М.С. Игуменов 

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ПОЛЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТЕРМОПЛАСТОВ

Для получения крупногабаритных полых изделий из полимерных материалов наибольшее распространение получили методы литья и экструзии с раздувом, термоформование, ротационное формование [1].

Существующие методы изготовления крупногабаритных полых изделий, отличаются способом изготовления заготовки и способом её раздува:

1. Экструзия заготовки с её немедленным раздувом;

2. Разогрев предварительно экструдированной и охлаждённой заготовки, с подачей её на раздув;

3. Изготовление заготовки методом литья под давлением, её полное или частичное охлаждение в литьевой форме с дальнейшим переносом в раздувную форму;

4. Термоформование полуформ с последующей сваркой;

5. Изготовление изделий методом ротационного  формования. 

1. Экструзия и литьё с раздувом 

а. Экструзия с раздувом 

На рисунке 1 представлена схема экструзионно-раздувного формования [2].

Рис.1. Схема метода экструзионно - раздувного формования: 1-пластицирующий экструдер; 2- кран; 3- дорн; 4-головка; 5-заготовка; 6- полуформы; 7- пневмоцилиндр; 8-изделие.

Пластицирующий экструдер 1 подаёт расплав термопластавтомата в головку 4, откуда он выдавливается в виде трубчатой заготовки кольцевого сечения 5 в пространство между разомкнутыми полуформами 6 (поз.1). Как только длинна заготовки достигает требуемой величины, полуформы с помощью пневмоцилиндров 7 смыкаются (поз2). При этом нижний конец заготовки пережимается и сваривается, а верхний её конец плотно обжимается на выступающей части сердечника (дорна) 3 головки. Кран 2 открывается, и сжатый воздух через центральное отверстие в дорне 3 подаётся внутрь заготовки, раздувая и обжимая её по холодной формообразующей поверхности формы. Происходит охлаждение и затвердевание материала отформованного изделия. Начиная с момента смыкания и вплоть до размыкания полуформ, привод экструдера отключен, и подача расплава отсутствует. Как только изделие становится достаточно формоустойчивым, пневмоцилиндры 7 раскрывают полуформы 6, изделие 8 извлекается и вновь начинается экструзия заготовки (поз.3); цикл повторяется.

Недостатком этого метода являются:

1. Разнотолщинность изделий из-за неоднородной степени вытяжки заготовки в различных местах;

2. Значительные отходы материала в виде неизбежного при этом методе облоя;

3. Циклический режим работы экструдера с частичными включениями [4].

б. Литьё с раздувом

На рисунке 2 представлена схема метода литья с раздувом [5].

Рис.2. Схема метода литья с раздувом: 1-узел пластикации и впрыска литьевой машины; 2,2*- сердечники; 3- заготовка; 4- литьевая форма; 5- раздувная форма; 6- поворотное устройство.

Две формы – литьевая 4 и раздувная 5 установлены на плитах узла смыкания литьевой машины. Между формами имеется поворотное устройство 6, несущее на себе два противоположно направленных сердечника 2 и 2’. Узел пластикации и впрыска литьевой машины 1 впрыскивает расплав в литьевую форму 4, и в ней отливается заготовка 3, по форме напоминающей пробирку. В это время в раздувной форме 5 формуется изделие из заготовки, отлитой в предшествующем цикле на сердечнике 2’. Когда заготовка в форме 4 охлаждается до температуры, при которой возможен её раздув, а изделие в форме 5 охлаждается до температуры, при которой возможно её изъятие, формы раскрываются, изделие извлекается из формы 5, а отформованная заготовка остаётся на сердечнике 2. Устройство 6 поворачивается вокруг оси 00’ на 180^о, и сердечник 2 с заготовкой переносится в раздувную форму 5, а освободившейся сердечник 2’ – в форму 4. Происходит смыкание форм, и через канал, а подаётся воздух для раздува заготовки. В это время в литьевой форме отливается заготовка на сердечнике 2’. По завершении этих операций цикл повторяется.

