрыва материала.

Предварительное растяжение листа

В некоторых случаях в процесс производства включают предварительное растяжение материала, называемое также раздувом. Растяжение выполняется после достижения пластиком рабочей температуры формовки и служит для выравнивания толщины заготовки. Процесс раздува необходим при формовании заготовок на глубоких матрицах со сложной геометрией поверхности.

Откачка воздуха и вдавливание заготовки

После предварительного нагрева и растяжения закрепленной заготовки из аппарата для формовки производится откачка воздуха вакуумным насосом. При снижении давления внутри аппарата полимерный материал, достигший состояния пластичности, начинает облегать форму матрицы.

В зависимости от требований, предъявляемых к конечному продукту, технология вакуумной формовки, может совмещаться с технологией штампования при помощи пуансона. В этом случае помимо откачки воздуха на заготовку сверху воздействует специальная конструкция, профиль которой повторяет поверхность матрицы.

Комбинацией этих методов можно добиться максимальной точности заданных форм деталей, а также обеспечить равномерное распределение полимерного материала по поверхности матрицы, полностью исключив образование складок и участков с различной толщиной.

Охлаждение изделия и извлечение из матрицы

Во избежание повреждения детали при извлечении из матрицы необходимо дождаться полного остывания материала. Если применяемое для процесса вакуумная формовка пластика оборудование оснащено системами воздушного охлаждения, время остывания изделий может быть сокращено на 20-30%.

Для изготовления наиболее ответственных деталей вакуумные матрицы оснащаются системами управления температурными процессами.

Наличие таких систем позволяет добиваться равномерного охлаждения изделия, что способствует повышению его эксплуатационных качеств. Извлечение остывшей детали из матрицы происходит под воздействием создаваемого внутри давления.

Окончательная обработка

Изделие, извлеченное из матрицы необходимо отделить по контуру от излишков полимерного материала. Сформованная деталь может являться полуфабрикатом для дальнейшего сборочного производства. Для этого изделие может разрезаться, в нем могут высверливаться отверстия для крепежных элементов и делаться пропилы для вставок.

Для окончательной обработки материала могут использоваться:

• механический обрезной пресс;
• ленточная пила вертикального или горизонтального типа;
• станок строгально-шлифовальный;
• фрезерный станок;
• сверлильный станок;
• ручной механический и электроинструмент.

Вакуумное формование : технология переработки, разновидности

Чт, 28 Февраль 2008 | Тема: Технологии

Вакуумформование – процесс формования изделий из заготовок в виде пленки или листа, нагретых до температур, при которых полимер переходит в высокоэластическое состояние. Давление, необходимое для формования изделий, создается за счет разности давлений между наружным атмосферным давлением и разряжением, создаваемым в полости между листом и поверхностью формы (до 0,07-0,085 МПа).

Основная особенность этого способа переработки полимерных материалов заключается в том, что формование изделий осуществляется не из расплава, а из заготовок полимерного материала (листа, пленки), нагретых до размягченного состояния, которые затем приложенным усилием оформляются в изделия и затем охлаждаются при сохраняющемся усилии формования (рис. 1).

Методом формования изготавливают изделия различной конфигурации, имеющие одинаковую толщину всех стенок (стаканчики, крышки, ячейки для упаковки конфет или медицинских инструментов и т.д.) (рис. 2). Широко применяется вакуумформование для изготовления тонкостенных изделий (упаковочная тара и одноразовая посуда), когда литье под давлением неприменимо из-за малой толщины стенок. Очень выгодно использовать данный метод при мелкосерийном производстве, так как технологическая оснастка намного проще и дешевле, чем литьевые формы.

Существенными преимуществами этого метода являются рентабельный инструмент для формования, разумная стоимость вакуумформовочных машин, возможность переработки многослойных и вспененных материалов, а также материалов с предварительно нанесенной на них печатью. Из формуемых материалов с высокой вязкостью расплава могут быть получены чрезвычайно тонкостенные изделия, в то время как при литье под давлением для таких изделий требуется гранулят с низкой вязкостью расплава. Относительно невысокие цены на оснастку дают еще одно преимущество данному методу для производства небольших партий изделий; достоинства вакуумформования для больших партий состоит в достижении очень низких толщин стенок и высокой производительности вакуумформовочных машин.

Самые маленькие по размеру детали, производство которых вакуумформованием еще экономически выгодно, это упаковка для таблеток или батареек для часов. Недостатками метода являются:

большое количество отходов (до 50%) при изготовлении изделий с большой глубиной вытяжки.

Диапазон толщин формуемых материалов от 0,05 до 15 мм, а для вспененных материалов даже до 60 мм. Любые термопласты или материалы с аналогичными свойствами являются в принципе термоформуемыми. Наибольшее распространение получили листы крупнотоннажных полимеров: ударопрочного полистирола, АБС-пластика, жесткого ПВХ, аморфного ПЭТ. Поликарбонат, ПММА, ПЭНД и ПЭВП, ПП имеют менее широкое применение.

