Вакуумное термоформование пластика: этапы, преимущества, особенности

Производство и модернизация термоформовочного оборудования в последние десятилетия являются одними из наиболее актуальных задач. Ведь с изделиями, полученными методом термоформования (или пневмовакуумного формования в отечественной терминологии) мы сталкиваемся повсеместно: начиная с одноразовых питьевых стаканчиков для кулера или контейнеров для хранения пищи и вплоть до канистр, ведер, или даже элементов пластиковой обшивки самого разнообразного оборудования. Дадим определение этому методу.

Термоформование – это изменение формы плоских заготовок (листов или пленок) из термопластичного полимерного материала при повышенных температурах в объемные формованные изделия.

Этот процесс состоит из следующих стадий:

• нагревание формуемого материала до температуры, при которой он способен изменять форму, то есть до температуры высокоэластичного состояния с помощью различных типов нагревателей (керамических, кварцевых, галогеновых или плоских алюминиевых);
• формование на специальной оснастке для термоформования;
• охлаждение в форме до температуры, при которой конфигурация изделия приобретает стабильные размеры;
• извлечение из формы изделия.

На схемах ниже обозначены основные стадии процесса термоформовки:
I - разогрев термопластового листа;
II - предварительная вытяжка материала сжатым воздухом;
III - подъём рабочего стола с пуансоном;
IV - окончательное оформление заготовки в изделие;
1 - электронагревательные элементы;
2 - лист-заготовка;
3 - прижимная рама;
4 - герметизированная камера;
5 - пуансон;
6 - рабочий стол.

В большинстве случаев необходима та или иная последующая обработка формованного изделия, например:

• отделка/обрезка;
• сварка/склеивание;
• горячее запаивание;
• печать/металлизация/флокирование и т.п.

Существенными преимуществами термоформования являются рентабельный инструмент для термоформования, разумная стоимость термоформовочных 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 термоформованию для производства небольших партий изделий. Достоинства термоформования для больших партий изделий состоит в достижении очень низких толщин стенок и высокой производительности термоформовочных машин.

Диапазон толщин формуемых материалов от 0,05 до 15 мм, а для вспененных материалов даже до 60 мм.

Процесс формования можно разделить на две последовательных стадии: предварительная вытяжка и реальное формование.

Предварительная вытяжка может быть получена различными способами:

• механической предварительной вытяжкой с использованием непосредственно формующего инструмента;
• механической предварительной вытяжкой с использованием вспомогательного пуансона;
• пневматической предварительной вытяжкой за счет предварительного раздува или вакуумирования;
• комбинированной механической и пневматической предварительной вытяжкой.

Цель предварительной вытяжки – создать преформу, конфигурация и распределение стенок которой в процессе реального формования приведут к получению формованного изделия с оптимальным распределением толщины стенок.

В зависимости от оснащения машины и состава формующего инструмента реальное формование проводится с помощью:

• вакуума (вакуумирование);
• сжатого воздуха (пневмоформование);
• вакуума, применяемого со стороны инструмента, а сжатого воздуха с другой стороны;
• применение вакуума с двух сторон;
• дополнительного обжатия, прижима, калибрования ограниченных участков;
• вспомогательных механических средств типа бегунков, ползунов, пуансонов и т.п.

Видеоролики, демонстрирующие работу термоформовочного оборудования:

Несколько слов о станции формования.

Два стола, которые необходимы для установки оснастки, движутся вертикально навстречу друг другу. Формующий инструмент установлен на одном из столов. На другом столе может быть установлен вспомогательный инструмент для механической предварительной вытяжки или вспомогательный пуансон. Оба стола оборудованы штуцерами для подвода вакуума и/или сжатого воздуха. На многих термоформовочных машинах эти два стола идентичны, на других они устроены по-разному. Высота, на которой материал устанавливают на станции формования, известна как линия прижима.

Формующий материал зажимается:

• между двумя рамами;
• между рамой и формующим инструментом;
• между формующим инструментом и контринструментом.

При термоформовании только одна сторона нагретого материала вступает в контакт с формующим инструментом. Точный отпечаток поверхности формующего инструмента передается контактирующей стороне формуемого материала. Контуры, а также размеры формованного изделия со стороны, не контактирующей с инструментом, определяется толщиной стенки. В зависимости от того, какая сторона формуемого материала контактирует с инструментом, метод называется позитивным или негативным формованием.

При позитивном формовании внутренняя поверхность изделия воспроизводится точно, потому что эта сторона контактирует с термоформующим инструментом.

Напротив, при негативном формовании точно воспроизводится внешняя сторона изделия, которая четко оформляется, поскольку непосредственно контактирует с формующим инструментом.

У каждого описанного метода есть несколько особенностей:

• при позитивном формовании малые промежутки между элементами многогнездной формы возможны только при помощи нижнего прижима внутри области формования;
• некоторую, но большей частью устранимую тенденцию к появлению складок для слишком высоких или заостренных форм и, при неправильно подобранном режиме формования, следов охлаждения на углах;
• однако, инструмент для позитивного формования стоит дешевле, чем для негативного;
• негативное формование гарантирует однородную толщину фланца, хороший съем изделия, однако в углах изделия происходит уменьшение толщины материала.

В разумных пределах любые отрицательные эффекты в каждом случае могут быть уменьшены применяемыми техническими и технологическими приемами.