PRZETWÓRSTWO WTÓRNE

1. Prasowanie wstępne

Poprzez pojęcie przetwórstwa wtórnego (PW) rozumie się wytwarzanie wyrobów z półproduktów. Półprodukty mogą być bardzo zróżnicowane, ich postać zależy od wielu czynników. Najważniejszymi są: materiał, rodzaj wyrobu końcowego oraz technologia wytwarzania. PW jest stosowane wyłącznie do materiałów termoplastycznych. PW stosuje się praktycznie tylko do produkcji seryjnych i wielko seryjnych. Zastosowanie tego sposobu wytwórstwa do produkcji danych wyrobów podyktowane jest zazwyczaj względami ekonomicznymi. Najczęściej stosowane metody PW to: Formowanie ze zginaniem    zginanie, gięcie Formowanie ciśnieniowe    wciskanie, radełkowanie, spęczanie Rozciąganie    wyciąganie Rozciąganie ciśnieniowe    wytłaczanie Spotyka się wiele odmian każdej z powyższych metod. Do najbardziej znanych należą: np. formowanie próżniowe, formowanie ciśnieniowe, wszelkiego rodzaju linie technologiczne wykorzystujące półprodukty w formie folii, itp. Najczęściej stosowane termoplasty w PW to: ABS - elementy przemysłowe wymagające dużej udarności. ABS/PVC - sprzęt AGD. Polistyren - niski koszt, niska udarność. Sztywny PVC - dobra odporność chemiczna i pogodowa. PC - sztywny, duża przenikalność optyczna, przeźroczyste opakowania, płyty PC/ABS - wysoka udarność, sztywny i stabilny wymiarowo, łatwość przetwarzania, łatwy w nadawaniu kolorów, stabilny cieplnie. TPO/TPU - giętki, sztywny, odporny na uderzenia, bardzo dobre charakterystyki przy niskich temperaturach.
Największym odbiorcą wyrobów formowanych metodą próżniową są zakłady produkujące chłodziarki (komory wewnętrzne, drzwi, pojemniki, półki) oraz wszelkiego rodzaju opakowania (do napojów, tace, pudełka itp.). Drugim z kolei jest przemysł motoryzacyjny i lotniczy, gdzie z ABS wykonywane są nadwozia, deski rozdzielcze, wewnętrzne części drzwi, elementy foteli, schowki itp. W przemyśle elektrotechnicznym wykonuje się metodą formowania próżniowego elementy izolacyjne maszyn elektrycznych, obudowy i pokrywy. Także podświetlane znaki drogowe z tworzyw akrylowych są wykonywane tą metodą. Z innych dziedzin można wymienić: produkcja łodzi, wyposażenia wagonów kolejowych i statków, walizek, wózków dziecięcych, zabawek, mebli i elementów dekoracyjnych.
W trakcie wtórnego formowania wyrobów z tworzyw wykorzystywany jest stan wysokoelastyczny polimerów, co znaczy, że próbka poddawana działaniu naprężeń odkształca się sprężyście, a stan tego odkształcenia utrwalany jest przez ochłodzenie kształtki poniżej temperatury zeszklenia. Formowanie wtórne jest, więc metodą przetwórstwa, dla której surowcami wyjściowymi są najczęściej płyty lub folie. Zastępuje ona niekiedy technologię wtrysku. Metodą tą można wytwarzać m.in. wyroby o bardzo małej grubości ścianki (rzędu setnych części mm) i o znacznych gabarytach (rzędu kilku m2), co nie jest możliwe do uzyskania na wtryskarkach. Istotny wpływ podczas formowania wtórnego mają wytrzymałość na rozciąganie (lub zginanie) oraz maksymalne wydłużenie przy zerwaniu w temperaturze kształtowania. Ze względu na łatwość formowania najkorzystniejsza byłaby możliwie duża wartość tej drugiej wielkości, co wiązałoby się ze stosowaniem odpowiednio wysokiej temperatury (rys. 1), ale to oznacza wyraźne pogorszenie wytrzymałości tworzywa i możliwość zniszczenia kształtki w trakcie procesu przetwórstwa. Wymieniona ostatnia ewentualność jest niedopuszczalna i w związku z tym zachodzi konieczność wyznaczenia optymalnego zakresu temperatury, który zapewni poprawne warunki formowania. Jak wynika z istoty odkształcenia wysokoelastycznego, kształt wyrobu jest nadany odwracalnie, tzn. po ponownym ogrzaniu przedmiotu powyżej temperatury zeszklenia i usunięciu naprężeń zewnętrznych nastąpi poodkształceniowy powrót oraz odzyskanie pierwotnego kształtu półwyrobu.
Rys.1 Wpływ temperatury na wydłużenie przy zerwaniu (1) i wytrzymałość na rozciąganie (2) termoplastów

