Politechnika Białostocka

WYDZIAŁ MECHANICZNY

Instrukcja do zaj

ęć laboratoryjnych

Temat ćwiczenia:

Ciśnieniowe metody formowania tworzyw sztucznych

Numer ćwiczenia:

Laboratorium z przedmiotu: Technologia tworzyw sztucznych

Zebrał:

B. Hościło

Białystok 2011

2

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest praktyczne poznanie metod ciśnieniowego formowania tworzyw sztucznych, w

szczególności metody podciśnieniowej (próżniowej). Na kilku przykładowych gatunkach tworzyw

studenci wykonują formowanie tworzyw rozwiązując samodzielnie problemy doboru właściwej

temperatury i czasu wygrzewania tworzywa. Obserwują zachowanie się formowanego materiału w

zależności od kształtu i wysokości modelu.

2. Wiadomości podstawowe

Termoformowanie to proces technologiczny, w którym z płaskich folii lub płyt, podgrzanych

wstępnie do określonej temperatury charakterystycznej dla danego tworzywa (powyżej temperatury

mięknienia T

m

dla tworzyw bezpostaciowych lub temperatury topnienia krystalitów T

t

w przypadku

tworzyw częściowo krystalicznych), formuje się produkty o określonych kształtach. Metoda jest

stosunkowo tania i powszechnie wykorzystywana przy produkcji np. różnego rodzaju opakowań, tacek,

zabawek ale i produktów wielkogabarytowych w przemyśle motoryzacyjnym, medycznym czy

gospodarstwa domowego.

Termoformowanie to proces dwuetapowy, w pierwszej operacji następuje ogrzanie półfabrykatu, w

drugiej nadanie wymaganego kształtu - formowanie. Ogrzewanie zapewniają grzałki elektrooporowe lub

częściej promienniki podczerwieni. Mogą być zlokalizowanie po jednej lub obu stronach płyty

tworzywa. Czas ogrzewania wymagany do uzyskania odpowiednio miękkiego tworzywa zależy od jego

rodzaju, grubości i koloru. Wiąże się to z różnym przewodnictwem cieplnym Uogólniając, białe płyty

trudniej pochłaniają promieniowanie cieplne

i wymagają dłuższego

okresu

ogrzewania.

Termoformowanie można podzielić na trzy rodzaje: termoformowanie próżniowe, ciśnieniowe i

mechaniczne. Często stosowane są sposoby mieszane, poprawia to wydajność i jakość uzyskiwanego

wyrobu.

Główną zaletą termoformowania są niskie koszty maszyn i form w porównaniu do innych metod np.

wtrysku. Zaletą są też niskie temperatury i ciśnienia tego procesu, wadą natomiast niejednorodna

grubość uzyskiwanego wyrobu. Głęboki przetłoczenia powodują znaczne zmniejszenie grubości. Jest to

fakt ogólnie znany i uwzględniany w procesie projektowania wyrobu i technologii jego wykonania.

Zalety formowania ciśnieniowego:

- wytwarzanie elementów o znacznych gabarytach i cienkich ściankach;

- stosunkowo niskie koszty form, w tym stosowanie form wielokrotnych;

- niskie w porównaniu do wtryskarek koszty urządzeń;

- szeroka gama surowców.

Wady termoformowania:

- wysoka cena płyt (nawet dwa razy większa niż granulatu);

- duże ilości odpadów powstające przy okrawaniu;

3

- nierównomierna grubość ścianek wyrobu;

- brak możliwości wykonania otworów bezpośrednio w procesie formowania;

- konieczność wykonywania obróbki wykańczającej.

Wymagania stawiane materiałom wykorzystywanym w procesie termoformowania:

- szeroki zakres temperatur przetwórstwa;

- możliwość uzyskania założonej głębokość formowania;

- dobre płynięcie, dokładne wypełnienie i odwzorowanie formy;

- wysoka jednorodność materiału, także w zakresie grubości;

- równomierność zmiękczania;

- odpowiednia wytrzymałość cieplna;

- powinny po ostudzeniu zachowywać kształt i właściwości materiału wyjściowego.

3. Wybrane techniki formowania

Termoformowanie można podzielić na metody zależne od sposobu oddziaływania ciśnienia na

formowany arkusz tworzywa:

- formowanie próżniowe (podciśnieniowe),

- formowanie ciśnieniowe (nadciśnieniowe).

Przy formowaniu podciśnieniowym czynnikiem odkształcającym materiał jest próżnia, w przypadku

formowania ciśnieniowego – sprężone powietrze. W obu przypadkach mogą być stosowane formy

negatywowe i pozytywowe, bez wstępnego rozciągania lub ze wstępnym rozciąganiem.

