Термоформование. Материалы, технологии, оборудование
Началом появления современной технологии изготовления листовых и пленочных заготовок можно считать середину сороковых годов XIX века, когда впервые с коммерческими целями методом экструзии стали перерабатывать шеллак и гуттаперчу [2]. А в конце шестидесятых годов того же века был освоен промышленный способ изготовления целлулоида — первого крупнотоннажного термопласта, который почти сто лет широко использовался для производства изделий как промышленного, так и бытового назначения. Целлулоид выпускался в виде блоков, поэтому буквально через два года были созданы специальные гидравлические строгательные станки, с помощью которых из блоков целлулоида нарезались тонкие листы.
Именно это время можно считать временем рождения современного метода пневмовакуумного формования (термоформования), так как в 1870 году двое американцев Уэсли Хэйтт и Чарльз Бэроуз провели первый эксперимент по термоформованию листов из целлулоида. Свернутые в трубку листы они поместили в цилиндрическую перфорированную форму, а затем стали нагнетать в нее пар. В результате нагрева целлулоида и разницы давления снаружи и внутри свитки стали принимать геометрические размеры внутренней поверхности формы. Кроме того, из полученных листов целлулоида практически сразу в металлических формах начали формовать трубы и желоба. Очень быстро целлулоид нашел применение и в производстве бытовых изделий — из него стали формовать сначала лица для кукол, погремушки, небольшие бутылки, а затем и множество других изделий.
Постепенно совершенствовалась технология формования. И к началу тридцатых годов XX века термоформованием были получены изделия, к размерам которых предъявлялись повышенные требования. Так, например, методом термоформования в 1930 году была изготовлена рельефная карта морского побережья США и началось производство первых в истории пластмассовых бутылок. Правда, тогда бутылки изготовлялись из двух половинок, которые потом сваривались между собой. В 1933 году
в массовом порядке формованием стали производить из ПВХ внутренние панели бытовых холодильников.
Впервые термоформование стало использоваться для производства упаковки в конце тридцатых годов XX века, когда была создана технология блистерной упаковки из целлюлозы. Очередной толчок развитию метода формования дало промышленное производство листов из ПММА (оргстекла). Первыми формованными изделиями из этого материала стали элементы остекления кабин различных типов самолетов. За ними последовало формование ветрозащитных стекол разнообразного назначения, например, для мотоциклов, стенок душевых кабин и т. д.
Начиная с середины тридцатых годов прошлого века в мире произошел бурный рост производства различных термопластичных материалов и после окончания Второй мировой войны номенклатура листов и пленок, пригодных для их переработки термоформованием, существенно расширилась. Резко увеличилась и номенклатура формуемых изделий. В середине пятидесятых годов стала впервые
осуществляться упаковка продукции в пленочные материалы. В 1960 году в промышленности стали использоваться автоматические формовочные агрегаты, производящие пачки для сигарет и тару для хранения кубиков льда. Получило развитие двухстороннее формование, осуществляемое на полностью автоматизированных линиях.
Как любая востребованная технология методы термоформования продолжают постоянно совершенствоваться. Так, в самое последнее время при формовании различных упаковок вместо нанесения печатного рисунка все чаще используется технология IML, при которой изготовленная заранее этикетка вставляется специальным роботом в формующий инструмент, а в момент формования заготовки этикетка прочно соединяется со стенкой изделия.
В Советском Союзе зарождение термоформования как промышленного метода производства изделий из пластмасс можно отнести к середине тридцатых годов прошлого века, когда из листов ПММА методом свободного формования стали изготавливать элементы остекления кабин самолетов.
Однако настоящее развитие этот метод получил лишь в конце сороковых — начале пятидесятых годов. После окончания Великой Отечественной войны в нашу страну по репарации было поставлено очень большое количество гидравлических прессов для пластмасс из Германии. Этих прессов было гораздо больше, чем в то время требовалось промышленности для производства изделий из реактопластов.
Многие из них остались невостребованными. В то же время в стране ощущался дефицит оборудования для производства изделий из термопластов.
В этих условиях всех заинтересовало предложение Константина Николаевича Стрельцова о модификации неиспользуемых прессов и производстве на них изделий, формуемых из листовых термопластов. В Стрельне (в то время пригороде Ленинграда) было организовано Особое опытное конструкторское бюро. В короткие сроки под руководством К. Н. Стрельцова была разработана и изготовлена принципиально новая технологическая оснастка, термошкафы для нагрева листовых заготовок, внесены изменения в систему управления прессами. Прессы были установлены на
предприятиях по переработке пластмасс и хорошо себя зарекомендовали. Сам метод получил название «механопневмоформование» и многие годы широко использовался отечественной промышленностью. В начале семидесятых годов Оренбургский завод гидравлических прессов начал серийный выпуск прессов ДБ2430Д, предназначенных для механопневмоформования изделий из листовых пластмасс.
