Вакуумное формование

Вакуумное формование – это процесс производства штучных или серийных изделий из листового полимера, основанный на придании заготовке формы будущего изделия при помощи матрицы (вогнутой формы) или пуансона (выпуклой формы) под действием температуры и вакуума. Отличительной особенностью метода является формование изделия не из расплавов, а из листовых заготовок различной толщины. Нагрев полимера осуществляется до высокоэластичного, но не текучего состояния. Разогретой полимерной заготовке придают форму, после чего охлаждают. Толщина готового изделия может варьироваться от 0,05 до 15 мм, для вспененных материалов толщина стенок может достигать 60 мм.

Для вакуумного формования подходят различные полимерные материалы. Выбор типа полимера определяется требуемыми эксплуатационными свойствами. Наиболее часто используют АБС-пластик, полиэтилен, ПВХ. Изделия из АБС-пластика устойчивы к воздействию ультрафиолета, агрессивных сред, обладают высокой прочностью и механической стойкостью. ПВХ-материалы характеризуются высокими показателями прочности и пластичности, а также низким коэффициентом горючести и влагонепроницаемостью. По жесткости и прочности ПВХ уступает АБС-пластику.

Фото заимствовано с сайта granula.pro

Посмотреть объявления об оказании услуг вакуумного формования, вы можете на нашем сайте.

Параметры технологического процесса

При вакуумном формовании учитывают два важных параметра технологического процесса: температура и давление. Они определяют, в каком состоянии заготовка будет подана в зону формования и какие свойства получит изделие после придания ему заданной конфигурации.

Температура

Температура формования напрямую влияет на формоустойчивость изделия в процессе его эксплуатации. Важно учитывать температуру нагрева самого формующего инструмента – прижимной рамы, матрицы, пуансона. Средняя температура формы не должна превышать 50-70°С.

При снижении температуры формы ниже рекомендованного значения могут возникать такие дефекты, как морщины и складки, коробление изделия, усадка после охлаждения, менее качественно формируются острые углы и ребра жесткости. Остаточные релаксирующие напряжения, возникающие при сниженной температуре формы, также могут приводить к браку. При повышенной температуре формы возникает ряд иных нежелательных явлений, ухудшающих качество изделия, например, разнотолщинность стенок.

Конкретной температуры для вакуумного формования нет. Она зависит от типа полимера. Для АБС-пластика она находится в диапазоне от +130 до +170⁰С, для ПВХ – от +120 до +160⁰С, для полипропилена от +150 до +170⁰С.

Давление

Оформление изделия из листовой заготовки осуществляется под действием разности между величиной давления в замкнутой полости между оформляющим инструментом и заготовкой (удельное давление формования) и величиной давления над свободной поверхностью заготовки. Добиться разности давлений можно различными способами: сжатым воздухом, водяным паром, механическим воздействием, вакуумом. При использовании вакуума и идет речь о вакуумном формовании.

При вакуумном формовании полость под заготовкой герметизируется, после чего из нее откачивается воздух. По мере уменьшения удельного давления формования давление над заготовкой остается неизменным около 0,1 Мпа. Величина разреженного давления под заготовкой в герметичной полости может составлять 0,07-0,085 МПа. Усилие воздействия на термопластичную заготовку равно произведению площади заготовки и разницы давлений над и под заготовкой.

Суть метода формования

Главным условием вакуумного формования является создание отрицательного давления. При этом величина вакуума может быть небольшой, потому высокомощное оборудование не требуется. Данный производственный метод считается экономичным, готовые изделия имеют невысокую себестоимость. При использовании полностью автоматизированных линий формования можно наладить процесс производства формованных изделий в непрерывном режиме.

Последовательность этапов формования

Процесс формования изделий под вакуумом включает несколько этапов:

Фиксация заготовки в матрице.
Нагрев листовой полимерной заготовки.
Предварительное растяжение заготовки (если предусмотрено технологическим процессом).
Откачка воздуха из под заготовки для создания отрицательного давления и обтягивания формы материалом.
Охлаждение сформированного изделия до стабильного состояния.
Извлечение готового изделия.
Последующая обработка.

