TECHNOLOGIA FORMOWANIA PRÓŻNIOWEGO

1. Wprowadzenie

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 ma swoje wady i zalety. Do zalet zaliczyć można:

• możliwość otrzymywania wyrobów o dużej powierzchni oraz cienkich
  ściankach,

• możliwość zwiększenia wydajności dzięki stosowaniu form wielokrotnych,

• małe nakłady inwestycyjne w przeliczeniu na jedną sztukę,

• rentowność produkcji również w przypadku małych serii, co zmniejsza
  ryzyko przy uruchamianiu nowej produkcji.

Wady formowania próżniowego:

• cena folii i płyt jest przeciętnie o 100% wyższa od ceny tworzyw
  wtryskowych,

• 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.

Rozróżniamy dwa podstawowe sposoby formowania próżniowego tworzyw sztucznych:

• formowanie negatywowe,

• formowanie pozytywowe.

2. 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. Otrzymany wyrób ma więc bardzo wyraźne 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 rozciąganiem folii,

• metoda „Air Cushion Control".

2.1. Klasyczna metoda formowania negatywowego

Jest to metoda najstarsza i najprostrza. Właściwy proces formowania odbywa się we wklęsłej formie negatywowej (rysi). 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. 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, co przebiega na ogół w następujący sposób:

• do formy, w miejsce próżni, doprowadza się sprężone powietrze, które
  wyrzuca wypraskę,

• formę łączy się z atmosferą i wyjmuje wypraskę ręcznie.

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 (rys.2). Praktycznie za optymalną wartość współczynnika formowania przyjmowany bywa 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 najpóźniej zetkną się z formą może ulec nadmiernemu pocienieniu (punkt C; rys 2).

Rys.1 Schemat formowania negatywowego: a) przed formowaniem, b) w czasie formowania: 1 -rama, 2 - uszczelka, 3 - forma, 4 -kanały ssące, 5 - folia.

Rys. 2 Przebieg negatywowego formowania folii. Opis w tekście.

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.

2.2. Formowanie negatywowe z częściowym przytrzymaniem folii

W metodzie tej zastosowane są ramy podtrzymujące folię (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.

Rys. 3 Formowanie negatywowe z częściowym przytrzymaniem folii: a) przed formowaniem, b) po uformowaniu.

2.3. Formowanie negatywowe z mechanicznym rozciąganiem folii.

Stosujemy tę metodę, gdy stosunek H/D jest większy od 0,5. Zasadę tego typu formowania przedstawiono na rys. 4.

Rys. 4 Formowanie negatywowe z mechanicznym rozciąganiem folii: a) przed uformowaniem, b) po rozciągnięciu folii stemplem, c) po uformowaniu, 1 - stempel, 2 - rama, 3 - folia, 4 - forma.

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 .

Przeważnie stemple napędzane są pneumatycznie i dodatkowo sprzężone z urządzeniem do końcowego włączania próżni, regulowanym, odpowiednim elektrycznym przekaźnikiem.

W trakcie formowania negatywowego z mechanicznym rozciąganiem folii powstaje czasem przeciwciśnienie w formie, które można poznać po lekkim wybrzuszeniu się folii na odcinku 1 (rys. 4). Przy opuszczaniu stempla wybrzuszają się części folii, czyli ulega ona rozciąganiu w miejscach niepożądanych, co po włączeniu próżni prowadzi do powstania żeberek. Aby temu zapobiec, można wybrać jedną z następujących możliwości przedstawionych poniżej:

- proces rozpocząć nie od rozciągania folii, lecz od stopniowego włączania
próżni, ogrzana folia powinna być już częściowo rozciągnięta przez próżnię w chwili,
gdy stempel dotknie jej powierzchni i zacznie ją dalej rozciągać,

• zaopatrzyć formę w zawór zwrotny, wyrównujący nadciśnienie przez
  połączenie wnętrza formy z atmosferą,

• zaopatrzyć formę w odpowiedni zawór, który pozostaje otwarty w
  początkowej fazie formowania, a zamyka się bezpośrednio przed włączeniem układu
  próżniowego.

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.

2.4. Metoda formowania negatywowego „Air Cushion Control"

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. Poglądowy schemat metody przedstawiono na rysunku 5.

Rys. 5 Schemat formowania negatywowego metodą „Air Cushion Control":

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).

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.

Produkcja metodą negatywową małych kształtek o wymiarach nie przekraczających 400x400x150 mm może odbywać się w sposób ciągły (rys.6). Takie rozwiązanie umożliwia wyeliminowanie wielu strat powstających w wyniku przerw w pracy przy zamykaniu ram, ogrzewaniu, chłodzeniu, otwieraniu ram itp.

Zasada pracy jest następująca: 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. Na odcinku li folia jest rozgrzewana do stanu plastycznego płynięcia, następnie dzięki obrotowi bębna, kanały ssące na odcinku U łączą się z komorą próżniową, dzięki czemu folia ulega uformowaniu próżniowemu. Dalej następuje chłodzenie uformowanej folii (U). W ten sposób można otrzymać różnego rodzaju wyroby, jak: opakowania, tapety serwety itp.

Do zespołu przedstawionego wyżej może należeć dodatkowo urządzenie napełniające, zamykające i rozdzielające (rys.7).