Существенное отличие, от обычного литья, заключается в том что, заготовка пребывает в форме меньшее время и охлаждается не до твёрдого состояния, а до температуры близкой к температуре перехода из вязкотекучего состояния в высокоэластическое. Чтобы в процессе охлаждения на наружной поверхности не образовывался слой затвердевшего материала, препятствующий дальнейшему раздуву заготовки, температуру формы поддерживают несколько выше температуры затвердевания полимера [6].

Преимущества литья, по сравнению с экструзией с раздувом:

1. Позволят получать комбинированные изделия. Отдельные элементы этих изделий формуются литьём под давлением, а остальная часть – раздувом;

2. Имеется возможность получать заготовку с любым требуемым распределением толщины стенки, как по высоте, так и по периметру;

3. Один из концов заготовки получается со сплошным дном. Дно изделия из таких заготовок не имеет сварного шва и поэтому более прочно. Изделие к тому же получается без облоя [7]. 

1.2 Раздув заготовки

На рисунке 3 представлена схема образования разнотолщинности изделия при раздуве заготовки [8].

Рис.3. Схема образования разнотолщинности изделия при раздуве заготовки: 1- заготовка; 2- раздувная форма.

При раздуве не все точки наружной поверхности заготовки 1 одновременно входят в контакт с холодной поверхностью раздувной формы 2 Рис.1.3. В первую очередь входит в контакт область около точки А (рис.3.а). В месте контакта у заготовки образуется тонкий слой охлаждённого материала с повышенной вязкостью, поэтому при дальнейшем раздуве заготовки этот участок вытяжке практически не подвергается и, следовательно, не утоняется. Максимальную степень вытяжки и утонения имеют участки в области точек Б и В, входящие в контакт с формой в последнюю очередь и формующие углы изделия (рис.3.б). Изделие вследствие рассмотренного механизма раздува заготовки получается разнотолщинным, что крайне не желательно, т.к. необходимость обеспечения требуемой жесткости утоненных мест изделия приводит к неоправданному для остальной его части завышению толщины стенки заготовки и, следовательно, к перерасходу материала. Таким образом, очевидно, что для получения равнотолщинного изделия заготовка не должна быть равнотолщинной, она должна характеризоваться изменением толщины по высоте, показанным на рис. 3.в. 

1.3. Охлаждение изделия

Изделие в форме охлаждается, контактируя наружной стороной с холодной формообразующей поверхностью формы, а внутренней стороной – с раздувающим заготовку холодным воздухом.

При охлаждении в форме, пока материал изделия не достиг ещё температуры затвердевания, уменьшение объёма материала не вызывает линейной усадки размеров изделия, т.к. давление раздувающего воздуха прижимает не затвердевшее ещё изделие к форме. Однако на завершающей стадии охлаждения изделия от температуры стеклования до температуры, при которой оно становится достаточно формоустойчивым и может быть изъято из формы, давление воздуха уже оказывается не способным препятствовать термической усадке и уменьшению размеров изделия. Изделие отстаёт от формы, и интенсивность теплообмена между ними уменьшается [3].

2. Термо формование

Термоформование состоит из трёх стадий:

1. Нагрев листа термопласта до температуры, лежащей в температурном диапазоне высокоэластического состояния материала;

2. Создание разности давлений воздуха в пространствах, примыкающим к противоположным сторонам разогретого листа, под действием этой разности, лист деформируется, облегая формующую поверхность холодной формы;

3. Выдержка отформованного листа в контакте с холодной формой с целью охлаждения материала до температуры, лежащей ниже температуры перехода в твёрдое состояние (температуры стеклования или кристаллизации).

Метод термоформования состоит из следующих стадий, рисунок 4 [1]:

Рис.4. Стадии процесса вакуумформования: 1- лист; 2- рама; 3- форма; 4- нагреватель; 5- вентиляционные каналы; 6- дренажная полость.

