Technologia materiałów
FORMOWANIE
PRÓŻNIOWE
Opracowanie: mgr inż. Michał OCZKOWSKI
- 1 -
PRZEDMIOT: Technologia materiałów
TEMAT: FORMOWANIE PRÓŻNIOWE
OBOWI
ZUJ
CE ZAGADNIENIA:
1. Istota procesu formowania próżniowego
2. Klasyfikacja i przeznaczenie metod formowania próżniowego
3. Zastosowanie formowania próżniowego
4. Charakterystyka wyrobów formowanych próżniowo
5. Wady i zalety formowania próżniowego
LITERATURA:
1. Eichler W.: Formowanie próżniowe tworzyw sztucznych, PWT, W-wa 1975,
2. Dobrosz K., A. Matysiak: Tworzywa sztuczne  materiałoznawstwo i przetwórstwo,
WsiP, W-wa 1990.
- 2 -
1. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest ogólne zapoznanie się z:
- procesem formowania próżniowego,
- materiałami polimerowymi z grupy termoplastów,
- klasyfikacjÄ… i przeznaczeniem metod formowania,
- zastosowaniem metody formowania próżniowego,
2. WPROWADZENIE I POJ
CIA PODSTAWOWE
Formowanie próżniowe polega na równomiernym ogrzaniu i uplastycznieniu
półwyrobu z tworzywa w postaci płyty lub folii umocowanej w ramie napinającej,
następnie na uformowaniu ogrzanej płyty w formie oraz utrwaleniu nadanego kształtu przez
oziębienie. Formowanie próżniowe jak sama nazwa wskazuje przeprowadzane jest z użyciem
próżni  po uplastycznieniu tworzywo jest formowane przy pomocy próżni. Do formowania
próżniowego używamy polimerów z grupy termoplastów.
POLIMERY
PLASTOMERY ELASTOMERY
TERMOPLASTY DUROPLASTY WULKANIZUJ
CE NIEWULKANIZUJ
CE
TERMOUTWARDZALNE CHEMOUTWARDZALNE
Rysunek 1. Klasyfikacja polimerów
Termoplasty  są polimerami, w których pod wpływem temperatury zachodzą odwracalne
przemiany fizyczne, podobne do przemian w mięknącej plastelinie. Dzięki tej właściwości
mogą one być wielokrotnie formowane, jednak pod warunkiem, że nie będzie
przekroczona temperatura rozkładu polimeru lub innych składników. Przedstawiciele
grupy.: polietylen (PE), polipropylen (PP), polistyren (PS), poli(chlorek winylu) (PVC),
poli(metakrylan metylu) (PMMA), poliamidy (PA), poliwęglan (PC).
Tworzywa te muszą spełniać następujące wymagania:
1) Mieć możliwie duży zakres temperatur, w których warunki formowania są optymalne
2) Pozwalać na stosowanie dużego współczynnika głębokości formowania (H:D)
3) Dobrze płynąć, tzn. dokładnie wypełniać ostre krawędzie i zagłębienia formy
4) Folie lub płyty powinny być jednorodne, tzn. być wolne od pęcherzy
powierzchniowych i obcych ciał oraz mieć ładną powierzchnię i stałą grubość
5) Ulegać pod wpływem ogrzewania całkowitemu i równomiernemu zmiękczaniu tak,
aby dawało się formować pod wpływem stosowanej w praktyce siły, tj. ok. 0,1 MPa.
6) Mieć na tyle duża powierzchniową wytrzymałość cieplną, aby nie ulegać uszkodzeniu
pod wpływem ogrzewania za pomocą promieni podczerwonych
7) Wykazywać po uformowaniu dostateczną udarność i odporność na starzenie.
- 3 -
Rozróżniamy dwa podstawowe sposoby formowania próżniowego tworzyw sztucznych:
- formowanie próżniowe negatywowe,
- formowanie próżniowe pozytywowe.
Formowanie próżniowe ma swoje wady i zalety.
