Пневмоформование

Пневмоформование - это процесс формования изделий сжатым воздухом из заготовок в виде пленки или листа, нагретых до температур, при которых осуществляется высокоэластическая деформация полимера.
Лист или пленку производят из гранулята или порошка, получая полуфабрикат (полупродукт), что создает дополнительные затраты на сырье. Необходимость закрепления листа при пневмоформовании и последующий процесс обрезки приводят к отходам, которые возвращаются в производственный цикл путем их дробления. Полученный вторичный полимер затем может добавляется к исходному материалу при производстве листа.
Заготовку из перерабатываемого материала нагревают до температуры, соответствующей переходу в высокоэластическое состояние (для аморфных полимеров) или до температуры приближенной к плавлению кристаллической фазы (для кристаллизующихся полимеров). Под влиянием сжатого воздуха (давление до 2,5 МПа) в заготовке развиваются обратимые высокоэластические деформации, которые "замораживаются" в результате быстрого охлаждения соприкасающегося с холодной формой материала.

Методом пневмоформования листов получают различные объемные изделия: коробки, посуду, емкости и т. п. В частности, из УПС получают детали для холодильников, мебели, облицовки, поделок; из сополимеров стирола, имеющих высокую ударную вязкость, изготавливают дверцы, панели для самолетов; из двухосноориентированной ПС-пленки изготавливают неглубокие прозрачные пакеты, из вспененной пленки — посуду для холодных напитков, мороженого, бутербродов; из ПММА — сигнальные фонари реклам, арматуру для ламп; из ориентированных листов - остекление для самолетов и вертолетов; из ПВХ изготавливают неглубокие изделия - рельефные карты, скатерти, маленькие пакеты и др.; из полиолефинов производят посуду, игрушки, упаковку для пищи.

Рис. 1. Объемная форма, изготовленная методом пневмоформования.


К бесспорным достоинствам метода пневмоформования относятся: простота технологии и машинного оформления, низкая энергоемкость, невысокая стоимость используемой оснастки, возможность полной автоматизации процесса, универсальность по виду перерабатываемых пластмасс.
Основные стадии процесса пневмоформования: раскрой и разрезка заготовок, их разогрев, формование изделий, механическая обработка готовых изделий (вырубка, сверление и др.), сборка, упаковка и транспортировка.

Для резки листов на заготовки применяют гильотинные ножницы, раскаленную электрическим током проволоку, ленточные и дисковые пилы, а также разнообразные приспособления типа резаков. При механической резке режущий инструмент (пилы, диски, фрезы) необходимо интенсивно охлаждать, а образующиеся опилки (стружку) удалять с помощью отсосов для сохранения качественной поверхности листа.

Нагревание листовой заготовки. Заготовки можно нагревать в сушильных шкафах, в электрическом поле высокой частоты или инфракрасными нагревателями.
Нагревание в сушильных шкафах более длительное, чем остальные методы, и применяется в основном для полимеров, чувствительных к перегреванию.
Высокочастотный нагрев применяется для полярных полимеров. Однако, несмотря на все преимущества, его трудно применить для нагревания больших листов или заготовок, закрепленных в зажимной раме.

Наиболее часто для нагревания листов применяют инфракрасные нагреватели. Однако при инфракрасном нагревании по толщине листа возникает большой температурный градиент, обусловленный низкой теплопроводностью полимера. Разность температур на поверхностях листа зависит от мощности нагревателя, толщины листа и его удельной теплопроводности.

Обычно формование проводится при условии, когда нижняя сторона листа аморфных полимеров нагревается выше температуры стеклования, а кристаллических - выше температуры размягчения. Обогреваемая поверхность, обычно, имеет более высокую температуру, но она не должна быть выше термостойкости полимера (температуры деструкции).

При большом градиенте температур по толщине листа, полимер на обогреваемой поверхности может перегреться, что может вызвать его термическую деструкцию или изменение окраски. Поэтому толстые листовые заготовки обычно нагревают при двухстороннем расположении нагревателей. В этом случае время нагревания уменьшается в 4 раза.

Формование изделий происходит вследствие вытяжки листа под действием усилия пресса или сжатого воздуха. Скорость деформации листовой заготовки обеспечивается скоростью опускания плиты пресса или давлением и в каждом конкретном случае выбирается с учетом свойств полимера и температуры нагревания листа. Скорость деформации должна быть такой, чтобы звенья макромолекул могли переходить в новое положение без разрушения цепей полимера.
Скорость вытяжки листа обычно регулируется расходом сжатого воздуха, подаваемого в форму. Следует заметить, что при малой скорости подачи воздуха, лист прижимается к стенкам формы неравномерно, и может появиться рябь на поверхности изделия.

В процессе формования нагретая заготовка прижимается к поверхности формы под действием сжатого воздуха. Толстые заготовки для облегчения формования могут дополнительно прижиматься к поверхности формы с помощью механического давления пуансона.

