Выдувное формование

Выдувное формование – это процесс производства изделий из полимерных композиционных материалов, основанный на раздуве разогретого пластика воздухом внутри формы. Методом выдувного формования производят полую тару и иные изделия полой формы с различной толщиной стенок. Технология раздува воздухом является недорогой, имеет короткий цикл производства, позволяет получить изделия сложной конфигурации. Бракованные изделия легко поддаются переработке.

Технология выдувного формования изделий из полимеров схожа с технологией выдува стекла. Существует два типа выдувного формования полимеров: экструзия и литье под давлением с раздувом. В отдельную подкатегорию можно выделить формование с раздувом и растяжением, направленное на создание двуосноориентированных пластиков. Между собой типы формования отличаются способом производства заготовки (преформа, паризон).

 

Общий принцип работы выдувного оборудования

На первом этапе происходит формирование заготовки из расплавленного полимера методом экструзии (паризон) или литья под давлением (преформа). Это важнейший этап формования изделий по данной технологии, который в большей степени определяет свойства и качество готового изделия.

В момент, когда заготовка позиционируется относительно разомкнутой формы, происходит ее смыкание. Через верхнюю или нижнюю часть заготовки после смыкания формы внутрь подается сжатый воздух, за счет которого она раздувается и принимает заданную форму.

В общем случае при выдувном формовании подача сжатого воздуха может осуществляться сверху через дорн, снизу через ниппель или через специальную иглу. При использовании иглы для подачи сжатого воздуха можно получить замкнутые пустотелые изделия, поскольку после извлечения иглы след от ее введения быстро затягивается. Таким способом производят, например, пластиковые игрушки.

Раздув полимерной заготовки начинается сразу после смыкания полуформ и прекращается, когда полое изделие полностью заполнит внутренний объем формы. При смыкании полуформ заготовка отделяется (горячая или холодная резка). На начальном этапе подачи сжатого воздуха раздув происходит в свободном режиме и сопровождается относительно равномерным изменением толщины. Сама заготовка в этот момент имеет форму пузыря до тех пор, пока не начнется соприкосновение с внутренними стенками формы. Когда изделие приобретает стабильную толщину стенок и заданные размеры, матрица размыкается для выталкивания готового продукта.

Стенки формы достаточно холодные. Потому, соприкасаясь с ними, изделие дублирует рельеф и начинает остывать, одновременно фиксируя полученную форму. На данном этапе решающими параметрами технологического процесса являются давление воздуха и температура формы. При увеличении давления качество поверхности изделия улучшается, снижается коробление стенок, сокращается время охлаждения продукта. Температура формы должна выдерживаться в заданных технологическим процессом пределах.

Завершается охлаждение после остывания наиболее толстых участков изделия. Важно не допустить преждевременного извлечения изделия, поскольку может наблюдаться его необратимое деформирование. В среднем время охлаждения раздутого изделия занимает 50-70% от всего технологического цикла. Для увеличения производительности при выдувном формовании используют ускорители охлаждения – жидкий азот, водяной туман, охлажденный воздух. Понижать температуру расплава для сокращения времени охлаждения не рекомендуется, поскольку это может негативно отразиться на качестве готового изделия.

Выдувное формование сопровождается образованием значительного количества производственного брака (до 35%). При ошибках в технологическом процессе объем брака увеличивается. Брак пригоден для повторной переработки в дробилках и использования в следующем технологическом цикле. Объем вторичного сырья не должен превышать 30-40% от общего объема материала.

Экструзионно-выдувное формование

Метод экструзионно-выдувного формования (ЕВМ) используется для получения пластиковой тары удлиненной формы. Он характеризуется высокой производительностью и низкой себестоимостью готовой продукции.

Линия ЕВМ может быть встроена в линию по наполнению и маркировке бутылок. Этим способом изготавливается продукция массой до 350 г из таких полимеров, как ПП, ПЭ низкой и высокой плотности, ПК, ПС.

Экструдированная заготовка (паризон) представляет собой полую эластичную трубку или рукав заданной длины, которая пропускается через центр разомкнутой формы для формования будущего изделия. Толщина стенок заготовки больше толщины стенок будущего изделия. За счет вытягивания пластичной заготовки под действием собственного веса стенки в ее верхней части тоньше, чем в нижней. Это явление называется разнотолщинностью стенок. Снизить разнотолщинность до минимальных значений можно при выдерживании коэффициента раздува в пределах 3-3,5.

При экструзии расплав должен быть полностью гомогенным и иметь постоянную температуру по всему периметру будущей заготовки. Выдавливание расплава осуществляется равномерно и без пульсации. Сам процесс выдувного формования может протекать в непрерывном или прерывистом режиме.

