Ротационное формование

Ротационное формование - метод изготовления тонкостенных полых изделий во вращющейся форме: заполненная порошкообразным или гранулированным материалом закрытая металлическая форма вращается вокруг двух и более пересекающихся осей (рис. 1). При этом происходит распределение сырьевого материала по внутренней поверхности полости формы, а одновременный нагрев формы способствует его расплавлению с образованием тонкого покрытия в виде оболочки.
Фиксация формы и размеров получаемого полого изделия достигается охлаждением расплавленного материала.


Рис. 1. Схема ротационного формования.


Ротационное формование широко используется для изготовления разнообразных изделий самой различной величины и формы - деталей приборов, корпусных деталей мебели, бочек и контейнеров, лодок и др (рис. 2). В настоящее время данная технология позволяет производить изделия объемом до 10 000 л с толщиной стенок 6-20 мм .


Рис. 2. Бочки, изготовленные методом ротационного формования.

Этим методом перерабатываются такие термопластичные материалы, как наполненный техническим углеродом полиэтилен, полиамиды и др. Доминирующую роль среди материалов для ротационного формования играет полиэтилен (ПЭ). По данным ARM (Международной ассоциации ротационного формования) на долю полиэтиленовых изделий приходится от 85 до 95% рынка. Применяется ПЭ низкого, среднего, высокого давления, пространственно сшиваемый ПЭ. Наибольшее количество изделий выпускается из линейного полиэтилена низкого давления. На долю других полимеров приходится от 5 до 15% рынка. Среди этих полимерных материалов лидирующую роль занимают ПВХ - пластизоли.

Для ротационного формования разработаны специальные марки полиамида, поликарбоната, полипропилена. Также этим методом возможно изготовление изделий из термореактивных полимерных материалов, таких как полиуретаны, эпоксидные композиции и т.д. Из смесей полимеров, отличающихся друг от друга значениями температуры плавления, получают двухслойные изделия с различными свойствами слоев.
В ротационном формовании для модификации свойств полимеров и готовых изделий широко используются различные добавки. Это, в первую очередь, термо- и светостабилизаторы, пигменты. Применяются антистатические добавки, пламягасители, вспенивающие агенты. Возможно применение наполнителей и стекловолокна.

К достоинствам метода относятся:

 

  • простота изготовления полых изделий по сравнению с другими методами;
  • возможность образования отверстий в стенке изделий или точеное изменение толщины стенки за счет изменения теплопроводности стенки формы;
  • отсутствие отходов материала и затрат на дополнительную механическую обработку готовых изделий.
  • отформованные изделия имеют гладкую поверхность без сварных швов, снижающих прочность изделий. При этом наиболее прочными являются углы и кромки изделия, которые обладают наименьшей прочностью при раздувном и пневмовакуумном формовании.

К недостаткам метода следует отнести большую длительность технологического цикла изготовления изделий и трудоемкость извлечения полученного изделия из формы.
Ротационное формование относится к высокопроизводительным процессам, уступая по производительности лишь литью под давлением, выдувному и экструзионному формованию. Причем, в ряде случаев экономически целесообразно использование ротационного формования для получения партий изделий, насчитывающих всего несколько штук.

Выбор оборудования для ротационного формования определяется конфигурацией и размерами изделия, типом перерабатываемого материала и серийностью производства.

Последовательность основных технологических операций при ротационном формовании термопластов состоит из нескольких стадий. На стадии «а» происходит дозирование и загрузка сырья в холодную форму, на стадиях «б» и «в» последовательно осуществляются нагрев и охлаждение при одновременном ее вращении вокруг двух взаимно перпендикулярных осей, на стадии «г» готовое изделие извлекается из формы(см. рис.3).


Рис.3. Схема метода ротационного формования (а - г - стадии формования):
1 - сырье; 2 - форма; 3 - готовое изделие.


Рис .4. Установка для ротационного формования.

Дозирование полимера. Применяется весовое дозирование, при этом масса полимера рассчитывается с учетом обеспечения заданной толщины стенки изделия.
Нагревание формы для установок непрерывного действия осуществляется в печах газовым пламенем, горячим воздухом или инфракрасным излучением. Обогрев газовым пламенем эффективен, однако его применение ограничено нагревом стальных форм (для нагрева форм из других металлов он не применяется во избежание разрушения их в результате перегрева). Обогрев горячим воздухом применяется при формовании изделий с малой толщиной стенок (до 1,5 мм). Инфракрасный обогрев эффективен для нагрева одиночных форм простой конфигурации.
В последнее время для нагрева ротационных форм стали использовать расплавы солей, например смеси нитратов натрия и калия: расплавленная при температуре 473 - 573 К смесь разбрызгивается на поверхности вращающейся формы, равномерно прогревая ее стенки.

Формование изделия
производится при вращении формы и равномерного распределения полимера по всей поверхности с одновременным нагреванием. Вращение формы необходимо только для того, чтобы осуществить равномерное распределение материала по ее станкам в результате перемещения порошка или гранулята под действием силы тяжести. По мере нагрева формы нагревается и плавится порошок полимера, происходит его налипание на стенки формы. Вязкость расплава достаточно велика для того, чтобы предотвратить перемещение материала относительно стенки формы до окончания процесса формования.

После гомогенизации расплавленной композиции скорость вращения формы желательно увеличить для получения более монолитной оболочки изделия, чтобы за счет центробежных сил уплотнить материал. Для удаления из полимера воздушных включений в форме можно создать вакуум и начать охлаждение. Продолжительность операции формования зависит от скорости нагревания формы и температуры плавления полимера и, как правило, находится экспериментально.
Охлаждение изделия производится при вращении формы за счет обдувания её холодным воздухом или распыленной водой с воздухом. Температура формы в конце охлаждения должна быть ниже температуры стеклования для аморфных полимеров или температуры теплостойкости для кристаллизующихся.
Извлечение изделия производится после разборки формы. В зависимости от вида изделия и типа перерабатываемого полимерного материала используют формы с одной или несколькими плоскостями разъема.

Изменяемыми технологическими параметрами процесса ротационного формования являются: частота вращения формы вокруг главной (горизонтальной) оси Nгл и вокруг вторичной (вертикальной) оси Nв, соотношение частот вращения вокруг этих осей М= Nгл/ Nв, температура нагрева формы Тф и время нагрева tн, а также объемные характеристики порошка. Параметры Nгл, Nв и М определяют траекторию движения частиц относительно внутренней поверхности полости формы.

Протекание процесса плавления материала зависит от теплофизических характеристик сырья, времени пребывания материала в вязкотекучем состоянии и параметров Тф и tн . Выбор параметров технологического процесса ротационного формирования в настоящее время производится только экспериментальным путем.
Формы для ротационного формования обычно изготавливают из металла: отливок из алюминия, листов мягкой стали, гальванической меди и никеля. Ввиду того, что качество поверхности готового изделия определяется состоянием формующей поверхности, при изготовлении формы особое внимание уделяется устранению трещин и пор в верхнем слое металла формы контактирующем с изделием.
Толщина стенки формы зависит от ее конфигурации, размеров, материала и способа нагрева.


Источник журнал «Полимерные материалы: изделия, оборудование, технологии»
http://www.polymerbranch.com/termoplast/view/7/14.html#v14