Фиксация полимерной заготовки

В конструкции вакуумформовочной машины предусмотрена зажимная рама, которая удерживает лист полимера и обеспечивает прижимное усилие. Заготовка устанавливается в зажимной раме подвижно или неподвижно. Под ней располагается форма для будущего изделия – матрица. При определенном типе формования (позитивное вакуумформование) сверху над заготовкой располагается формующий инструмент - пуансон. Возможно сочетание матрицы и пуансона в одной конструкции.

Нагрев листового полимера

Главным условием правильной работы оборудования и получения качественного изделия является равномерный нагрев заготовки по всей площади и по толщине. В противном случае невозможно добиться полного прилегания листа к матрице.

Нагрев заготовки производится до такого состояния, при котором он не будет крошиться и ломаться в процессе изменения формы. Аморфные полимеры нагревают до высокоэластичного состояния. Кристаллизующиеся полимеры нагревают до температуры, приближенной к температуре плавления.

Для нагрева заготовки могут применяться инфракрасные нагреватели или кварцевые лампы. Преимущество инфракрасных тепло-радиационных нагревателей в возможности обеспечить нагрев листа по зонам, а также с различной удаленностью от поверхности листа. Это способствует равномерному прогреву. Для облегчения процесса нагрева и равномерного распределения тепла лист условно делится на несколько зон, после чего каждая зона нагревается отдельным элементом. Для контроля температуры нагрева используются пирометры. Данные с контролирующих устройств передаются на компьютер. При прогреве заготовок большой толщины могут использоваться нагреватели камерного типа или контактные нагревающие плиты.

Важно не допускать перегрев одной из зон листа, поскольку в этом случае заготовка теряет свое первоначальное положение – возникает провисание пластика с риском разрыва материала. Факт провисания фиксируется фотоэлектрическим сканером. Данные с фотоэлектрического сканера передаются на компьютер, где обрабатываются для корректировки технологического процесса. В зону нагрева подается воздух для охлаждения и коррекции формы заготовки.

Предварительное растяжение заготовки

Предварительное растяжение или раздув материала необходим для выравнивания толщины листа перед формованием по всей площади. Растяжение выполняется после нагрева заготовки до рабочей температуры. Предварительное растяжение заготовки требуется при формовании изделия в матрицах со сложной формой сечения и достаточно большой глубиной.

Степень растяжения листа – еще один параметр, определяющий формоустойчивость изделия наряду с температурой нагрева. В процессе растяжения под действием нормальных напряжений происходит первичное формирование конфигурации изделия. Но важно соблюдать режим натяжения, предусмотренный технологическим процессом. При увеличении степени вытяжки листа повышается ударная вязкость заготовки, но при этом может наблюдаться значительная термическая усадка детали.

Немаловажно учитывать и скорость натяжения заготовки. При медленной вытяжке может наблюдаться разнотолщинность изделия, поскольку охлаждение протекает неравномерно в разных областях формируемого изделия. Своевременное увеличение скорости растяжения листа способствует устранению дефекта разнотолщинности.

Откачка воздуха из матрицы

Откачка воздуха выполняется вакуумным насосом для создания отрицательного давления. По мере герметизации замкнутой полости между формой и заготовкой пластичный материал начинает облегать матрицу по форме, происходит втягивание термопласта. В нем возникают напряжения, которые при снятии давления формования стремятся вернуть заготовку к ее первоначальной плоской форме. В этот момент должно начаться понижение температуры для стабилизации состояния детали.

Охлаждение сформированного изделия

После окончания процесса формирования детали ее охлаждают, после чего извлекают из формы. Преждевременное извлечение до момента стабилизации полимера может привести к повреждению детали.