Перу К. Н. Стрельцова принадлежат две очень интересные книги [3, 4], специально посвященные вопросам переработки листовых термопластов.
К началу шестидесятых годов на предприятиях стал ощущаться недостаток оборудования для вакуумного формования и институту УкрНИИпластмаш (г. Киев) было поручено разработать ряд формовочных машин различного назначения (для рельефного декорирования пленки, для производства одноразовых стаканчиков и мелкой тары, для производства внутренних корпусов бытовых холодильников и т. д.).
Задача была успешно решена, опытные образцы машин созданы на опытном заводе института и прошли длительную апробацию в условиях действующих предприятий по переработке пластмасс. Однако до серийного изготовления этих машин дело так и не дошло. Этому препятствовал договор с Венгрией, которая в соответствии с планами существовавшего в то время Совета Экономической Взаимопомощи поставляла в Советский Союз машины для термоформования.
Сразу после стагнации промышленности в начале девяностых годов в нашей стране резко выросла потребность в различной полимерной таре и упаковке, что привело к резкому спросу на формованные изделия. Уже к 2000 году объем производства формованных изделий достиг уровня 1990 года, а в 2008 году, по данным ряда специалистов, он превысил этот показатель примерно в три раза. В настоящее
время только, например, в Москве и Московской области действует более ста предприятий, производящих полимерные изделия методами термоформования.
В предлагаемом издании в едином аспекте рассматриваются вопросы теории и практики переработки листовых и пленочных полимерных материалов в объемные изделия.
Преимуществом методов получения изделий из листов и пленок по сравнению с другими методами производства изделий из пластмасс является меньшая стоимость оборудования, возможность изготовления тонкостенных изделий, высокая степень автоматизации процесса, а также относительно малая стоимость изготовления формующего инструмента и технологической оснастки.
Процессы переработки пластмасс в изделия развились настолько, что многие виды изделий возможно изготовить несколькими способами. Так, например, ряд изделий можно получить как методом литья под давлением, так и термоформованием.
При определении метода изготовления того или иного изделия следует иметь в виду, что применение литья под давлением для производства крупногабаритных изделий неэкономично из-за необходимости использования громоздкого оборудования с узлами смыкания большой единичной мощности и цельнометаллических форм, изготовление которых требует уникального станочного оборудования. Невыгодно применение литьевых машин и при изготовлении изделий небольшими сериями, а также при организации производства тонкостенных изделий.
Наряду с целым рядом достоинств метода формования листовых и пленочных полимеров, следует помнить и его недостатки, к которым в первую очередь относится значительная по сравнению с другими методами переработки разнотолщинность получаемых изделий и недостаточная стабильность размеров деталей, попадающих при эксплуатации в условия повышенных температур. Кроме того, при выборе метода необходимо учитывать, что листы и пленка стоят дороже гранул. Однако в последнее время этот фактор имеет меньшее значение в связи со значительным удешевлением процесса листования термопластов и созданием автоматических линий типа «экструдер — формующий агрегат», «каландр — формующий агрегат» и литьевых машин с приспособлением для формования отлитых заготовок.
Несмотря на то что формование изделий из листовых полимеров является одним из старейших процессов переработки пластмасс, до настоящего времени этот метод, по сравнению с большинством других, остался наименее изученным и не имеющим строгого математического описания.
Мировой опыт производств по переработке пластмасс показывает, что возможности процессов получения изделий из листовых полимерных материалов еще далеко не исчерпаны. Более глубокое изучение физических основ формования, выявление взаимосвязи свойств сырья, технологических параметров и особенностей аппаратурного оформления процесса с качеством готовых изделий позволяет существенно расширить их область применения, заранее, еще на стадии проектирования изделия и разработки технологии процесса формования, прогнозировать те или иные характеристики изделия и направленно их изменять.
В книге отсутствует описание процессов сварки пленочных и листовых материалов, хотя эта технология очень широко используется при получении целого ряда изделий. Сделано это осознанно в связи с тем, что сварка листов и пленок достаточно полно описана как в отечественной, так и в зарубежной литературе. В частности, по этому вопросу можно рекомендовать книги проф. Г. В. Комарова.
ЗАКАЗАТЬ КНИГУ>>>