1. На первой стадии (рис.4а), лист 1 рамкой 2 герметично поджимается к торцевой поверхности формы 3, и над листом размещается нагреватель 4. Происходит нагрев листа;

2. На второй стадии (рис.4б,в,г,) нагреватель отводится, и из полости формы через вентиляционные каналы 5 отсасывается воздух. В полости создается разряжение, и лист, находясь в высокоэластическом состоянии, под воздействием атмосферного (над листом) и остаточного (в полости) давлений начинает втягиваться в полость, облегая холодную формообразующую поверхность;

3. На третьей стадии (рис.4.д) отформованный лист, контактируя с формой, охлаждается. В высокоэластическом состоянии развившиеся в материале деформации обратимы, поэтому во избежание искажения приобретённой листом конфигурации на него должно оказываться давление вплоть до полного его отвердевания. По этой причине вакуум в дренажной полости 6 поддерживается вплоть до конца третьей стадии.

Существуют следующие разновидности пневмовакуум формования[10]:

1. Формование с механической вытяжкой;

2. Формование с пневматической вытяжкой;

3. Формование с пневмомеханической вытяжкой;

4. Пневматическое формование. 

2.1. Процессы, протекающие при формовании

При пневмовакуумформовании происходят три следующих основных процесса: нагрев листа, его деформирование и охлаждение изделия. Нагрев листа для поддержания высокой производительности машины должен быть осуществлён за минимально возможное время. Качество прогрева оценивается неоднородностью распределения температуры по площади листа и по его толщине к концу стадии нагрева. При неоднородности нагрева по площади листа, превышающих 3-5К, деформативность его оказывается столь неравномерной, что при последующем формовании приводит к неодинаковой вытяжке в различных местах изделия, образованию складок и морщин. Неоднородность температуры по толщине листа, измеряемая разностью температур обогреваемой и нейтральной поверхностей листа, не должна превышать диапазона оптимальных температур формования [1].

Вторым процессом является деформирование листа, которое сводится к его двухосному растяжению (вытяжке). На первом этапе (рис.4.б) заготовка листа втягивается в полость формы, не касаясь стенок. Площадь свободной поверхности заготовки растёт, а объём остаётся постоянным. За счёт этого толщина листа уменьшается, оставаясь, однако, одинаковой по всей поверхности.

Как только заготовка коснулась холодной стенки формы, на некоторой длине, на образовавшейся поверхности контакта в заготовке появился тонкий слой отвердевшего материала. Этот слой препятствует дальнейшей вытяжке участка заготовки по длине. Дальнейшей вытяжке подвергается лишь часть заготовки со свободной поверхностью, и новый участок контакта с формой образуется  уже при новой, меньшей толщине листа. Таким образом, чем позже точка поверхности листа вступит в контакт с формой, тем тоньше будет изделие в области этой точки.

Очевидно, что разнотолщинность изделия – это недостаток метода формования. Причина недостатка – последовательный, неодновременный вход в контакт с формой различных участков формуемой заготовки [11].

Третьим процессом является охлаждение отформованного изделия за счет контакта с холодной формой.

2.2. Сваривание полуформ

Существуют два метода сварки термопластичных материалов. Их условно разделяют  на группы [12]:

1. Сварка с помощью внешних источников тепла (газом или нагретым инструментом; нагретым присадочным материалом; трение);

2. Сварка с помощью внутренних источников тепла (токами высокой частоты, ультразвуком);

Следует при этом отметить, что нередко применяют и различные комбинации этих методов.

2.2.1. Сварка с помощью внешних источников тепла

1.1. Сварку нагретым газом производят с применением присадочного материала и без него.

При сварке с применением присадочного материала (в виде специального прутка) нагретый газ, поступающий из мундштука горелки, размягчает кромки свариваемого материала  и конец прутка. Сварной шов  образуется путем надавливания на пруток к размягченным кромкам. Прочность сварной конструкции существенно зависит от выбора формы сварного шва и наличия кромки на свариваемых заготовках.