1. Formowanie próżniowe

Formowanie próżniowe polega na ogrzaniu tworzywa do stanu wysokiej elastyczności i nadaniu mu kształtu wyznaczonego formą za pomocą różnicy ciśnień, powstałej dzięki wytworzonej próżni między folią czy płytą a formą. Stosuje się również kształtowanie nagrzanej płyty czy folii za pomocą sprężonego powietrza lub też ruchomego stempla. Najczęstsze zastosowanie tej metody formowania to otrzymywanie wyrobów cienkościennych o dużej powierzchni z polistyrenu PS, kopolimeru ABS, twardego PVC, polimetakrylanu metylu PMMA, polietylenu PE, polipropylenu PP, celuloidu i octanów calulozy. Wyroby produkowane tą techniką to w przeważającej większości opakowania, w formie wszelkiego rodzaju pojemników otwartych, z reguły dzielonych w płaszczyźnie największego przekroju. Wymienić można następujące zalety formowania próżniowego : możliwość wytwarzania wyrobów o bardzo małej grubości ścianek i o znacznych gabarytach, niski koszt form, co zmniejsza ryzyko przy uruchamianiu nowej produkcji, możliwość stosowania form wielokrotnych, zwiększających wydajność produkcji, znaczna swoboda wyboru surowca do formowania. Do wad tej technologii zaliczyć należy: wysokie ceny surowca - ceny płyt i folii są ok. 100% wyższe od cen granulatu, powstawanie znacznych odpadów poprodukcyjnych przy obcinaniu (okrawaniu), których nie da się bezpośrednio zagospodarować w tej technologii, nierównomierności w grubości ścianek wyrobu, pocienienia w narożach, brak możliwości wykonania w jednej operacji otworów oraz gwintów, konieczność wykonywania obróbki wykańczającej (obcinanie obrzeży, wiercenie otworów itp.). Tworzywa stosowane do formowania próżniowego muszą spełniać następujące wymagania: posiadać szeroki zakres temperatur, w którym możliwe jest termoformowanie, umożliwiać uzyskanie odpowiedniej głębokości formowania: H/D (stosunek wysokości formowania do średnicy), powinny dobrze płynąć, dokładnie wypełniać zagłębienia i układać się na krawędziach formy, folie lub płyty powinny charakteryzować się jednorodnością materiału w całym przekroju (bez pęcherzy), wtrąceń, dziur, mieć lśniącą powierzchnię i stałą grubość, powinny ulegać pod wpływem ogrzewania całkowitemu i równomiernemu zmiękczeniu tak, aby można było formować wyroby przy nadciśnieniach lub różnicy ciśnień rzędu 1 bara (0,1 MPa), mieć odpowiednią wytrzymałość cieplną, aby powierzchnia folii nie ulegała uszkodzeniu termicznemu podczas nagrzewania, zachować kształt po formowaniu i wytrzymałość wynikającą z cech materiału wyjściowego. Przykładowe temperatury stosowane podczas formowania próżniowego wynoszą: PVC twarde - 120-155 ^oC, polistyren - 120-150 ^oC, kopolimer ABS - 150-175 ^oC, polimetakrylan metylu 145-180 ^oC, poliwęglan - 230-245 ^oC. Wyróżniamy następujące rodzaje formowania próżniowego: formowanie negatywowe (proste, z częściowym przytrzymywaniem, z mechanicznym rozciąganiem oraz metodą "Aircushioncontrol"), formowanie pozytywowe (proste, z rozciąganiem mechanicznym lub powietrzno-mechanicznym oraz metodą "Snap-back"), oraz inne odmiany tego formowania (np. metodą z elastycznym workiem).
Schemat maszyny do formowania - napelniania - prasowania wykonywanych elementów
1. Folia na dno, 2. Stanowisko grzewcze, 3. Stanowisko formujące, 4. Stanowisko napełniające, 5. Folia na pokrywę, 6. Prasa, 7. Stanowisko rozcinające, 8. Odzysk, 9. Gotowe elementy

1. Termoformowanie stemplem

Formowanie mechaniczne, czyli kształtowanie przez rozciągania stemplem, zwane też tłoczeniem głębokim, polega na wciskaniu ukształtowanego stempla w płytę tworzywa uprzednio ogrzanego do stanu wysokiej elastyczności. W metodzie tej tworzywo mocowane jest na obrzeżu jak pokazano na rys. 14.
Rys. 14. Formowanie poprzez rozciągania stemplem