3.1. Formowanie negatywowe - bez wstępnego rozciągania

W procesie termoformowania negatywowego tworzywo umieszcza się na wklęsłej, a więc

negatywowej formie 2 i przyciska ramą 3, przez uszczelkę gumową 4. Powietrze znajdujące się

pomiędzy tworzywem a powierzchnią formy, po ogrzaniu tworzywa zostaje wyssane przez kanały 5,

wskutek czego ciśnienie atmosferyczne wtłacza materiał do formy. Po upływie czasu, zależącego od

grubości warstwy tworzywa, zestala się i może być wyjęte z formy w nadanym przez nią kształcie. [3]

Rys. 3.1.1. Proces formowania negatywowego bez wstępnego rozciągania [3]

4

3.2. Formowanie pozytywowe – z wstępnym mechanicznym rozciąganiem

W nieruchomej ramie 1 umocowana jest folia 2, w którą po ogrzaniu wtłaczana jest forma

pozytywowa 3, przy czym obydwie części, rama 1 i forma 3, po załączeniu przylegają do siebie

szczelnie i nie przepuszczają powietrza. Bezpośrednio po mechanicznym rozciągnięciu folii włącza się

próżnię, co powoduje usunięcie kanałami4 powietrza znajdującego się między formą a folią. Ostatnim

etapem formowania jest oziębienie folii [3].

Rys. 3.2.1. Formowanie pozytywowe z rozciąganiem mechanicznym [3].

3.3. Twin-Sheet (American Twin-Sheet oraz Hombach simultanous Twin-Sheet foming)

Ten typ formowania polega na nadaniu kształtu najpierw jednej a następnie drugiej płycie tworzywa

(wersja amerykańska) lub jednocześnie obu płytom z wykorzystaniem sprężonego powietrza

doprowadzonego pomiędzy nagrzane płyty (wersja europejska lub firmy Hombach). W tej technologii

wykonywane są m.in. zbiorniki paliwa, elementy pojazdów o zamkniętych profilach. Poniżej opisane

zostaną czynności wykonywane w metodzie Hombach.

Rys. 3.3.1. Termoformowanie metodą firmy Hombach

Na początku do urządzenia trafiają dwa arkusze tworzywa, gdzie zostają ogrzane przez dwie płyty

grzewcze. Po osiągnięciu zamierzonej temperatury następuje wycofanie elementów grzejnych i

zamknięcie połówek formy z jednoczesnym odpompowaniem powietrza z przestrzeni płyta-forma. W

tym samym czasie do przestrzeni pomiędzy płytami doprowadzone zostaje sprężone powietrze

rozpychając dodatkowo formowane płyty. W dalszym etapie część jest chłodzona wewnątrz formy. Tak

uformowany element, pusty w środku może zostać wyjęty z formy.

W następnych operacjach może zostać poddany okrawaniu na obrabiarkach CNC [2, 3].

5

4. Ocena stosowalności wybranej metody termoformowania

Ocenę możliwości stosowania wybranej metody można określić na podstawie współczynnika

głębokości formowania H/D, gdzie H – głębokość formy, D – średnica formy.

Współczynnik głębokości formowania jest zależny od grubości początkowej materiału. Praktyka

wykazała, że dla formowania negatywowego optymalny jest stosunek H/D≤0,4. Jednak zasada ta może

być traktowana jedynie jako podstawa projektowania wyrobów otrzymywanych metodą formowania

próżniowego, gdyż w poszczególnych przypadkach głębokość formowania będzie zależała od wielu

czynników, np. kształtu wyrobu, tworzywa, konstrukcji formy itd. [3]

Rys. 4.1 Formowanie podciśnieniowe, negatywowe. A, B, C, D – punkty pomiarowe do wykresu

rozkładu grubości ścianek. [3]

Rys. 4.2. Rozkład grubości ścianek wyrobu formowanego negatywowo z płyty o grubości 200um

przy różnych stosunkach H/D, oznaczenia punktów wg rys. 4.1. [3]

Rys. 4.3. Optymalne wymiary promieni naroży oraz kąty pochylenia ścian. Przypadek matrycy negatywowej

stożkowo-kołowej, H/D=1/3. [3]

6

Tabela 4.1. Temperatury termoformowania wybranych tworzyw sztucznych [3].

Tworzywo

Typ budowy

Temperatura formowania

[

°

C]

Octan celulozy (CA)

A

132-162

Polistyren (wu) (PS)

A

171-185

Polichlorek winylu (PVC)

A

100-160

Poliwęglan (PC)

A

190-230

Polisulfon (PSU)

A

220-270

Polimetakrylan metylu (PMMA)

A

120-200

Polietylen (mg) (LDPE)

K

110-135

Polietylen (dg) (HDPE)

K

130-135

Polipropylen (PP)

K

165-200

A – budowa amorficzna, K – budowa częściowo krystaliczna (do termoformowania stosowane są
tworzywa o dużej masie cząsteczkowej), (wu) – wysokoudarowy, (mg) – małej gęstości, (dg) – dużej
gęstości.