При вакуумформовании различают следующую последовательность процессов:
нагревание формуемого материала до температуры, при которой он способен изменять форму, то есть до температуры высокоэластического состояния (для аморфных полимеров) или до температуры приближенной к плавлению кристаллической фазы (для кристаллизующихся полимеров);
формование на специальной оснастке;
охлаждение в форме до температуры, при которой конфигурация отформованного изделия приобретет стабильные размеры;
извлечение из формы изделия со стабильными размерами.

В большинстве случаев необходима последующая обработка формованного изделия, а именно: отделка (обрезка); сварка; соединение (склеивание); горячее запаивание; печать; металлизация.

Придание необходимой конфигурации изделию осуществляется или в высокоэластическом состоянии, или несколько выше температуры текучести за счет растяжения полимера, под действием нормальных напряжений. Так как в области высокоэластического состояния деформации обратимы, то в отформованном изделии наблюдаются релаксационные процессы, причем их скорость тем больше, чем выше температура, при которой эксплуатируется изделие. Релаксационные процессы, протекающие во времени, могут привести к изменению формы изделия, особенно при повышенной температуре.

«Формоустойчивость» изделия в процессе эксплуатации определяется температурой формования и степенью вытяжки листа при формовании. Температура формующего инструмента (матрицы, пуансона, прижимных рам) должна быть ниже температуры размягчения полимера. Излишнее снижение температуры способствует росту дефектности (морщины, складки), брака (коробление) и усадки; увеличивается доля неотрелаксировавших напряжений; при увеличений Тф выше оптимального значения происходит другое нежелательное явление: увеличивается разнотолщинность стенок изделий. Поэтому температура формы не должна быть ниже 50-70 °С, а для ускорения процесса охлаждения и повышения производительности целесообразно использовать дополнительное воздушное охлаждение или охлаждение с помощью искусственного водяного тумана.

При увеличении степени вытяжки заготовки при формовании изделия возрастает ее ударная вязкость. Однако наряду с этим возрастает и вероятность значительной термической усадки изделия. Таким образом, желательно формовать объемные изделия при таких режимах, при которых бы в меньшей степени проявлялись ориентационные процессы.

На разнотолщинность изделий влияет также и скорость формования Vф. Медленная вытяжка сопровождается существенным охлаждением различных областей формуемого изделия, что ведет к увеличению разнотолщинности. Увеличение Vф способствует получению более равнотолщинных изделий. Одна из важнейших и наиболее длительная стадия технологического процесса — разогрев заготовки. Температурное поле разогретой заготовки должно быть максимально однородным как по ее поверхности, так и по толщине, но это затрудняется вследствии низкой тепло- и температуропроводности полимеров.

Большинство машин и установок для вакуумформования оснащено тепло-радиационными инфракрасными нагревателями; температуру заготовки можно регулировать изменением интенсивности нагрева по зонам и расстояния нагревателя от поверхности листа. Кроме того, нагрев листовых заготовок (особенно большой толщины) может осуществляться в нагревателях камерного типа или контактным способом с помощью нагреваемых плит. В целом с повышением температуры формования механические характеристики готового изделия снижаются, а усадка растет.

В зависимости от характера взаимодействия формуемого материала с формой различают свободное негативное и позитивное формование листовых заготовок. Свободное формование осуществляется без соприкосновения формуемого материала заготовки с оформляющим инструментом. Его применение ограничено изготовлением из прозрачных акрилатов крупногабаритных изделий овальной формы для обтекателей и световых фонарей с улучшенными оптическими характеристиками. При использовании метода требуется высокая равномерность нагрева заготовки с минимальной разнотолщинностью — в противном случае искажается форма изделия и его оптические характеристики. Кроме того, применение свободного формования ограничивает и глубину вытяжки.

Негативное формование (формование в матрице) позволяет получать изделия, у которых наружная поверхность соответствует геометрии внутренней поверхности матрицы. Нагретая заготовка вначале деформируется свободно, и ее толщина уменьшается относительно равномерно, однако после соприкосновения с формой температура заготовки в этой области резко понижается и дальнейшее деформирование идет неравномерно — толщина стенок и днища оказывается различной. Значительная разнотолщинность — один из существенных недостатков негативного метода формования.

Позитивное формование осуществляется на пуансоне; форму внешней поверхности пуансона повторяет внутренняя поверхность изделия. Нагретая заготовка первоначально соприкасается с верхней поверхностью пуансона; деформация этой зоны прекращается, поэтому образующееся днище имеет наибольшую толщину. Вытяжка остальной части заготовки происходит более равномерно, но, как и при негативном формовании, получение изделия большой глубины и с острыми углами затруднительно.

