- RU
- ENG
Универсальный токарно-винторезный станок модели CS6266Bх1500 (Ø660 х 1500 мм)Страна: КитайПроизводитель:
Человек изобрел термоформование еще раньше, чем стал заниматься изучением и синтезом полимеров. Тем не менее, этот древнейший способ формования не скоро еще исчерпает свои возможности.
В полимерном машиностроении термоформование являет собой классический пример технологии постформинга, при котором сначала изготавливается заготовка (в нашем случае полимерная пленка или лист) методом экструзии, а уже потом на автономной машине формуются конечные изделия. Это роднит термоформование с другими технологиями постформинга: инжекционно-выдувным формованием (заготовка — преформа) и экструзионно-выдувным формованием (заготовка — паризон) — и сильно отличает от других альтернативных способов непосредственного формования в форме: литья под давлением и центробежно-ротационного формования. Все упомянутые методы могут конкурировать между собой в самых разных отраслях и областях применения.
Области применения термоформинга
Упаковка. Методом термоформовки изготавливаются коррексы для конфет, практичная упаковка для тортов и пирожных, стаканчики для йогуртов и плавленых сыров, крышки, контейнеры для упаковки кулинарии, лоточки для продуктов питания, блистерная и скин-упаковка.
Альтернативным методом в Европе и США считается литье под давлением, который применяется лишь для производства йогуртовых стаканчиков, затейливых упаковок для сливок с гарантийными пломбами-замками и контейнеров для плавленых сырков. Однако по себестоимости готовых изделий литье под давлением серьезно проигрывает тер- моформингу и используется исключительно для усиления дифференцирования продукта посредством дорогой упаковки. До 2004 года у метода литья под давлением было одно бесспорное преимущество в упаковочном сегменте — технологии этикетирования и декорирования в пресс-форме IML и IMD, позволяли делать контейнеры с цветной печатью очень высокого качества. Однако на выставке К-2004 ряд производителей термоформеров, инструмента и роботосистем анонсировали применимость технологий IML и IMD в термоформинге и даже продемонстрировали все это в работе (lllig, Kiefel-Mould&Matic-Hekuma). Поэтому даже с учетом дополнительного оснащения роботом-закладчиком этикеток и специальной инструментальной системой себестоимость декорированных контейнеров и стаканчиков при термоформинге все равно будет меньше, чем при литье под давлением. Хотя справедливости ради необходимо отметить, что за последние годы литье под давлением добилось столь больших результатов по уменьшению толщины стенки и увеличению отношения пути течения расплава к толщине стенки, что можно утверждать, что в плане экономного использования материала обе технологии сравнялись.
Одноразовая посуда. Для изготовления одноразовых тарелок и стаканчиков технология термоформования — безальтернативна, особенно при больших площадях формовки (разграниченные обеденные поддоны, ячеистые коробки с крышкой, супные тарелки и т. д.). Технология литья под давлением монополизировала только производство рюмок (цельных и составных). Термоформинг позволяет имитировать ручку у чашки.
Специальные промышленные детали/комплектующие. В этой области термоформинг предпочтительнее везде, где пространственная форма изделия и толщина стенки обеспечивает детали достаточную жесткость. В других случаях жесткость достигается в сборке с силовым каркасом. Поэтому термоформованные панели активно применяются в автомобилестроении, авиакосмической промышленности, бытовых и электронных товарах, в медицинской технике и приспособлениях, строительном декоре, сантехнических изделиях (ванны, раковины, джакузи), спортивных средствах (яхты, сани, виндсерфинги, каяки, защитная амуниция и т. д.) и т. п.
Проще всего проиллюстрировать самые различные технологии применения термоформинга на примере салонов автомобилей. Так, панели внутри салона таких автомобилей, как Mercedes-Benz, BMW, Audi, Volkswagen, — это радуга технологических решений: декоративное ламинирование, текстильное обертывание, скин-формовка (вакуумформовка+RIM), термоформование армированных полотен, углеволоконных ламинированных полотен и т. д. Оказавшись в салоне дорогого автомобиля, ради любопытства проведите рукой по накладным панелям дверей, передней панели, трансмиссионного туннеля — в основе cost-effective thermoforming. Уезжая в отпуск, вспомните, что ваш Samsonite процентов на 90 состоит из термоформованных панелей.