Metoda ta pozwala więc nie tylko otrzymać opakowanie, ale także automatycznie je napełnić, zamknąć i rozdzielić.

Rys. 6 Ciągła produkcja kształtek metodą negatywową. 1- rolka folii, 2,3 - rolki

opasujące, 4- bęben obrotowy, 5 - grzejniki, 6 - urządzenie chłodzące, 7 - folia z uformowanymi kształtami.

Rys. 7 Ciągła produkcja kształtek opakowaniowych wraz z ich napełnianiem i zamykaniem. 1 - rolka z folią, 2,3 - rolki opasujące, 4 - segment nieruchomy, 5 - grzejniki, 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.

3. Formowanie pozytywowe

Metoda pozytywowa, która znalazła szerokie zastosowanie, polega na formowaniu płyt lub folii, połączonym z rozciąganiem mechanicznym lub pneumatycznym. Rozróżniamy następujące metody formowania pozytywowego:

• metoda klasyczna,

• formowanie pozytywowe z mechanicznym rozciąganiem folii,

• formowanie pozytywowe z pneumatycznym rozciąganiem folii (Airslip).

3.1 Formowanie metodą klasyczną

Formowanie wykonuje się w formie będącej pozytywem otrzymanej kształtki (rys.8). 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.

Rys. 8 Klasyczna metoda formowania Rys. 9 Odstępy między formami

pozytywowego. w metodzie pozytywowej

bez rozciągania.

Wadą klasycznej metody pozytywowej jest konieczność przestrzegania znacznych odległości między poszczególnymi formami podczas formowania w formach wielokrotnych (rys.9). Praktyka wykazała, że odległość między formami A musi w przybliżeniu wynosić około l,5h (gdzie h oznacza wysokość formy).

3.2 Formowanie pozytywowe z mechanicznym rozciąganiem

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. 10). 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.

Rys. 10 Formowanie pozytywowe z mechaniczmnym rozciąganiem folii:

a) przed uformowaniem, b) po rozciągnięciu, 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 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.

3.3 Formowanie pozytywowe z pneumatycznym rozciąganiem folii (Airslip)

Umożliwia ono 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 metodą „Airslip" przedstawiono na rys. 11.

Rys. 11 Schemat formowania próżniowego folii metodą „Airslip"

4. Porównanie metod formowania próżniowego

Metodę negatywową stosuje się, gdy chodzi o otrzymanie przedmiotów o stosunkowo małej głębokości i względnie prostych kształtach. Stosuje się je również przy otrzymywaniu wyprasek o bardzo małych powierzchniach w formach

wielokrotnych oraz wszędzie tam, gdzie po stronie zewnętrznej (widocznej) wypraski należy otrzymać wyraźne kontury i rysunki oraz tam, gdzie pocienienie materiału nie wpływa ujemnie na jakość wypraski.

Metodę negatywową z mechanicznym rozciąganiem stosujemy w tych przypadkach, w których jest wymagane możliwie małe pocienienie ścianek i naroży, zarówno w przypadku form pojedynczych, jak i wielokrotnych.

Metoda pozytywowa powinna być stosowana do formowania dużych pojedynczych wyprasek, wymagających równomiernego rozkładu grubości ścian. Stosuje się ją również do formowania w formach wielokrotnych, np. do produkcji opakowań, które ze względu na ograniczenia stawiane przez stosunek H/D nie mogą być wykonane metodą negatywową oraz wszędzie tam, gdzie istotna jest staranność w uformowaniu powierzchni wewnętrznej.

Formowanie pozytywowe stosuje się również w przypadkach, w których wymagana jest duża wytrzymałość mechaniczna ścianki dolnej i niewielkie jej pocienienie.

Metoda pozytywowa z rozciąganiem pneumatycznym powinna być stosowana we wszystkich przypadkach, w których wymagane są bardzo małe wahania grubości ścianek.

5. Własności surowca i warunki procesu formowania

Do formowania próżniowego mogą być używane jedynie półprodukty z tworzyw termoplastycznych. Są to więc głównie: płyty i folie z celuloidu, octanu celulozy, polichlorku winylu, polistyrenu, polietylenu, polimetakrylanu metylu oraz szeregu kopolimerów chlorku winylu, styrenu, octomaślanu celulozy itp.

Surowce przetwarzane metodą formowania próżniowego powinny mieć następujące cechy:

• duże wydłużenie przy stosunkowo małych naprężeniach wywołujących to
  wydłużenie w próbie rozciągania, w zakresie temperatur rozciągania,

• możliwie duży zakres optymalnych temperatur formowania,

• duży współczynnik głębokości formowania H/D,

• półwyroby w postaci folii lub płyt powinny być jednorodne, tzn. wolne od
  pęcherzy powietrza, ciał obcych, mieć gładką powierzchnię i stałą grubość,

• wykazywać po uformowaniu dostateczną udarność i odporność na starzenie.

Podczas procesu formowania próżniowego folie lub płyty powinny być ogrzewane z możliwie największą równomiernością. Różnice pomiędzy poszczególnymi miejscami ogrzewanego tworzywa nie powinny przekraczać + 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 PC W o grubości mniejszej od 0,5 mm, ze względu na wąski zakres temperatur odpowiednich dla ich przerobu, wykazują tendencję 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 urządzenia grzejnego od folii.

1

1

---