Zalety:
- możliwość otrzymywania wyrobów o dużej powierzchni przy zachowaniu cienkich
ścianek,
- małe nakłady inwestycyjne w przeliczeniu na jedną sztukę,
- rentowność produkcji również w przypadku małych serii, co zmniejsza ryzyko przy
uruchamianiu nowej produkcji,
- możliwość zwiększenia wydajności dzięki stosowaniu form wielokrotnych,
Wady:
- cena folii i płyt jest przeciętnie o 100% wyższa od ceny tworzyw
wtryskowych (granulatu),
- istnieje niebezpieczeństwo otrzymywania wyrobów o różnych grubościach ścianek, z
żeberkami i pofałdowaniami,
- wypraski wymagają najczęściej dalszej obróbki, np. obcinania, wykrawania,
wiercenia, przy czym powstaje procentowo duża ilość odpadów,
- wszelkiego rodzaju otwory w wypraskach należy wykonywać w oddzielnej operacji.
Podczas procesu formowania próżniowego folie lub płyty powinny być ogrzewane z
możliwie największą równomiernością. Różnice pomiędzy poszczególnymi miejscami
ogrzewanego tworzywa nie powinny przekraczać Ä… 3°C. Nierównomierne ogrzewanie
prowadzi do miejscowych różnic w grubościach ścianek gotowego wyrobu i widocznych
wad powierzchni. Wszystkie błędy w ogrzewaniu są najbardziej widoczne w wyrobach o
dużej głębokości formowania. Uzyskanie jednakowych temperatur na brzegach płyt jest
utrudnione ze względu na chłodzące działanie zimnego powietrza i na metalową ramę
odbierającą ciepło od płyty.
Folie z PVC o grubości mniejszej od 0,5 mm, ze względu na wąski zakres temperatur
odpowiednich dla ich przerobu, wykazujÄ… tendencjÄ™ do przegrzewania lub niedogrzewania.
Niedogrzanie folii powoduje niezbyt dokładne uformowanie wyprasek, uwidaczniające się
niedokładnym odtworzeniem kształtu i białymi plamami na powierzchni wypraski.
Przegrzanie natomiast charakteryzuje się utratą wytrzymałości i przerywaniem się folii.
Przyczyną przegrzania może być zbyt długie ogrzewanie lub za mała odległość
urzÄ…dzenia grzejnego od folii.
Forma do formowania próżniowego  zasadniczo nie ma ograniczeń z czego materiału z
jakiego wykonana jest forma w tym procesie ponieważ nie działa na nią ani żadna siła ani
podwyższona temperatura. Dlatego formy wykonuje się w zależności od planowanej
żywotności liczby cykli np.: gips, drewno, laminat, metal, masa ceramiczna, tworzywo
sztuczne.
Kanały ssące - to otwory wywiercone w formie, które służą do szybkiego usuwania
powietrza znajdującego się między folią a formą, jak również do doprowadzenia
sprężonego powietrza przy wyjmowaniu wypraski lub wydmuchiwania folii. Ich średnica
określona jest przez grubość formowanego materiału, ponieważ z jednej strony muszą być
dostatecznie duże, aby umożliwić wystarczająco szybkie i skuteczne wessanie, a drugiej
strony nie mogą być zbyt duże, ponieważ w przeciwnym razie odciskałyby się na
wyprasce. Kanały powinny znajdować się wszędzie tam, gdzie folia formowana jest w
końcowej fazie procesu, czyli we wszystkich zagłębieniach, nożach i profilach formy.
- 4 -
3. METODY FORMOWANIA PRÓŻNIOWEGO
3.1 FORMOWANIE NEGATYWOWE
Formowanie negatywowe polega na wciągnięciu, przy zastosowaniu próżni płyty lub
folii z tworzywa w gniazdo formy negatywowej (matrycy) w ten sposób, aby arkusz
formowanego tworzywa przylegał do ścianek gniazda formy. Forma odzwierciedla nam,
więc zewnętrzny kształt wyrobu. Otrzymany wyrób ma więc bardzo wyraz
ne kontury
(rysunki i napisy) po stronie zewnętrznej.