Непрерывное выдувное формование

При непрерывном экструзионно-выдувном формовании заготовки непрерывно экструдируются и подаются в форму сразу из экструзионной машины. Далее они режутся на отдельные заготовки трубчатого типа половинками разрезной смыкающейся формы или ножами. Гомогенизация полимера в экструдере при таком производстве происходит непрерывно.

Метод применяют для формования изделий небольшого или среднего размера. Технология оптимальна для переработки термочувствительных пластиков, например, для ПВХ. Если же требуется формовать крупноразмерные изделия, рекомендуется использовать расплав с хорошей прочностью и оптимальной вязкостью. В противном случае может возникать провисание разогретого пластика, что отразится на качестве продукта после остывания. Выдувное экструзионное формование непрерывного цикла может выполняться на оборудовании различной конфигурации: челночный пресс, вращающееся колесо.

Челночный пресс

Формование челночным прессом считается самым экономичным, но низкопроизводительным. При этом заготовки располагаются рядом друг с другом по горизонтали и перемещаются при возвратно-поступательном движении каретки из позиции захвата заготовки в позицию выдува. На первом этапе экструдируется паризон. В тот момент, когда его длина достаточна для формования заданного изделия, каретка оказывается под ним и захватывает заготовку. Далее каретка перемещается и оказывается над разомкнутой формующей матрицей. Форма смыкается, паризон оказывается защемленным в ней. Одновременно с этим гильотина или ротационный нож обрезает выступающие части. Каретка перемещается в позицию выдува, где в горловину будущего изделия вставляется выдувной дорн, одновременно оформляющий резьбовую поверхность горловины. Внутрь подается сжатый воздух, формуется будущее изделие.

После окончания выдува изделие охлаждается от стенок матрицы, полуформы размыкаются, изделие снимается с выдувного дорна и перемещается на транспортер. На финишном этапе производится окончательное охлаждение изделий, обрезка облоя сверху и снизу специальными ножевыми штампами.

Данным способом можно формовать как симметричные, так и ассиметричные изделия емкостью до 15 л. При данном процессе возможно использование как одногнездной, так и многогнездной формы.

Вращающееся колесо

Формование вращающимся колесом может осуществляться в горизонтальном и вертикальном направлении. В данной конфигурации формующие матрицы расположены на периферии вращающегося колеса.

Само колесо разделено на секции, каждая из которых соответствует определенному этапу выдувного формования: фиксация заготовки, резка, раздув сжатым воздухом, охлаждение полого изделия, выталкивание готового продукта. Формы вращаются вокруг оси колеса в непрерывном режиме, переходя от одной секции к другой. Данная конфигурация оборудования предназначена для крупносерийного производства.

Прерывистое выдувное формование

При прерывистом выдувном формовании экструдируются штучные заготовки при достаточном объеме расплава полимера в головке экструдера. Внутри экструдера материал постоянно гомогенизируется. Далее из заготовки выдувается объемное изделие, после чего процесс повторяется. По данной технологии формируются изделия из полимеров с низкой вязкостью, например, из поликарбоната. Прерывистое формование оптимально для крупносерийного производства и для производства габаритных изделий.

Экструзия с выдувом в прерывистом режиме выполняется на различных типах оборудования, наибольшей популярностью среди которого пользуются станки с возвратно-поступательным шнеком и экструдеры с аккумулирующей головкой.

Оборудование с возвратно-поступательным движением шнека

При работе данного типа оборудования экструдер не только нагревает и гомогенизирует расплав, но и нагнетает его в экструзионную головку. По сути, возвратно-поступательная работа шнека экструдера повторяет работу шнека в ТПА.

Заготовки экструдируются в периодическом режиме, параллельно идет выдув изделий со средним временем цикла около 5 сек на одну емкость объемом 10 мл. Для увеличения указанной производительности можно применять многоструйные экструзионные головки, благодаря чему за один цикл формируется 4…6…8… изделий заданного объема.

Данный режим выдувного формования чаще всего используется для производства тары малого объема из полиолефинов. Это может быть пищевая тара для молочной продукции с возможностью формирования ручки, игрушки. Максимальный объем изделия составляет 20 л.

Оборудование с аккумулирующей головкой

Экструдер аккумулирующего типа фактически представляет собой обычный экструдер с накопительным материальным цилиндром (копильником). Копильник располагается перед головкой. При накоплении достаточного объема материала в цилиндре происходит его единовременное выдавливание через головку при помощи плунжера. Скорость выдавливания расплава и, соответственно, формования заготовки достаточно высокая. Трубчатая заготовка (паризон), имеющая большую длину и диаметр, не успевает полностью охладиться при таком способе изготовления. Паризон опускается в пространство между разомкнутыми плитами формующей матрицы, после чего она смыкается, запускается цикл выдува изделия сжатым воздухом.