Фактически процесс охлаждения запускается при контакте изделия с холодными стенками формы. Потому все охлаждающие элементы направлены именно на охлаждение матрицы. Для снижения температуры формы и изделия используется водное или воздушное охлаждение. Оно может быть односторонним или двухсторонним. Система воздушного охлаждения позволяет снизить процесс остывания изделия на 20-30%. В большинстве своем современные вакуумформовочные машины оснащаются системами управления температурного процесса для равномерного охлаждения изделия.

Время охлаждения напрямую зависит от температуры формы, показателя теплопроводности полимера и геометрических характеристик самого изделия, включая толщину стенок. Чем ниже температура формы и тоньше стенки изделия, тем быстрее будет происходить охлаждение. Важно понимать, что при сверхбыстром снижении температуры матрицы может возникать коробление детали.

После остывания изделие извлекается из матрицы. Для этого используется система выталкивателей или сжатый воздух. Выталкиватели воздействуют на изделие со стороны оснастки. Их недостаток в том, что могут оставаться следы. При пневматическом извлечении в форму подается порция воздуха, которая приподнимает изделие и облегчает его съем с формующего стола.

Последующая обработка

Зачастую сформированная деталь является полуфабрикатом. Потому после охлаждения детали с целью придания ему заданного функционала может потребоваться последующая обработка изделия. Она включает в себя обрезку облоя, сварку элементов, склеивание, металлизацию, печать. Также изделие может разрезаться с последующим склеиванием, подвергаться высверливанию отверстий, пропиливанию посадочных мест для различных вставок. Для доработки изделий используют фрезерный станок, ленточную пилу, обрезной пресс, сверлильный станок, прочие ручные или механические инструменты.

Виды вакуумного формования

В зависимости от типа используемого формующего инструмента и характера взаимодействия полимерной заготовки с формой различают свободное, негативное и позитивное формование. Также в отдельных случаях применяют комбинированный метод негативно-позитивного формования. Выбор типа формования определяется не только конфигурацией детали, но и типом используемого материала.

Любой из описанных далее методов вакуумного формования позволяет использовать как одногнездные, так и многогнездные формы. При производстве изделий в многогнездных формах себестоимость каждой штучной детали уменьшается. За один рабочий цикл при тех же затратах можно получить несколько идентичных изделий.

Свободное формование

При свободном формовании изготовление изделия осуществляется без соприкосновения заготовки с оформляющим инструментом. Вместо оформляющей матрицы в конструкции машины предусмотрена рама с проймой, размер и форма которой напрямую определяют конфигурацию будущего изделия.

Листовая заготовка закрепляется в круглой, овальной, прямоугольной или квадратной раме, установленной над вакуумной камерой. Затем заготовка нагревается и под действием отрицательного давления начинается процесс формования без соприкосновения со стенками вакуумной камеры. Процесс свободного формования длится, пока не будет достигнуто равновесие между усилием формования и возникающим в термопласте напряжением или до полного разрыва листа, если равновесие не наступило.

Регулировку глубины вытяжки (провисания) определяют фотоэлементы, установленные под рамой. При достижении заданного значения глубины (высоты изделия) прекращается разряжение воздуха. Возможен также механический контроль глубины, когда заготовка при достижении установленного параметра давит на рычаг, после чего вакуумный клапан также перекрывается.

Методом свободного формования изготавливают изделия из прозрачных акрилатов, например, формы для световых фонарей. Основное сложность – получить равнотолщинное изделие с заданными оптическими характеристиками. Это достигается за счет максимально равномерного нагрева.

Негативное формование

При негативном формовании на заготовку действует один формообразующий инструмент – матрица. При этом само изделие имеет наружную поверхность идентичную внутренней конфигурации матрицы.

Лист термопласта закрепляют в зажимной раме и кладут сверху на матрицу. Далее последовательно включаются системы нагрева и вакуумирования.