Производители стремятся применять технологию термоформинга везде, где это только возможно, ведь это лучший способ снижения трудозатрат при производстве перспективных изделий.
Бородатый метод
Каким бы удивительным не казался сей факт, но еще древние египтяне освоили формование домашней посуды из черепашьего панциря. Они расщепляли панцирь (который состоит из кератина) на пластины, которые затем варили в масле, после чего обкладывали размягченными чешуйками заготовленные каменные формы и погружали их в воду. В результате получались очень затейливые хозяйственные принадлежности.
Американские индейцы в свою очередь освоили формование из древесной коры больших герметичных емкостей для пищевых продуктов. Для этого древесная кора кипятилась в воде, после чего ее кусками облепляли деревянные формы. Дошедшие до нас предметы обихода позволяют предположить, что именно таким образом индейцы изготавливали составные части своих каноэ.
Подобные методики применяли в разные времена, используя полимерные свойства природных материалов. Однако первые осознанные попытки термоформовки полимерных материалов были предприняты лишь в XIX веке, когда в 1870 году двое американцев Уэсли Хэйтт и Чарльз Бэроуз провели первый эксперимент по термоформованию листовой нитроцеллюлозы (целлулоида). Свернутые в трубочку листы они поместили в цилиндрическую перфорированную форму. Затем стали нагнетать в нее пар. В результате разницы температуры и давления снаружи и внутри целлулоидные свитки стали принимать форму внутренней поверхности формы. Затем она охлаждалась водой и целлулоидная деталь извлекалась. Так появились первые пластиковые детские погремушки и небольшие бутылочки.
В 1910 году методом обертывания деревянных болванов были изготовлены целлулоидные клавиши для пианино.
А в 1930 году фирма Fernplas из США освоила производство первых в истории пластиковых бутылок. Правда, тогда их изготавливали из двух термоформованных половинок, которые потом сваривались вместе. Кстати, подобная технология применяется до сих пор в России для изготовления емкостей под подсолнечное масло (они открываются путем надрезания носика).
В 1933 году Phillips стал использовать термоформованные панели из ПВХ для бытовых холодильников.
Нельзя не упомянуть о начале производства в 1935 году шариков для настольного тенниса из целлулоида методом термоформования. Данное обстоятельство способствовало лавинообразному росту популярности этой игры благодаря особым свойствам легкого и упругого целлулоидного шарика. За это стоит поблагодарить фирму E.I.DuPont de Nemours Co., Inc.
Первая полностью автоматическая машина для термоформования с рулонной загрузкой была представлена немецкой фирмой Klaus B.Strauch.
Собственно говоря, с конца 30-х годов технология термоформовки постепенно начала находить все новые и новые области промышленного приложения. Термоформованные плексигласные пулеметные башни летающих крепостей, остекление кабин пилотов появились еще в период Второй мировой войны. После войны термоформовка стала применяться массово в промышленности: корпуса ванн, раковин, джакузи, формочки для льда, ветровые стекла, декоративные остекления, защитные чехлы и короба и т. д.
Преимущества термоформования
Простота метода термоформования предопределила и его преимущества: высокая производительность в сочетании с низкой стоимостью инструмента. Первое достигается за счет того, что толщина изделия формуется еще на этапе экструзии полимерной заготовки. Причем на этой стадии заготовка не только наделяется «твердым телом» (тогда как пресс-форму при литье под давлением необходимо еще заполнить расплавом), но и определенной цветной или объемной текстурой, что выполняется с низкими производственными затратами на оборудование конечных участков экструзионной установки. Таким образом, при формовании остается только задать нужную объемную конфигурацию изделия (или набора изделия при многогнездном термоформовании). Кроме того, термоформование осуществляется при сравнительно невысоких температурах переработки — до 200°С, что ускоряет охлаждение полимера после формовки, исключает термостресс полимера и сокращает производственные затраты.
Важно и то, что для формования изделий с большой суммарной площадью поверхности при ее малой толщине требуется очень малое усилие смыкания плит. Если сравнивать с литьем под давлением, то разница в усилии смыкания составит более одного порядка, что положительно отразится на энергозатратах при термоформовании. Кроме этого, невысокие усилия продлевают срок службы инструмента.