В экструдере параллельно продолжается подготовка расплава. При расходовании полного объема расплава шнек начинает повторное перемещение в продольном направлении, гомогенизируя новый расплав. Когда следующий объем расплава готов к работе, формы для заготовок опустошены и подготовлены к новой партии, плунжер выталкивает очередную порцию расплава для формирования заготовки.

Преимущество данного метода в отсутствии зависимости между скоростью накопления материала и скоростью экструзии. При накоплении достаточного объема расплава можно произвести быстрое выдавливание полимера через головку экструдера, что исключит его провисание по длине на любом участке. Потому данный метод формования заготовок подходит даже для полимеров с низкой прочностью расплава.

При ЕВМ прерывистого типа можно использовать метод соэкструзии, когда создаются изделия с несколькими слоями полимера. Для этого используются соэкструзионные головки аккумуляционного типа. В них накапливается расплав, после чего продавливается через соэкструзионную головку. Далее процесс выдувания производится по общей схеме.

Инжекционно-выдувное формование

Процесс инжекционно-выдувного формования (IBM) проводится в два этапа: производство заготовок и непосредственно выдув. Производство заготовок осуществляется по принципу литья под давлением. Расплавленный и гомогенизированный в шнековом экструдере пластик впрыскивается в нагретую форму в зазор между стенкой и установленным по центру металлическим стержнем. При этом формование ручек, горловины и иных конструктивных особенностей осуществляется в процессе литья преформы.

Форма для производства преформ состоит из двух частей (штампов), одна из которых подвижна, а вторая стационарна. Устройство для стержней представляет собой вращающийся стол с тремя секциями, каждая из которых соответствует определенному циклу выдувного формования.

После впрыскивания расплава выполняют его охлаждение. Процесс снижения температуры будет длиться до тех пор, пока не будет достигнута вязкость, достаточная для сохранения формы заготовки, но не более. Сама преформа все еще остается горячей.

Далее эту горячую заготовку перемещают в формующую матрицу большего размера для второго этапа производства - выдувания. На этом этапе в заготовку подается сжатый воздух, за счет чего полимерная преформа растягивается, стенки утоньшаются и облегают форму изнутри. Процесс раздува продолжается до момента, когда раздутая заготовка заполнит весь объем формы. После этого изделие охлаждается, деталь отделяется от стержня. Таким способом формуют полые изделия при крупносерийном производстве мелкогабаритной продукции, в том числе, сложной конфигурации.

Существует другая популярная и удобная вариация данной технологии формования, когда процесс производства преформ разделен с процессом выдува. При такой технологии преформы производятся на термопластавтомате партиями, после чего полностью охлаждаются. Перед раздувом заготовка разогревается для придания полимеру пластичности. После этого внутрь преформы подается сжатый воздух. Таким способом получают практически всю тару для безалкогольных напитков и воды. Способ отличается высокой производительностью и минимальным процентом брака, что экономически выгодно производителям. Готовые изделия имеют тонкие стенки, высокую прочность. Однако тара, изготовленная данным способом, не выдерживает высоких температур, потому используется исключительно для холодной продукции.

Формование с раздувом и вытяжкой

Процесс формования с раздувом и вытяжкой схож с описанным ранее. На первом этапе производятся преформы методом литья под давлением с установкой внутри металлической дорожкой. Далее их передают на этап выдувания. Отличительная особенность процесса в том, что изделие в форме предварительно механически удлиняют при помощи натяжного стержня до требуемой длины, после чего подают сжатый воздух для раздува в ширину.

Растяжение пластика возможно как в одном, так и в двух направлениях. При вытяжке в двух направлениях изделие имеет двухосную (биаксиальную) ориентацию. Биаксиально ориентированный полимер имеет высокую ударную прочность, что позволяет изготавливать тонкостенные изделия с высокими потребительскими свойствами. Данный способ формования подходит для полиэтилентерефталата, полипропилена и поливинилхлорида.

 

Оборудование для выдувного формования

Выдувное формование осуществляют с предварительной экструзией или отливом полимерной заготовки. В зависимости от технологии используются экструзионно-выдувные станки или инжекционно-выдувные (литьевые) машины.

Экструзионно-выдувные машины экструдируют заготовку с последующей передачей ее в зону раздува. Они могут работать в автоматическом или полуавтоматическом (с привлечением оператора) режиме. По числу одновременно производимых заготовок они делятся на одноручьевые и многоручьевые.