Температуру формования обычно определяют экспериментально, так как она зависит от свойств полимера, толщины листа, конфигурации изделия и его размеров. Эта температура оказывает влияние на прочность и усадку изделия.

В момент формования между формой и листовой заготовкой находится воздух. Для его удаления в углублениях формы сверлят отверстия диаметром 1-2 мм, но не более половины толщины стенки изделия.

Для получения малосерийных изделий применяют формы из дерева и гипса, рассчитанные на короткие сроки службы (до 50 тыс. изделий). Для изделий, выпускаемых в больших количествах, формы изготавливаются из фенолформальдегидных или эпоксидных смол, армированных стекловолокном. Формы для длительной непрерывной работы изготавливают из металла (алюминиевые, магниевые сплавы). Они способны выдержать до 500 тыс. циклов формования.

Преимущество пневмоформования заключается в возможности использовать высокое давление формования (0,15—2,5 МПа), что позволяет получать изделия с более толстыми стенками, крупногабаритные детали. Изделия получаются с небольшой разнотолщинностью, имеют четкий контур, точные размеры.

В зависимости от конструкции формы существуют три разновидности способа формования:

  •  свободное выдувание;
  •  пневмоформование в матрицу;
  •  пневмоформование в матрицу с вытяжкой заготовки толкателем.

Свободное выдувание. Лист укладывают на поддон и закрепляют рамой. Подводится инфракрасный нагреватель, и листовая заготовка разогревается. Затем через отверстие в поддоне подается сжатый воздух, под действием которого лист вытягивается и образуется изделие в виде полусферы. Высота изделия регулируется давлением. Охлаждение проводится за счет обдува струей воздуха. Для того чтобы изделия получались определенной высоты, иногда применяют ограничители, торцы которых оформляют дно. При касании полусферы и ограничителя происходит срабатывание электромагнитного клапана и подача воздуха в поддон прекращается.

Пневмоформование в матрицу. Разогретую заготовку укладывают на матрицу и закрепляют поддоном. Через отверстие поддона подается сжатый воздух, под действием которого лист вытягивается и прижимается к охлаждаемым стенкам матрицы. Для охлаждения матрица имеет каналы, в которые подается вода. Для выхода воздуха из полости формы в момент формования изделия в углублениях матрицы имеются воздушные каналы.
Данным способом могут изготавливаться изделия сложной конструкции с большой толщиной стенок. Однако при изготовлении глубоких изделий таким методом получается значительная разнотолщинность стенок.

При формовании тонкостенных изделий, чтобы струя воздуха не ударяла в лист и не происходило местного утонения, в поддоне устанавливают распределитель воздуха, который подает воздух равномерно по всей поверхности, при этом воздух предварительно подогревается. Недостатком данного метода является то, что матрица сверху закрывается поддоном, поэтому исключается визуальный контроль за процессом формования, а также затрудняется обдув изделия воздухом при охлаждении.

При формовании в матрицу заданные размеры изделия обеспечиваются по наружной поверхности, а внутренние зависят от толщины стенок.
Пневмоформование в матрицу с вытяжкой листа толкателем. Этот способ применяется при изготовлении глубоких изделий.
Заготовку укладывают на матрицу, закрепляют рамой и нагревают. Затем опускается толкатель, происходит предварительная вытяжка заготовки, после чего через отверстия толкателя подается сжатый воздух и проводится окончательное формование изделия в матрице. Заготовка прижимается к стенкам матрицы и охлаждается (рис. 2).

Температура толкателя обычно поддерживается на 20 - 30°С ниже, чем температура листовой заготовки. При более низкой температуре возможно местное охлаждение листа и формование затрудняется. Изменяя величину хода толкателя и его размеры, можно регулировать разнотолщинность изделия по высоте. Разнотолщинность можно также уменьшить, если площадь зажимной рамы берут больше, чем площадь матрицы. При формовании часть материала растягивается за контуром матрицы и разнотолщинность снижается.

Этот метод можно применить при изготовлении изделий в многогнездных формах.


Рис. 2. Схема пневмоформования в матрицу с вытяжкой листа.


Основными недостатками метода пневмоформования являются сравнительно высокие отходы полимера и длительность технологического цикла. Однако при крупносерийном и массовом производстве изделий коэффициент расхода материала можно уменьшить, применяя многогнездные формы.
Для одновременного формования нескольких изделий используется одна общая зажимная рама, поэтому часть заготовки, идущая под зажим, а затем на вторичную переработку, значительно сокращается. Таким образом, большая часть полимера расходуется рационально и расход его уменьшается.
Для сокращения длительности цикла необходимо совместить операции нагревания заготовки и охлаждения изделия или исключить операцию нагревания. Совмещения операций по времени можно добиться на поточных многопозиционных линиях (рис. 3).

Рис. 3.Пневмоформовочная автоматическая линия.


Источник журнал «Полимерные материалы: изделия, оборудование, технологии»
http://www.polymerbranch.com/termoplast/view/7/13.html#v13