Первоначальный этап подготовки листа – его нагрев. Сразу после разогрева заготовка подвергается свободному деформированию - провисанию. При правильном и равномерном разогреве температура листа все это время остается приблизительно одинаковой. Далее в работу включается вакуумный насос. Под действием вакуума лист втягивается внутрь и прилегает к стенкам матрицы. Процесс формования происходит постепенно. Вначале часть заготовки входит в контакт с поверхностью формы, в это же время остальной объем заготовки пребывает в стадии свободного формования. Возможны два варианта формования в зависимости от глубины изделия: для глубоких изделий вначале оформляются боковые стенки, затем днище; для неглубоких изделий вначале происходит формирование днища, а затем боковых поверхностей. После окончания формирования днища и стенок вакуумный насос отключается.

В момент соприкосновения полимера со стенками матрицы происходит резкое снижение температуры термопласта. За счет этого может возникать разнотолщинность в отдельных областях изделия. При малой глубине изделия разница в толщине стенок практически незаметна. Минимальная толщина стенки будет на дне, максимальная – на боковых поверхностях. Для глубоких изделий, формование которых начинается с боковых стенок, материал вверху постепенно растягивается, скапливаясь в области днища. Разница в толщине при негативном формировании глубоких изделий будет более заметна. Также достаточно сложно получить изделия с острыми углами. Это один из главных недостатков данного метода вакуумного формования.

Позитивное формование

Для позитивного формования характерно использование пуансона. В этом случае закрепленный на раме листовой материал в нагретом состоянии плотно облегает пуансон, копируя внутренней поверхностью конфигурацию инструмента. При позитивном формовании в первую очередь формируется днище будущего изделия, а дальнейшее его формование происходит за счет вытягивания заготовки от днища к горловине. При позитивном вакуумном формовании верхняя часть изделия получается тонкой, а днище толстым. Разнотолщинность увеличивается, если в качестве заготовки использовать листовой полимер, склонный к провисанию под собственным весом.

Если полимер чувствителен к охлаждению, может применяться метод позитивного формования с предварительной вытяжкой сжатым воздухом. Перед соприкосновением листа с холодным пуансоном проводят предварительное вытяжение заготовки по принципу свободного формования до получения полусферы. Затем в образовавшуюся полусферу вводят пуансон, окончательно формуя деталь. Охлаждение происходит от пуансона внутри изделия и за счет внешней системы охлаждения снаружи.

Таким способом можно формировать изделия с острыми углами и большой глубиной, однако требуется четкая настройка параметров техпроцесса. С помощью пуансона чаще производят изделия, в которых необходимо обеспечить высокую точность внутренних размеров. При позитивном формовании дно изделия будет иметь максимальную толщину, а стенки - минимальную.

Негативно-позитивное формование

В отдельную категорию можно вынести метод негативно-позитивного вакуумного формования. В этом случае форма содержит и элементы матрицы, и элементы пуансона. Типовым изделием, получаемым данным методом, является дверца бытового холодильника.

Для устранения разнотолщинности в готовом изделии в негативно-позитивном формовании применяется метод предварительной вытяжки. Также увеличить толщину стенок помогает формование с проскальзыванием листа заготовки в зажимной раме.

Оборудование для вакуумного формования

Станок для вакуумного формования – это оборудование для выдувания изделий из листовых заготовок. Конструкция станка включает оснастку, стол, металлическую зажимную раму для крепления заготовок, нагреватели, систему вакуумирования (вакуумный насос), систему охлаждения, формующий инструмент (матрица, пуансон).

Посмотреть объявления о продаже оборудования для вакуумного формования, вы можете на нашем сайте.

Оснастка

Главный формующий инструмент данного типа оборудования – формующая оснастка. К ней относится форма-матрица и форма-пуансон. Оснастка может быть выполнена их фанеры, стекловолокна, металла, композитов. Отличие матрицы от пуансона в расположении плоскости формования: в матрице изделие формируется в углублении, пуансон имеет выпуклую форму, на поверхности которой и осуществляется формование.