Но технический прогресс не стоит на месте, и возможности метода дополнительно расширяются. Например, двулистовая экструзия позволяет формовать полые детали, что до этого приходилось делать с помощью двух отдельных операций с последующей сваркой половинок детали. По данной технологии можно изготавливать легкие и прочные автомобильные спойлеры.
В отличие от других методов, где формовка осуществляется внутри замкнутой поверхности, при термоформовании формовка идет только относительно одной формообразующей. Это упрощает инструмент и удешевляет его проектирование и производство. Невысокие усилия при формовании предъявляют менее строгие требования к материалам инструмента, что также способствует удешевлению инструмента.
Суть процесса
Термоформовочная машина состоит из станины, на которой установлены инструментальные столы. На них закрепляется формообразующая часть инструмента — матрица и верхняя часть инструмента, осуществляющая формующее воздействие давлением. По своему действию инструмент термоформования сродни штампу для обработки листовых материалов давлением. Однако при термоформинге процесс осуществляется не столько за счет механического воздействия пуансона, сколько за счет разницы давления над и под заготовкой в зоне формования. В некоторых случаях пуансон как таковой отсутствует, и формовка размягченного нагревом полотна осуществляется только за счет разницы давлений над и под заготовкой.
Вначале полотно пластиката на площади формовки нагревается до температуры термоэластичного состояния, когда лист пластиката получает способность к формовке, но сохраняет упругое состояние и без рабочих воздействий не теряет своей формы. Поэтому для каждого материала подбирается оптимальная температура нагрева полотна, которая должна быть на достаточном температурном удалении как от границы стеклования (термоформовка невозможна или затруднена), так и от границы вязкотекущего состояния, когда влияние силы тяжести на заготовку может помешать нормальному протеканию процесса формования.
После разогревания заготовка попадает в зону термоформования — это пространство между двумя ответными частями формовочного инструмента. Вверху над полотном заготовки находится верхняя плита инструмента, внизу — плита с инструментальной матрицей, имеющей отрицательные (вогнутые — «мама») или положительные (выпуклые — «папа») поверхности формообразования. Специальные прижимные рамы надежно фиксируют полотно вокруг зоны термоформования. Фиксирующие рамы определяют максимальную зону формовки и меняются вместе с инструментом. Однако для частых переналадок рядом производителей предлагаются специальные трансформируемые рамы для фиксирования полотна, что позволяет сэкономить на стоимости инструмента.
Устройство инструмента зависит от вида термоформинга, которых лишь два: с приложением давления и комбинированный пневмовакуумный. В первом случае на разогретый материал воздействует с одной стороны специальный шток-пуансон, движущийся возвратно-поступательно вдоль вертикальной оси, а с другой стороны сжатый воздух, нагнетаемый из каналов верхней плиты. Образующаяся под и вокруг пуансона воздушная подушка способствует формованию и вытяжке полимера не по одной оси, как если бы давил только пуансон, а сразу по всем направлениям, что обеспечивает равномерное вытягивание пластиката во всех зонах формовки, пластикат придавливается к формообразующей поверхности матрицы и полностью воспроизводит ее форму. Собственно за счет специфической для каждого изделия формы пуансона и профиля давления сжатого воздуха и достигается близкая к идеальной равнотолщинность стенок при термоформовании. Верхняя плита может включать в себя не только пуансон (или систему пуансонов при многогнездном термоформовании), но и специальные высечные и герметизирующие кромки, которые образуют внутри себя герметичную область формования над полотном пластиката, где поддерживается необходимый профиль давления сжатого воздуха, а также позволяют высекать отформованное изделие из полотна заготовки. Высечка может производиться и вне зоны формования на следующей позиции, если это не повлияет на качественные характеристики готового изделия. Высечка в форме может осуществляться таким образом, чтобы изделия не отделялись от полотна пластиката и транспортировались вместе с ним до позиции штабелирования. Для этого при термоформовании у изделия в процессе высекания оставляются удерживающие перемычки. На позиции штабелирования они ломаются при выдавливании изделий из полотна в штабелер-накопитель.
Транспортировка листового материала в зону формования осуществляется волочащими цепями с шипами или зазубринами. Пленочный материал транспортируется за счет разматывания подающей бобины с преднатяжителями и сматывания отформованного полотна (отходы) на бобину на выходе из термоформера. Остатки пленки от формования и высечки поступают на участок вторичной переработки.