1. Formowanie pozytywowe

Stosowane formy w tej metodzie mają kształt wypukłych stempli, na które naciągana jest folia lub płyta w procesie formowania (rys. 7).
Rys. 7. Zasada formowania pozytywowego, punkty A, B, C oznaczają charakterystyczne miejsca zmian grubości ścianki; na uformowanie odcinka AC zużywany jest odcinek BA
W metodzie tej w porównaniu z metodą negatywową korzystniejszy jest rozkład grubości ścianki dla wyprasek o tej samej głębokości tłoczenia. Tego rodzaju formowanie wykazuje jednak niedogodność, która w przypadku produkcji masowej jest jednocześnie zagadnieniem ekonomicznym, a mianowicie wymaga przestrzegania znacznych odstępów między poszczególnymi formami. Odległość ta (A) wyznaczona z praktyki w przybliżeniu wynosi A~1,5 h. Gdzie h jest wysokością formy. W celu uniknięcia pocienienia ścianki stosuje się analogicznie do metody poprzedniej, rozciąganie folii mechaniczne (rys.8) i powietrzno-mechaniczne (rys. 9).
Rys. 8. Rozciąganie mechaniczne folii (ruchem ramy zaciskowej w dół), 1- rama obciągająca, 2- folia z tworzywa sztucznego, 3- forma pozytywowa, 4- otwory łączące przestrzeń formowania z komorą próżniową (e 0,3 - 0,5 mm)
Rys. 9. Schemat formowania pozytywowego z powietrzno-mechanicznym rozciąganiem folii, a - nagrzewanie i rozdmuch, b - ruch stempla do góry, rozciąganie mechaniczne, a następnie formowanie próżniowe
Odmianą metody pozytywowej jest tzw. metoda "Snap-back", której zasadę przedstawiono na rys. 10. Nagrzany arkusz jest powoli wciągany do komory próżniowej. Przez opuszczenie formy spełniającej rolę tłoka następuje zamknięcie przestrzeni między formą i arkuszem skąd następnie usuwa się powietrze. Równocześnie lekkie nadciśnienie w komorze ułatwia proces formowania. Metoda ta stosowana jest często do laminowania próżniowego. Główną wadą metody pozytywowej jest większy odpad produkcyjny w postaci obrzeży, jak również nierównomierna grubość ścianek, z reguły pocienienie ścianek bocznych.
Rys. 10. Metoda "Snap-back"

1. Formowanie pozytywowe z wydmuchiwaniem

1. Formowanie negatywowe

Formowanie to polega na wciągnięciu folii lub płyty z tworzywa sztucznego w negatywową formę (wklęsłą matrycę) - rys.2.
Rys. 2. Schemat formowania próżniowego negatywowego: a) przygotowanie do formowania i nagrzewanie, b) podłączenie do próżni i formowanie, 1- folia z tworzywa sztucznego, 2- forma negatywowa, 3- rama dociskająca folię do formy, 4- uszczelka (możliwa również praca bez uszczelki), 5- otwory łączące komorę formowania z "próżnią", 6- płyta grzewcza
Wadą tej metody jest pocienianie ścianek wyrobu wraz ze zwiększaniem głębokości formowania (rys.3). Optymalny stosunek głębokości formowania (H) do średnicy (D) wynosi: H/D = 0,4. Możliwe jest jego nawet dwukrotne zwiększenie przez zastosowanie pochylenia ścianek.
Rys. 3. Przykładowy rozkład grubości ścianek wyrobu jako wynik formowania negatywowego
Zmniejszenie efektu pocienienia można również uzyskać stosując tzw. ekranowanie, polegające na osłanianiu przed nagrzewaniem miejsc na folii, które w czasie formowania najbardziej ulegają wyciąganiu, lub stosując częściowe przytrzymywanie folii przez ramę dociskową ze sprężynami (rys. 4).
Rys. 4. Formowanie negatywowe z częściowym przytrzymywaniem folii
Przy większych głębokościach formowania (H/D > 0,5) stosuje się dodatkowo rozciąganie mechaniczne folii po jej ogrzewaniu (rys.5). Unowocześniona metoda formowania negatywowego z rozciąganiem folii polega na wykorzystaniu w procesie formowania gorącego, sprężonego powietrza (metoda "Aircushioncontrol"). Schemat tej metody przedstawia rys. 6 (w kółkach podane są czasy poszczególnych operacji w [s]).
Rys. 5 Formowanie negatywowe z mechanicznym rozciąganiem folii: 1 - folia, 2 - stempel, 3 - forma
Rys. 6. Formowanie negatywowe metodą "Aircushioncontrol"
Odpowiednie pozycje na rys. 6 oznaczają: A) przygotowanie do formowania i podgrzania folii, B) otwarcie zaworu (5) i nadmuch gorącego powietrza pod ciśnieniem od 3 do 5 bar od strony formy negatywowej oraz stempla, który w tym czasie przesuwa się w dół, C) i D) dalszy ruch stempla w dół z równoczesnym nadmuchem sprężonego powietrza (rozciąganie folii na poduszce powietrznej), E) odłączenie nadmuchu, podłączenie do próżni (zaworem 6) w celu ostatecznego uformowania wyrobu, wycofanie się stempla.

1. Formowanie negatywowe ciśnieniowe

Formowanie ciśnieniowe różni się od formowania próżniowego tym, że stosujemy tutaj do formowania zamiast próżni nadciśnienie, które jest łatwiej wytworzyć. Jeżeli nie używamy w procesie formowania matryc, to taki rodzaj nazywa swobodnym. Odmiana tego procesu w której używamy matrycy nazywa się formowanie nadciśnieniowym matrycowym. Na rys. 13 przedstawiono sposób formowania ciśnieniowego swobodnego oraz matrycowego.
Rys. 13. Formowanie nadciśnieniem: a) swobodne, b) w matrycy