Znane są następujące sposoby formowania negatywowego:
- metoda klasyczna,
- formowanie negatywowe z częściowym przytrzymaniem folii,
- formowanie negatywowe z mechanicznym rozciÄ…ganiem folii,
- metoda  Air Cushion Control".
3.1.1. Klasyczna metoda formowania próżniowego
Jest to metoda najstarsza i najprostsza. Właściwy proces formowania odbywa się we
wklęsłej formie negatywowej  rysunek 2. Forma ma na obrzeżu kanaliki o średnicy nie
większej od 0,7 do 1,5 mm. Folię do formowania umieszcza się nad formą i przyciska
ramą dociskającą. Następnie należy ogrzać folię do temperatury optymalnej, tzn. takiej,
w której następuje dokładne odtworzenie kształtu formowanego elementu i nie
zachodzi przegrzanie folii wywołujące wady na powierzchniach gotowych wyrobów w
postaci np. dziur. Kolejnym etapem jest wytworzenie próżni między folią a formą przez
kanaliki znajdujące się w ściance formy. Równocześnie z wytwarzaniem próżni ciśnienie
atmosferyczne wtłacza zmiękczoną folię do gniazda formy. Wypraskę pozostawia się w
formie aż do czasu jej zestalenia się na skutek oziębienia. Dopiero ochłodzona wypraska
może być wyjęta z formy.
A B
Rysunek 2. Schemat formowania próżniowego negatywowego  metoda klasyczna
A  przed uformowaniem; B  podczas formowania;
1  Płyta grzejna; 2  Uszczelka; 3  Forma; 4  Kanały ssące; 5  Folia.
- 5 -
Możliwość stosowania metody negatywowej jest ograniczona ze względu na
pocienienie folii z tworzywa, wzrastające w miarę zwiększania głębokości
formowania. Właściwą głębokość formowania określa współczynnik głębokości
formowania zdefiniowany stosunkiem H/D gdzie: H - wysokość formy, D - średnica formy
(Rysunek 2). Praktycznie za optymalną wartość współczynnika formowania przyjmuje
się stosunek H/D = 0,4. Podczas formowania negatywowego, te fragmenty folii, które
najpierw zetknęły się z powierzchnią formy, ze względu na szybkie stygnięcie, nie biorą
już udziału, lub biorą udział bardzo ograniczony w dalszym kształtowaniu (punkty A, B, i D;
rys. 2), dlatego też grubość folii we, fragmentach, które najpóz
niej zetknÄ… siÄ™ z formÄ…
może ulec nadmiernemu pocienieniu (punkt C; rys 2).
Rysunek 2. Przebieg formowania negatywowego folii  metoda klasyczna
W celu uzyskania bardziej równomiernego rozkładu grubości ścianek stosuje się tzw.
ekranowanie. Polega ono na zasłanianiu pewnych części folii (tych, w których następuje
największe pocienienie), co pozwala na zróżnicowanie temperatury poszczególnych stref
folii. Miejsca zasłonięte ogrzewają się słabiej i w związku z tym, w czasie formowania mniej
się wydłużają.
Wadą metody negatywowej jest skłonność do powstawania fałd (tzw. żeberek)
wszędzie tam gdzie w formie negatywowej znajdują się długie lub głębokie zagłębienia w
kształcie rynien lub rowków. W celu uniknięcia tych wad stosuje się kanały ssące o
możliwie małych przekrojach. Zalecane jest również powolne włączanie próżni.
3.1.2. Formowanie negatywowe z częściowym przytrzymaniem folii
W metodzie tej zastosowane sÄ… ramy podtrzymujÄ…ce foliÄ™ (rys. 3), zaopatrzone w
miejscu styku z folią w listwy ze sprężynkami pozwalającymi regulować docisk. W
momencie włączania próżni i przystąpienia do właściwego formowania folia ma
możliwość częściowego wysunięcia się spod listew, co pozwala na uzyskanie wyprasek o
bardziej równomiernej grubości. Sposób ten częściowo eliminuje najważniejszą wadę
metody negatywowej, tj. zbytnie pocienienie i nierównomierny rozkład grubości ścianek
kształtek formowanych tą metodą. Formowanie z częściowym przytrzymaniem folii daje
szczególnie dobre wyniki w przypadku grubych folii.