5. Przykłady wykorzystania termoformowania

Rys. 5.1. Opakowanie typu blister

Rys. 5.2. Tacki, naczynia

Rys. 5.3. Foremki

Rys. 5.4. Zabawki

7

Rys. 5.5. Tylne drzwi prototypu BMW AG,

technologia wytwarzania: termoformowanie, okrawanie CNC, malowanie; materiał ABS [2]

6. Stanowisko laboratoryjne

1. Promiennik podczerwieni z osłoną;

2. Prowadnica;

3. Zacisk ramki materiału formowanego;

4. Ramka mocowania tworzywa;

5. Pojemnik na granulat (siatka podmodelowa);

6. Podstawa do umieszczenia modelu;

7. Dźwignia do podnoszenia/opuszczania ramki;

8. Korpus z pompą próżniową;

9. Włącznik pompy próżniowej;

10. Włącznik promiennika.

Rys. 6.1. Formierz próżniowy

Uwaga!

1. Górna pokrywa z promiennikiem podczas pracy ma bardzo wysok

ą temperaturę,

w

żadnym wypadku nie dotykać, do obracania używać wyłącznie

przygotowanego w tym celu uchwytu czynno

ść wykonując z zachowaniem

szczególnej ostro

żności.

2. Nie dotyka

ć pokrywy (1) i prowadnicy (2), po formowaniu odczekać aż urządzenie

och

łodzi się.

3. Pod

żadnym pozorem nie dotykać grzałek – groźba poparzenia!

4. Nie dotyka

ć urządzenia mokrymi lub wilgotnymi rękoma!

5. Po ka

żdym użyciu upewnić się czy promiennik jest wyłączony, po zakończeniu

pracy od

łączyć zasilanie.

Obsługa:

1. Odsunąć promiennik podczerwieni (1) obracając go w lewo;

2. Podnieść opuszczaną ramkę (4);

3. Otworzyć zacisk (3) i podnieść ramkę dociskającą tworzywo (4);

8

4. Zainstalować płytę tworzywa, zamknąć ramkę (4) i zacisk (3);

5. Umieścić model na podstawie (6) lub w pojemniku (5) wypełnionym wcześniej granulatem;

6. Włączyć zasilanie promiennika przełącznikiem (10);

7. Kiedy temperatura promiennika osiągnie założoną wartość obrócić promiennik (1) nad płytę

tworzywa (ramka 4 w górnym położeniu);

8. Po przyjętym czasie ogrzewania wyłączyć promiennik (1) przełącznikiem (10), włączyć

zasilanie pompy włącznikiem (9) i przesunąć dźwignią (7) ramkę (4) do dołu, do podstawy (6);

9. Po osiągnięciu przez tworzywo temperatury otoczenia (ok. 5-10s.) wyłączyć zasilanie pompy;

10. Obrócić promiennik (1) o 90 stopni w lewo;

11. Podnieść ramkę (4) dźwignią (7);

12. Zwolnić zacisk (3), otworzyć ramkę i wyjąć uformowany materiał;

13. Oczyścić z ewentualnych wtopionych kulek granulatu;

14. Po zakończeniu pracy opróżnić pojemnik (5) z granulatu.

7. Literatura

1. Piecyk L.: Termoformowanie wyrobów wielkogabarytowych. Laboratorium, 7/2006.

2. Materiały firmy Hombach:

http://www.hombach-kunststofftechnik.de

3. Wilczyński K. : Przetwórstwo tworzyw sztucznych. Oficyna Wydawnicza Politechniki

Warszawskiej 2000.

4. Technika formowania wgłębnego, materiały firmy Marrodent.

8. Przebieg ćwiczenia, opracowanie wyników

1. Dobór czasu i temperatury nagrzewania (Tabela 5.1);

2. Pomiar 5 średnic i odpowiadających im wysokości modelu i wyznaczenie współczynników

głębokości formowania;

3. Wykonanie elementu z wskazanego tworzywa (z parametrami procesu z p. 1);

4. Pomiar grubości ścianek wykonanego elementu w 5 przekrojach odpowiadających wybranym

wysokościom (trzy współczynniki głębokości formowania H/D);

5. Wykreślenie zależności grubości folii w poszczególnych przekrojach przy różnych stosunkach

H/D;

6. Wnioski dotyczące parametrów procesu oraz optymalnego współczynnika głębokości

formowania.

9

9.1. Tabele pomiarowe

Tabela 8.1.1.

Materiał: ………………

Grubość: ………………

Kolor: …………………

Próba 1

Próba 2

Próba 3

Czas nagrzewania [s]

Temperatura grzania [

°

C]

Wnioski

Optymalne warunki procesu termoformowania to:

Tabela 8.1.2

Materiał: ……………………

Grubość: ……………………

Kolor: ………………………

Temperatura: …………………………

Czas nagrzewania: ……………………

Oznaczenie formy:


…………………………

Numer przekroju

(licząc od największej średnicy)

1

2

3

4

5

H [mm]

D [mm]

Współczynnik głębokości

formowania H/D

Zmierzona grubość ścianki [um]

Średnia grubość ścianki [um]

10

8.2. Wykres rozkładu grubości ścianek wyrobu:

9. Wnioski