Сварка изделий с присадочным прутком при нагреве газовыми теплоносителями имеет следующие недостатки:

 -низкая прочность и пластичность в сварном шве;

 -низкая производительность, особенно при сварке изделий больших толщин;

 -зависимость качества сварки от квалификации сварщика;

 -возможность перегрева материала при сварке, что приводит к разложению полимера;

 -потеря прозрачности полимерного материала в месте сварки;

 -сложность автоматизации процесса.

Недостатком сварки без присадочного материала, является то, что этим способом можно сваривать только листы.

1.2. Метод сварки нагретым инструментом заключается в том, что свариваемые изделия, соприкасаясь со специальным нагретым инструментом, разогреваются в местах соединения и спрессовываются чаще всего под давлением того же инструмента. В зависимости от применяемой оснастки сварка осуществляется различными нагревательными элементами: пластиной, электропаяльником, электроутюгом, нагретыми роликами и т. д.

1.3. Сварка, нагретым присадочным материалом заключается в том, что свариваемые поверхности нагреваются и соединяются за счет непрерывной подачи расплавленного присадочного материала между ними.

1.4. При сварке трением для нагрева материала используют тепло, получаемое в процессе трения свариваемых поверхностей при приложении к ним давления.

2.2.2. Сварка с помощью внутренних источников тепла

2.1. Сварка токами высокой частоты основана на нагреве в результате преобразования электрической энергии в  тепловую непосредственно внутри самого материала. Недостатком этого метода является то, что такие материалы, как полиэтилен или полистирол, без наполнителей, которые относятся к высокочастотным диэлектрикам, не могут быть сварены.

2.2. Метод сварки полимерных материалов методом ультразвука основан на преобразовании высокочастотных колебаний (более 20000Гц) в тепловую энергию. Выделяемое при этом тепло размягчает свариваемые поверхности, генерируясь в толще материала, а приложенное давление обеспечивает полный контакт внутренних поверхностей материала. Ультразвуковую сварку применяют в тех случаях, когда невозможно применить другие виды сварки. 

3. Ротационное формование

Этот способ переработки термопластичных полимеров в основном служит для изготовления больших полых изделий технического применения. Технология переработки термопластов методом РФ предусматривает проведение процесса в 3 стадии [13], которые протекают при атмосферном давлении:

На первой стадии в холодную форму, представляющую собой полую раковинообразную конструкцию, загружается определенное количество полимерного материала;

На второй стадии, в камере нагрева, происходит нагрев формы с помещенным в неё материалом, в результате чего происходит формообразование изделия. При этом форма вращается относительно двух перпендикулярно ориентированных относительно друг друга осей, со скоростями вращения обычно в пределах от 4 до 20 об/мин. Скорость вращения относительно каждой оси устанавливается раздельно. При вращении формы расплавленный полимер образует однородный слой на внутренней поверхности формы;

На третьей стадии происходит охлаждение формы со сформировавшимся изделием. В течение всей третьей стадии форма продолжает вращение. После завершения охлаждения форма останавливается, и готовое изделие из неё извлекается.

3.1. Преимущества ротационного формования

Ротационное формование является наиболее эффективной технологией производства крупногабаритных полимерных изделий из полимерных материалов, по следующим причинам [14]:

- Возможность изготовления изделий сложной конфигурации, безстыковые разъёмы;

- Двойные стенки и двухслойные изделия;

- Равнотолщинность, отсутствие швов и внутренних напряжений      ;

- Изготовление изделий различной толщины регулируемой изменением количества загружаемого материала;

- Изготовление изделий многих цветов в одной форме;

- металлические и пластиковые закладные;

- возможность оформления впадин и выступов, отверстий в изделии;

- Низкие капитальные затраты на оборудование и оснастку;

- Минимальные сроки и стоимость подготовки изделия к серийному производству;

- Рентабельность производства на уровне мелкосерийного и единичного производства;

- Изготовление изделий из пластмасс объемом до 30000 литров,

- РФ относится к безотходным процессам переработки ПМ.

После сравнения всех, вышеперечисленных, технологий производства крупногабаритных полых полимерных изделий, размерами свыше 1 м³, несмотря на длинные технологические циклы, ротационное формование является наиболее рациональным, а зачастую и единственно возможным методом получения крупногабаритных изделий [17].