- 6 -
A B
Rysunek 3. Schemat formowania próżniowego negatywowego  z częściowym
przytrzymaniem folii; A  przed uformowaniem; B  podczas formowania;
3.1.3. Formowanie negatywowe z mechanicznym rozciÄ…ganiem folii
Stosujemy tę metodę, gdy stosunek H/D jest większy od 0,5. Zasadę tego typu
formowania przedstawiono na rys. 4. Po ogrzaniu folii do temperatury optymalnej
uruchamia się stempel, który wciska ogrzany materiał do formy. Gdy stempel osiągnie
najniższe położenie włączana jest próżnia.
Stempel do mechanicznego rozciągania w metodzie negatywowej musi spełniać
następujące warunki:
- nie może oziębiać ani ogrzewać folii do temperatury niższej lub wyższej od
temperatury formowania, dlatego też stempel powinien być pokryty materiałem
izolacyjnym lub grzany do temperatury formowania folii,
- musi mieć gładką powierzchnię,
- średnica stempla powinna wynosić 0,7 średnicy formowanego przedmiotu, głębokość
wejścia do formy  0,7 głębokości formowania .
Rysunek 4. Schemat formowania próżniowego negatywowego  z mechanicznym
rozciąganiem folii; A  przed uformowaniem, B  po rozciągnięciu folii stemplem, C  po
uformowaniu.
- 7 -
Omawiana metoda znalazła szerokie zastosowanie w przypadku form wielokrotnych
(przewyższa metodę pozytywowego formowania negatywowego w formach
wielokrotnych, ze względu na znacznie mniejsze odległości pomiędzy zagłębieniami) oraz
przy produkcji pojedynczych przedmiotów o bardzo dużych rozmiarach.
3.1.4. Metoda pneumatyczna  Air Cushion Control"   ACC
Metoda została opracowana przez amerykańską firmę Auto Vac Co. Znalazła
zastosowanie do głębokiego formowania dużych i małych wyrobów, głównie z PS i PVC o
stosunkowo małym promieniu krawędzi i umożliwia uzyskanie ścianek o jednakowej
grubości. Schemat metody przedstawiono na rysunku 5.
A
B
C
D E
Rysunek 5. Schemat formowania próżniowego negatywowego  metodą  ACC
A  nagrzewanie folii, B  wstępne rozdmuchiwanie folii ciepłym powietrzem,
C i D  kształtowanie wstępne za pomocą stempla, materiał ślizga się po poduszce
wdmuchiwanego ciepłego powietrza, E  ostateczne uformowanie wypraski po
włączeniu próżni (ruch stempla do góry).
- 8 -
Folie przeznaczoną do formowania umieszcza się w ramie napinającej. Poniżej znajduje
się forma, a powyżej folii ogrzany stempel (rys. 5a). Po ogrzaniu folii do temperatury
optymalnej opuszcza się ramę napinającą trochę poniżej górnej krawędzi formy. Z dołu
wprowadzane jest sprężone powietrze, które wydmuchuje folie do góry, rozpoczynając
tym samym wstępne rozciąganie tworzywa. Folia nie przylega szczelnie do formy, a więc
nadmiar powietrza ucieka ponad brzegami formy (rys. 5b). Prawie równocześnie ogrzany
stempel opuszcza się na wydmuchiwaną folię. Prąd ogrzanego powietrza wypływający
przez otwory ze stempla zapobiega ochładzaniu się tworzywa. W ten sposób folia, na
którą działają przeciwnie skierowane strumienie powietrza, jest wciskana do formy i w niej
kształtowana, będąc cały czas jak gdyby między dwoma poduszkami powietrznymi (rys
5c i d). Po całkowitym opuszczeniu stempla jest przerywany dostęp powietrza, a włączany
układ próżniowy, w wyniku czego tworzywo jest kształtowane w końcowej fazie
próżniowo, na konturze formy (rys. 5e). Po zakończeniu formowania usuwa się stempel,
a wypraska jest usuwana z formy przez strumień sprężonego powietrza, które
jednocześnie wydmuchuje ciepłe powietrze pozostałe w formie.