Наиболее важные характеристики формы — глубина и степень вытяжки, которые обеспечивает конструкция формы. Практически этими параметрами являются высота изделия Н и отношение H/W, где W— ширина изделия. Основная особенность оснастки для этого метода – наличие отверстий диаметром 0,1 – 0,5 мм или щелей в местах перегибов конфигурации изделия. Это необходимо для отвода воздуха при вакуумировании.

Охлаждение происходит при соприкосновении заготовки с холодными стенками формы. Для ускорения этой стадии применяют обдув изделия сжатым воздухом. В зависимости от метода формования и конструкции формы, охлаждение бывает односторонним или двухсторонним.

Время охлаждения зависит от температуры формы, температуропроводности полимера и толщины стенки изделия. Чем ниже температура охлаждающей поверхности, тем меньше время охлаждения, однако при очень резком охлаждении может произойти коробление изделий. При низкой температуре формы затрудняется оформление ребер или острых углов, при высокой температуре формы на изделии после его извлечения могут появиться гофры или складки, вызванные неравномерной усадкой. Температура формы при переработке кристаллизующихся полимеров влияет на скорость кристаллизации, степень кристалличности и соответственно на качество изделий.

Необходимо отметить, что в процессе охлаждения происходит усадка изделий. Извлечение изделий можно проводить сжатым воздухом или с помощью выталкивателей. На заключительном этапе отформованные заготовки подвергают механической обработке: вырубке из листа отдельных изделий, зачистке, пробивке (или сверлению) отверстий и т. д. С этой целью используют механические и гидравлические прессы, ножницы, специальные штампы (холодные и горячие), ленточные или дисковые зачистные станки. Для формования изделий из листовых и пленочных термопластов характерно значительное количество отходов на различных стадиях процесса (до 30-35%). Подавляющее большинство их может быть успешно использовано для вторичной переработки при своевременном сборе, измельчении и правильном хранении. Отходы измельчают на ленточных или гильотинных ножницах с последующей грануляцией или дроблением.

Вакуумформование имеет несколько разновидностей

Вакуумформование в матрицу: листовую заготовку укладывают на матрицу, закрепляют прижимной рамой и подводят нагреватель. После разогревания листа включают вакуум, между листом и матрицей создается разрежение и происходит формование изделия. При этом заготовка прижимается плотно к стенкам матрицы и охлаждается. Затем вакуум отключают, а к матрице подводят сжатый воздух, происходит выталкивание изделия. При формовании в матрицу края изделий имеют наибольшую толщину стенок, а на днище — минимальную. Данный метод применяется при формовании в многогнездные фомы.

Вакуумформование с вытяжкой толкателем. В отличие от рассмотренного способа, вначале происходит вытяжка разогретого листа толкателем, а затем формование в матрицу под действием вакуума. Применяется этот способ при изготовлении глубоких изделий, когда нужна незначительная разнотолщинность стенок при использовании как одногнездных так и многогнездных форм.

Вакуумформование на пуансоне. Лист закрепляют между двумя рамами, затем подводят нагреватель. После нагревания заготовки поднимается пуансон, закрепленный на поддоне, и происходит предварительная вытяжка. При этом пуансон выполняет роль толкателя. Окончательное оформление изделия выполняется на пуансоне под действием вакуума. В данном случае совмещены две операции — вытяжка и формование, которые проводятся на пуансоне, и не требуется специального толкателя. Однако пуансон при этом должен иметь повышенную температуру, поэтому охлаждение изделия замедляется. Этот способ находит широкое применение в тех случаях, когда необходимо обеспечить точность внутренних размеров изделия. При формовании на пуансоне наибольшая толщина стенки обеспечивается на днище. Применяется он при изготовлении крупногабаритных изделий в многогнездных формах.

Вакуумформование на пуансоне с предварительной вытяжкой сжатым воздухом. Этот способ применяется в тех случаях, когда полимер очень чувствителен к охлаждению. Чтобы в момент вытяжки лист не касался холодного пуансона, вначале под листом создают давление и лист вытягивается, как при свободном выдувании. Затем в образовавшуюся полусферу вводят пуансон, включают вакуум и проводят окончательное формование изделия. Охлаждение осуществляют на пуансоне, а также за счет обдува воздухом снаружи.

В зависимости от того, ведутся ли все операции на одной позиции или заготовка перемещается с одной позиции на другую, различают одно-, двух- и многопозиционные машины. Многопозиционные машины (рис. 4) делятся на ленточные, барабанные, карусельные. Перемещение заготовки с одной позиции на другую может происходить периодически (конвейерные, карусельные) или непрерывно (барабанные). Большая часть вакуумформовочных машин предназначена для изготовления штучных изделий в периодическом режиме. Для получения изделий неограниченной длины (тисненые пленки) используются барабанные машины непрерывного действия.