Вакуумное формование представляет собой другой вариант термоформовки, при котором давление на формуемое полотно оказывает обычная атмосфера над ним за счет наличия разницы в давлении над и под заготовкой. Воздух откачивается из-под этой области через вакуумные каналы в матрице. За счет этого разогретое полотно прилегает к формообразующей поверхности матрицы и принимает ее форму. Так делаются, например, технические изделия. Вакуумное формование с положительной матрицей (выпуклой) используется для формования изделий большой площади сложной компоновки, например цельной обшивки холодильной камеры.
По завершении фазы формования необходимо перевести полимерный материал из высокоэластичного состояния в состояние стеклования и кристаллизации, для чего матрица охлаждается за счет циркуляции охлажденной воды в ее каналах. Процесс охлаждения в машине должен осуществляться определенным образом, чтобы, с одной стороны, уменьшить длительность фазы охлаждения и тем самым добиться большей производительности, а с другой стороны, не допустить ускоренного охлаждения, при котором накапливаются напряжения в структуре материала.
Охлаждение отформованного изделия может также дублироваться обдувом холодным воздухом. Это позволяет выравнить динамику охлаждения наружных и внутренних слоев материала, что устраняет коробление детали и уход размерных параметров.
Существуют самые разные приемы для снятия высеченных отформованных изделий. Например, в случае термоформования стаканчиков в конце такта нижняя плита опрокидывается, обращаясь к позиции штабелера-накопителя, и выталкиватели, интегрированные в днище гнезд матрицы, выталкивают отформованные стаканчики в штабелер-накопитель.
Извлечение габаритных отформованных изделий и высечка готового изделия с полотна заготовки в этом случае осуществляются на отдельной установке автоматической линии.
Материал инструмента
Матрица может изготавливаться из разных материалов в зависимости от назначения инструмента, производительности термоформера и предельного количества тактов, на которые рассчитывается инструмент. Для высокопроизводительных систем инструмент изготавливается из стали, что сопоставимо с производством пресс-форм для литья под давлением. Однако простота процесса термоформинга предопределяет его предпочтительность для определенных приложений. Для иллюстрации достаточно рассмотреть производство одноразовых стаканчиков диаметром 75 мм. Высокопроизводительные машины с большой площадью формования (lllig, Kiefel, Gabler) позволяют устанавливать инструмент для одновременного формования за такт 40 стаканчиков. Наиболее производительные машины уже могут работать на скорости 40 тактов в минуту для большинства материалов. Это означает, что в минуту производится 1600 стаканчиков. При этом многопозиционный инструмент для термоформовки будет стоить порядка 100 тыс. евро. Чтобы достичь такой же производительности при литье под давлением, необходимо, чтобы термопластавтомат с пресс-формой на 64 гнезда работал со временем цикла менее 2,5 секунд, что в принципе выполнимо, но стоимость такого решения была бы просто запредельной.
Для менее интенсивных операций и при меньших количествах тактов, приходящихся на партию продукции, а также при формовании технических изделий, применяются более дешевые в механообработке алюминиевые матрицы. Использование алюминия позволяет еще снизить стоимостную составляющую инструмента.
Для прототипирования можно применять матрицы, изготовленные из модельного пластика или дерева. Однако необходимо учитывать, что пластик и дерево имеют плохую теплопроводность, поэтому фаза охлаждения формованных деталей будет длиться несоизмеримо дольше, чем при использовании стальных или алюминиевых матриц. Поэтому для сокращения длительности цикла формования следует задуматься об особых способах охлаждения, например равномерным обдувом.
Нагрев
Нагрев пластиката можно осуществлять как предварительно в специальной прогревочной станции или в загрузочном устройстве, так и непосредственно в зоне формования.
Для нагрева пластиката могут использоваться три типа нагревательных элемента:
Традиционные тэны из-за своей инерционности все реже и реже применяются в термоформинге. Поэтому ведущие производители термоформовочного оборудования применяют в качестве нагревательных элементов кварцевые лампы и ИК-излучатели. Наиболее совершенные нагревательные системы обеспечивают равномерный прогрев абсолютно во всех зонах предстоящей формовки, включая и периферийные участки, на которых в другом случае температура была бы ниже, что отражалось бы на качестве формовки на этих участках. Равномерность прогрева отслеживается бесконтактными термодатчиками. При высокопроизводительной формовке для определенных видов материала осуществляется предварительный прогрев материала на специальном технологическом участке. Прогрев ведется сразу с двух сторон, чтобы ускорить процесс и избежать некоторой разницы в прогреве слоев пластиката.