Podstawową zaletą tej metody jest możliwość kontrolowania przebiegu formowania
folii, dzięki czemu uzyskuje się wyroby o jednakowej grubości ścianek.
3.2 FORMOWANIE POZYTYWOWE
Formowanie pozytywowe polega na wciągnięciu, przy zastosowaniu próżni płyty lub
folii z tworzywa w gniazdo formy pozytywowej (matrycy) w ten sposób, aby arkusz
formowanego tworzywa przylegał do ścianek gniazda formy. Forma odzwierciedla nam,
więc wewnętrzny kształt wyrobu. Otrzymany wyrób ma więc bardzo wyraz
ne kontury
(rysunki i napisy) po stronie wewnętrznej. Rozróżniamy następujące metody formowania
pozytywowego:
- metoda klasyczna,
- formowanie pozytywowe z mechanicznym rozciÄ…ganiem folii,
- formowanie pozytywowe z pneumatycznym rozciÄ…ganiem folii (Airslip).
3.2.1. Klasyczna metoda formowania próżniowego
Formowanie wykonuje się w formie będącej pozytywem otrzymanej kształtki (rys.6). W
tym procesie oziębia się najpierw część folii i tworzy dno wypraski, które ma stosunkowo
dużą grubość, natomiast największe pocienienie folii występuje w punkcie A.
Rysunek 6. Schemat formowania próżniowego pozytywowego  metoda klasyczna
- 9 -
Wadą klasycznej metody pozytywowej jest konieczność przestrzegania znacznych
odległości między poszczególnymi formami podczas formowania w formach
wielokrotnych. Praktyka wykazała, że odległość między formami musi w przybliżeniu
wynosić około l,5h (gdzie h oznacza wysokość formy).
3.2.2. Formowanie pozytywowe z mechanicznym rozciÄ…ganiem folii
Formowanie to realizowane jest w następujący sposób: w nieruchomej ramie mocuje
się formę, w którą po ogrzaniu wtłaczana jest forma pozytywowa, przy czym rama i forma
po złączeniu przylegają do siebie szczelnie i nie przepuszczają powietrza (rys. 7).
Bezpośrednio po mechanicznym rozciągnięciu folii włącza się układ próżniowy, co
powoduje usunięcie kanałami powietrza znajdującymi się między formą a folią. Po
ochłodzeniu, kształtkę zdejmuje się z formy.
Nacisk jednostkowy potrzebny do formowania wynosi ok. 0,049 MPa na m2
formowanej powierzchni. Ze względu na tak dużą siłę, mechanizm do podnoszenia musi
być dobrze dobrany i działać równomiernie. Jedna strona poruszającego się stołu nie może
wyprzedzać lub pozostawać w tyle za drugą.
A
B
C
Rysunek 7. Schemat formowania próżniowego pozytywowego  z mechanicznym
rozciąganiem folii; A  przed uformowaniem, B  po rozciągnięciu folii stemplem  formą,
C  po uformowaniu
Przy formowaniu przedmiotów wysokich (duże rozciąganie) korzystne jest
przyspieszenie ruchu formy do ok. 0,3 m/s. Skomplikowane formowanie powinno być
wykonywane przy szybkości ok. 0,6 m/s. Wymagane jest szczelne przyleganie formy i ramy
napinającej, gdyż wywiera to duży wpływ na jakość formowania. W najkorzystniejszym
przypadku próżnia osiąga wartość 0,093 MPa.