С точки зрения стоимости оборудования и оснастки, ротационное формование имеет наибольшее преимущество в сравнении с другими методами получения крупногабаритных изделий. В первую очередь ротационное формование применяется в случаях, когда невозможно применение метода раздувного формования [18]. 

3.2.  Недостатки ротационного формования

Как и все виды переработки полимерных материалов, ротационное формование имеет ряд недостатков [19].

- Открытое перемещение манипулятора с формой между соответствующими стадиями процесса;

- Нагрев и охлаждение материала осуществляется вместе с ротационной формой, приводящее к более высоким затратам энергии и длительным циклам формования;

- Длинные циклы нагрева, способствуют деструкции материала;

- Использование специальных марок сырья;

- Формование материала в текучем состоянии;

- Использование низкодисперсного сырья, что приводит к необходимости перевода сырья в порошкообразное состояние;

- Термоусадка и отсутствие подпитки материала, приводит к большим сложностям при соблюдении точных размеров изделия;

- Сложные формы изделия, приводят к необходимости аккуратного разъема полуформ, что в полной мере зависит от оператора линии [21]. 

Литература

1. Крыжановский В.К., Кербер М.Л., Бурлов. В.В. Паниматченко А.Д. Производство изделий из полимерных материалов — Спб.: Профессия, 2004. 464 с.

5. Литье пластмасс под давлением\ авт. Разд.: Дж. Бемон, Дж. Боцелли, Н. Кастаньо[ и др.]; ред.: Т. Оссвальд [ и др.]; пер. с англ.[ И. Никитиной, Б. Бондаренко]; под общ. Ред. д.т.н., проф. З.Л. Калинчева.- Санкт-Петербург.: Профессия, 2008.- 707с.

6. Прибылов Ю.И. Производство изделий из пластмасс способом литья под давлением: Учеб. Пособие\ Всерос. О-во слепых.- М.: ВОС, 1989.- 82с.

7. Басов Н.И., Казанский Ю.В. Литьевое формование полимеров.- М.: Химия, 1984.- 248с.

8. Экструзия/ [В.И. Бухгалтер, М.С. Курженкова, С.И. Гецас, В.Л. Диденко] Под ред. В.А. Брагинского.-2-е изд., перераб.-Л.:Химия. Ленингр. отд-ние, 1980.-112с.

9. Габибов И.А. Роль конструкции изделия в формировании структуры и св-ва т\п при литье под давлением: Автореф. Дис. На соиск. учен. степ. к.т.н. -М., 1984.-18с.

10. Стрельцов К.Н. Пневматическая переработка т\п. Под ред. Д.Д. Чегодаева.-Л., Госхимиздат, [Ленингр. отд-ние], 1963.- 175 с.

11. Гарарий, М.Г. Вакуумное формование т\п. Киев, 1958.- 15с.

13. Лавров Н.А., Игуменов М.С., Беседина К.С. О разнотолщинности изделий из полиэтилена, получаемых методом ротационного формования // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). - 2010. - № 6(32). - С. 37-38.

15. Производство изделий из полимерных материалов: Учеб. пособие/ В.К. Крыжановский, М.Л. Кербер, В.В. Бурлов , А.Д. Паниматченко. - Спб.: Профессия,2004. - 464с.

16. Техника переработки пластмасс / Басова Н.И., Броя В.; под ред. Н.И. Басова. – Москва.: Химия, 1985. – 458 с.

18. Абрамов Л.М., Клейман С.Я., Лобода Н.С., Марсов У.С., Сипачева А.Б. Ротационное формование полиэтиленовых резервуаров/ Л.М. Абрамов// Пластические массы. – 1977. – № 1 – 3. – С. 60.

19. Бассов Н.И., Казанков Ю.В., Любартович В.А.  Расчёт и конструирование оборудования для производства и переработки полимерных материалов - М.: Химия, 1986. 488 с.