Существуют компактные однопозиционные термоформовочные машины, где подогрев осуществляется в зоне формования за счет нагревательного устройства, которое для прогрева заготовки перемещается в зону формовки и по завершении этой операции возвращается в позицию ожидания.
Кроме того, с помощью циркулирующей жидкости осуществляется поддержание заданной температуры формующего инструмента и фиксирующих рам. Контроль за температурой рабочих органов машины осуществляется с помощью термоконтроллера.
Собственно равномерность нагрева полотна по всем точкам независимо от площади зоны формования является одной из визитных карточек лидеров в производстве термоформеров.
Комплектные линии
Очень часто термоформовочные машины работают не отдельно, а в составе единой синхронизированной линии, которая может включать в себя экструдер с плоскощелевой головкой, каландровый узел охлаждения, триминга кромок, модуль ламинирования или текстурирования экструдата; саму машину для термоформовки с узлом компенсации прерывной работы термоформера (экструдер — установка непрерывного действия). Несмотря на развитую кооперацию между европейскими предприятиями, такой подход очень распространен и в Европе, и за океаном, так как в этом случае исполнение производственного заказа не зависит от поставщика, который может столкнуться со своими собственными производственными проблемами. Кроме того, легче обеспечивать стабильный уровень качества пластиката. В России, вероятнее всего, такой подход будет еще более целесообразным.
Экструдеры для производства пленки и листа для термоформовки на российский рынок поставляют компании Reifenhauser, Battenfeld Extrusion-stechnik, Kiefel Extrusion, SML, Theysohn и др. Покупая термоформовочное оборудование в Европе, не стоит экономить и на экструзионном оборудовании, так как бесперебойная работа обеих машин может обеспечить конкурентоспособность выпускаемой продукции и положительное реноме в глазах потребителя.
Кроме того, многие производители готовы предложить еще дополнительные агрегаты для автоматической фасовки продукции в отформованную упаковку, дозирования продуктов питания и укупорки упаковки, предварительной асептической обработки и другие специализированные решения, которые в этом случае поступают из одних рук, что очень удобно в плане гарантийного обслуживания.
Производители термоформовочного оборудования и цены
Стоит отметить, что большинство производителей термоформовочного оборудования довольно узкоспециализированы и выпускают машины для определенных сегментов применения, например: одни специализируются на машинах для термоформовки пленочных материалов в рулонах (до 1,5 мм), другие производят только вакуумформовочные машины для листов, третьи делают компактные автоматические и полуавтоматические машины для производства пищевой упаковки. Поэтому всего существует достаточно много производителей в Европе и Северной Америке, каждый из которых предлагает достаточно узкий ассортимент машин.
Однако имеются производители, которые накопили настолько большой опыт в термоформовании, что способны предложить решения для самых разных производственных областей, будь то производство специальных деталей для автомобилестроения или упаковочная продукция. Все эти фирмы из Германии — это lllig, Kiefel и Gabler. Именно они предлагают наиболее производительные машины для самых разных сегментов.
Если говорить о ценах на термоформовочные машины, то разброс очень велик, так как существуют маленькие полуавтоматы ценой всего 5 тыс. евро. А наиболее производительные системы для производства, например, полистирольных стаканчиков, о которых шла речь выше, будут стоить около 500 тыс. евро. Естественно, что более производительные машины, будучи последним словом техники, стоят еще дороже.
Цены на машины из динамично развивающихся стран ЮВА могут быть в 5-6 раз ниже европейской техники. Но найти высокопроизводительные системы вряд ли удастся — у подавляющего большинства машин пределом является 25 тактов в минуту, да и то это только сухая производительность машины без инструмента и сырья. При рассмотрении возможности приобретения оборудования из стран ЮВА стоит предварительно узнать как можно больше о том, где оно эксплуатируется, как давно и насколько успешно.
Евгений Дряхлов
Журнал «Оборудование: рынок, предложение, цены», № 05 май 2005 г.