Formowanie metodą pozytywową przedmiotów głębokich, takich jak lejki, dzwony, a
także przedmiotów płaskich, nie nastręcza większych trudności. Występują one dopiero
przy formowaniu przedmiotów o kształcie sześcianów. Ogrzana folia silnie przylega do
dużej zimnej powierzchni formy, w związku z czym grubość dna wypraski jest prawie
- 10 -
równa grubości początkowej folii, a ściany boczne są znacznie pocienione. Ten stan rzeczy
sprzyja powstawaniu tzw. żeberek. Aby zapobiec powstawaniu żeberek, ramię
napinające zaopatruje się w tzw. ramę pomocniczą, która składa się z szeregu niezbyt
grubych prętów metalowych, krzyżujących się pod kątem prostym, odpowiadających
kształtem i wymiarami formie. Mały odstęp między ramą pomocniczą a formą zapobiega
powstawaniu żeberek. Ramy pomocnicze znajdują szczególnie zastosowanie w formach
wielokrotnych. Innym sposobem zapobiegania tworzeniu się żeberek jest ustawienie formy
na pochyłym podeście przypominającym równię pochyłą. Wyższa część podestu
dochodzi do brzegu formy. Podczas formowania ogrzane tworzywo jest w tym miejscu
tak silnie rozciągane, że do utworzenia żeberek nie dochodzi.
3.2.3. Metoda pneumatyczna   Airslip   AS
Metoda z pneumatycznym rozciąganiem folii umożliwia wyeliminowanie niektórych
wad występujących w zwykłej metodzie pozytywowej, a więc duży naddatek na obrzeża
oraz duże odległości między poszczególnymi gniazdami w formach wielokrotnych. Celem
metody  Airslip" jest zapobieżenie przyleganiu ogrzanej folii do górnej części formy. W tym
celu, napiętą na ramie i ogrzanej do temperatury optymalnej folię rozdmuchuje się za
pomocą sprężonego powietrza pod takim ciśnieniem, które umożliwia jej położenie
ponad krawędziami i narożami. W dalszym etapie folię rozciąga się mechanicznie przez
ruch formy, a następnie włącza układ próżniowy.
Metodą tą można uzyskiwać optymalny rozkład grubości ścianek. Poszczególne fazy
formowania folii metodÄ…  Airslip" przedstawiono na rysunku 8.
Rysunek 8. Schemat formowania próżniowego pozytywowego  metodą  Airslip
- 11 -
4. AUTOMATYZACJA FORMOWANIA PRÓŻNIOWEGO
Produkcja metodą negatywową małych kształtek o wymiarach
nieprzekraczających 400x400x150 mm może odbywać się w sposób ciągły rysunek 9 i 10.
Takie rozwiązanie umożliwia wyeliminowanie wielu strat powstających w wyniku przerw w
pracy przy zamykaniu ram, ogrzewaniu, chłodzeniu, otwieraniu ram itp.
Zasada pracy jest następująca  rysunek 9: folia z rolki, albo bezpośrednio z
wytłaczarki lub kalandra, wprowadzana jest na bęben, na powierzchni, którego
znajdują się formy. W najgłębszych miejscach form rozmieszczone są kanały ssące.
Następnie folia jest rozgrzewana do stanu plastycznego L1, dzięki obrotowi bębna, kanały
ssące na odcinku L2 łączą się z komorą próżniową, dzięki czemu folia ulega uformowaniu.
Dalej następuje chłodzenie uformowanej folii (L3).
Rysunek 9. Schemat zastosowania formy wielokrotnej  metoda negatywowa
1  folii w postaci rolki, 2,3  rolki opasające, 4  bęben obrotowy, 5  urządzenie
grzewcze, 6  urządzenie chłodzące, 7  folia z uformowanymi kształtami.
Do zespołu przedstawionego powyżej może należeć dodatkowo urządzenie
napełniające, zamykające i rozdzielające tak jak na rysunku 10. Metoda ta pozwala, więc
nie tylko otrzymać opakowanie, ale także automatycznie je napełnić, zamknąć i
rozdzielić.
Rysunek 10. Schemat linii technologicznej do formowania próżniowego negatywowego wraz
z napełnianiem i rozdzielaniem.
1  rolka z folią, 2,3  rolki opasające, 4  segment nieruchomy, 5  grzałki, 6  urządzenie
chłodzące, 7  gniazda formy na obrotowym bębnie, 8  urządzenie napełniające, 9  folia
służąca do zamykania napełnionych kształtek, 10 - urządzenie do zamykania napełnionych
kształtek, 11  urządzenie wycinające zamknięte i napełnione kształtki
- 12 -