Инжекционно-выдувные машины формируют заготовку методом литья с ее последующим раздувом. По принципу выдувания готовых изделий они не отличаются от экструзионно-выдувных машин. Различается только способ формирования заготовок.

Классификация оборудования

Основной параметр для классификации оборудования – объем выдуваемого изделия. В зависимости от задачи можно подобрать формующую машину для изделий объемом от 0,005 до 500 л. Современное оборудование позволяет получить тару и большего объема при соответствующей корректировке техпроцесса, если это необходимо.

Расположение экструдера – второй учитываемый параметр, характеризующий только экструзионно-выдувное оборудование. В большинстве машин экструдер расположен горизонтально, а кольцевая головка направлена вниз по выходу экструдера. Также можно встретить конструкцию с вертикальным расположением экструдера. Оптимальным в том и другом случае считается экструдер с соотношением длины к диаметру L/D= 16…25.

Режим работы также важен при выборе оборудования. Наибольшее распространение в выдувном формовании получили автоматизированные машины, в которых ручной труд оператора сведен к минимуму.

Конструкция

Оборудование для выдувного формования включает следующие узлы:

• экструдер или узел литья;
• формующую матрицу;
• пневматическую систему для подачи сжатого воздуха;
• система паризон-контроля при экструзии (опционально).

Экструдер

Главным конструктивным элементом оборудования для экструзионно-выдувного формования является экструдер, который и вырабатывает заготовку (паризон) в виде непрерывного рукава с единой толщиной стенок по всей длине (при налаженном технологическом процессе) или отдельные заготовки. Экструзия может протекать параллельно с раздувом или нет, но гомогенизация расплава осуществляется непрерывно в обоих случаях.

Литьевой узел

Литьевой узел инжекционных машин спроектирован по аналогии с ТПА. За один цикл литья производится пластикация и гомогенизация порции расплава, его впрыскивание в форму, охлаждение и извлечение готовой преформы. Литьевой узел может работать параллельно с выдувным узлом или автономно. В первом случае в зону выдува подаются горячие заготовки сразу после отливки, во втором – изготовленные заранее и охлажденные.

Формующая матрица

Формующая матрица (выдувная пресс-форма) предназначена для получения объемных изделий из полимерных заготовок. Именно она определяет размер и конфигурацию будущего изделия. Благодаря наличию у производителя нескольких типов формующих матриц на одном и том же оборудовании можно производить различные типы изделий от бутылок до канистр.

Формы изготавливаются из стали с последующей обработкой внутренней поверхности, что позволяет производить изделия с идеально ровной и четко проработанной внешней поверхностью изделий. Матрица состоит из двух полуформ, внутренняя поверхность которых в точности соответствует конфигурации будущего изделия.

Для разъема формы необходим пневматический или гидравлический привод. Чаще используют именно гидропривод, который контролирует работу всех подвижных узлов оборудования.

Пневматическая система

Основу пневматической системы составляет компрессор. Он может быть масляным и безмасляным, поршневым и винтовым или центробежным.

Для выдува тары из полимерных заготовок используют компрессоры, способные создавать достаточно большое давление. Оптимальный выбор для производства тары ответственного назначения (медицинские, пищевые емкости) – безмасляный компрессор. Однако стоит учитывать его более высокую стоимость и особенности конструкции. Безмасляные компрессоры для выдува используются только поршневые или центробежные. Винтовые безмасляные агрегаты не способны создать достаточное давление воздуха.

Масляные компрессоры поршневого типа позволяют создавать давление заданной величины, они стоят дешевле безмасляных аналогов, меньше изнашиваются и легко поддаются ремонту. Но возможность выброса масла накладывает некоторые ограничения на ассортимент производимой продукции.

Паризон-контроллер (опционально)

Паризон-контроль позволяет получить экструдированную заготовку с единой толщиной стенок по всей длине рукава. Система паризон-контроля оборудована собственным блоком управления, на котором задаются точки контроля толщины рукава. Часто они привязываются к определенной длине рукава. Более универсальное решение – работа паризон-контроллера в тандеме с фотодатчиком, фиксирующем толщину рукава и передающем показания контроллеру в автоматическом режиме.

При наличии паризон-контроля можно производить канистры экстремального веса за кратчайший цикл. Например, можно изготавливать евроканистры весом менее 500 г и объемом 10-15 л за цикл продолжительностью 30 сек. Готовая емкость не будет разрываться и деформироваться на сгибах, а сохранить единый показатель прочности на всех участках.