Форма должна иметь сквозное технологическое отверстие для откачки воздуха и создания вакуума. Их может быть несколько для более быстрой и качественной откачки воздуха.

Стол для формования

Формовочный стол определяет габариты оснастки и будущего изделия. Для производства крупногабаритных изделий или при крупносерийном производстве выбирают столы размером 2000Х700 мм или 1400Х700 мм. Для малогабаритных изделий и при мелкосерийном производстве подойдут станки с размером стола 920Х810 мм или 700Х700 мм.

Ошибка при выборе размера стола обернется нерентабельностью вакуумного формования, потерей пластика (обрезки) в процессе производства. Правильно подобранное оборудование окупится достаточно быстро.

Зажимная рама

Зажимная рама для удержания заготовок может обеспечивать подвижную или неподвижную фиксацию. При жесткой фиксации рама фиксирует лист по периметру. В процессе формования края заготовки неподвижны. При подвижной фиксации заготовка в момент формования скользит, что позволяет вовлекать в процесс формования объем материала за пределами контура зажимной рамы. Оба типа устройств могут быть подвижными или стационарными относительно станины вакуум-формовочной машины.

Вакуумный насос

Вакуумный насос необходим для создания вакуума посредством откачки воздуха из замкнутой полости между заготовкой и полостью под ней. Без вакуумного насоса невозможно добиться того отрицательного давления, за счет которого происходит обтягивание формы (матрицы или пуансона) полимером.

Нагреватели

Для разогрева заготовки перед формованием используют нагреватели, обеспечивающие равномерный нагрев каждой зоны по всей площади. К основным видам нагревателей относятся кварцевые излучатели, галогеновые лампы, керамические нагреватели.

ИК керамический нагреватель

При вакуумном формовании ИК керамический нагреватель обеспечивает равномерный нагрев листа по всей площади. Длина волны 3-6 мкм. Его можно использовать без теплоотражателей, поскольку инфракрасные лучи легко проходят через материал без дополнительного рассеивания. Нагреватель не подходит для изделий большой толщины.

Кварцевый нагреватель

Кварцевый нагреватель оптимален для равномерного прогрева полимерных заготовок различной толщины. Длина волны 1,6-4 мкм. Нагрев происходит очень быстро, температуру можно легко отрегулировать в зависимости от параметров технологического процесса.

Галогеновая лампа

Длина волны галогеновой лампы стабильная – 1,2 мкм. При такой длине волны тепловые лучи глубоко проникают в материал, равномерно нагревая его не только по площади, но и по толщине. Каждый нагреватель данного типа снабжен собственным алюминиевым отражателем для рассеивания тепла, располагать нагреватели следует в определенной последовательности. Чаще галогеновые лампы используются при массовом производстве изделий методом вакуумного формования, поскольку при частом включении они достаточно быстро выходят из строя.

Система охлаждения

Система охлаждения в процессе вакуумного формования позволяет контролировать уровень нагрева полимера, предотвращать его перегрев. Для снижения температуры формующих элементов используют воду или воздух. Воздушное охлаждение осуществляется при помощи центробежных вентиляторов, водное за счет системы закольцованных каналов. При этом система воздушного охлаждения на 20-30% эффективнее, чем водокольцевая система.

Способы экономии при изготовлении изделий

Для удешевления производства изделий можно использовать метод переработки брака и подсыпки небольшого количества вторичной гранулы ПНД в первичную. Однако, необходимо учитывать качество вторичной гранулы и ее соответствие требованиям производства. Также, следует помнить, что использование вторичной гранулы может снизить некоторые свойства готового изделия. Поэтому, перед принятием решения о подсыпке вторичной гранулы необходимо провести анализ затрат и оценить экономическую целесообразность данного шага.

Для измельчения сырья перед гранулированием используется дробилка. Дробилка позволяет раздробить сырье на более мелкие частицы, что упрощает процесс гранулирования и повышает качество гранул.