Термоформование пластика

Что такое термоформование?

Под термоформованием понимается процесс нагревания и формования пластикового листа на пресс-форме. Термоформование может варьироваться по сложности от производимых вручную операций до высокоавтоматизированного крупномасштабного производства.

Почему выбирают термоформование?

Термоформование предлагает технологические преимущества по сравнению с конкурентными процессами, такими как выдувное формование и литье под давлением. Требуется относительно низкое давление формования, и можно экономично изготавливать продукцию больших размеров. Поскольку на формы для термоформования оказывается относительно небольшое давление, их можно изготовить из недорогих материалов. Поэтому и время изготовления пресс-формы очень короткое, что сводит к минимуму время выполнения заказа. Термоформование часто выбирают для изготовления прототипов и демонстрационных деталей из-за низкой стоимости оборудования и инструментов.

Однако по мере увеличения объемов производства такие процессы, как литье под давлением, становятся более экономичными. Ниже приведена таблица, в которой сравнивается примерная стоимость изготовления детали с использованием формования под давлением воздуха (один из видов термоформовки) и литья под давлением.

 

Свойства различных акриловых листов

Литой акриловый лист имеет высокую молекулярную массу, в то время как экструдированный лист акрила имеет гораздо более низкую молекулярную массу. Акрил с более высоким молекулярным весом имеет лучшую термостойкость во время формования, но его труднее формовать из-за его более высокой прочности расплава и упругости. Акрил с более низкой молекулярной массой формируется легче и с большей детализацией, но более чувствителен к дифференциальному нагреву.

Рекомендации по проектированию

При проектировании детали для термоформования необходимо учитывать несколько моментов, чтобы обеспечить успешное формование. Некоторые материалы могут не подходить для определенных применений. Однако небольшие изменения в конструкции детали могут сделать формовку некоторых деталей более осуществимой. Жесткие допуски могут быть выполнены с помощью надлежащего процесса и инструментов. Однако более жесткие допуски делают процесс формовки более дорогим. Имейте в виду, что при термоформовании детали можно получить только с одной стороны. Лист акрила расширяется и сжимается при изменении температуры. Поэтому температура должна быть указана с требуемыми допусками. Углы уклона важно учитывать при проектировании детали. Угол уклона — это степень конусности на боковой стенке пресс-формы, которая облегчает извлечение из пресс-формы. Рекомендуется угол уклона более 5°.

Радиусы могут в значительной степени облегчить формование. Радиусы в данном случае относятся к любым углам детали. Радиусы уменьшают коэффициент вытяжки, обеспечивая более равномерную толщину стенок и уменьшая формованные напряжения.

Глубина вытяжки (H/W), представляющая собой отношение высоты формованной детали к ширине отверстия в ободе, может играть роль в конструкции детали, если наличие формовочного оборудования ограничено. Например, детали с небольшой глубиной вытяжки могут быть сформированы с помощью простых процессов, таких как вакуумное формование или компрессионное формование. Детали с большей глубиной вытяжки требуют многоэтапных процессов, которые позволяют выполнять такую ​​глубокую вытяжку.

Толщина стенки формованной детали зависит от начальной толщины, глубины вытяжки, типа пресс-формы и формы детали. Предварительное растяжение листа перед формованием обеспечивает более равномерную толщину стенки. Чем глубже затяжка, тем тоньше боковые стенки. Ниже приведен рисунок, иллюстрирующий влияние изменения глубины вытяжки (H/D) на толщину стенки.

Конструкция пресс-форм

Материалы пресс-формы

Формы, предназначенные для процесса термоформования, могут быть созданы из различных материалов, начиная от дерева или гипса, и заканчивая алюминием или сталью. Выбор конкретного материала зависит от нескольких факторов, включая количество производимых деталей, требуемое давление и температура. Кроме того, важным критерием при выборе материала является его стоимость. В этом случае под стоимостью понимается не только цена самого материала, но и затраты на изготовление, обслуживание, хранение и другие аспекты работы с ним.

Для изготовления прототипов форм часто используются материалы, такие как дерево, гипс и пластик. Когда речь идет о производстве вывесок, контейнеров или дисплеев, формы обычно делаются именно из этих материалов. Они отличаются низкой стоимостью изготовления, но не обладают долговечностью. Для массового производства, требующего длительного срока службы инструмента, применяются формы из алюминия или стали. Эти материалы относительно просты в изготовлении и характеризуются высокой твердостью поверхности и низким уровнем износа.

Поверхность пресс-формы

Чистота поверхности пресс-формы влияет на качество поверхности формованной детали. Любые царапины или следы от пресс-формы появятся на поверхности детали. Поэтому важно следить за тем, чтобы поверхность формы была гладкой. Тем не менее, сильно отполированная поверхность пресс-формы НЕ рекомендуется, так как воздух может легко попасть между листом и поверхностью пресс-формы, вызывая дефекты на поверхности детали. В некоторых случаях поверхность пресс-формы может быть обработана для включения желаемой текстуры, которая, в свою очередь, отпечатывается на поверхности детали.

Вакуумные отверстия и щели

Включение достаточного количества правильно расположенных и спроектированных вакуумных отверстий необходимо для обеспечения удаления воздуха, находящегося между листом и формой. Диаметр вакуумного отверстия не должен превышать толщину материала. Небольшие отверстия могут привести к неполному формованию, так как потребуется больше времени для удаления захваченного воздуха. Большие отверстия оставляют нежелательные следы на поверхности детали. Вакуумные отверстия необходимо разгрузить обратным сверлением с помощью сверла 1/4”-3/8” в пределах 1-2,5 мм от поверхности формы. Это делает изменение поперечного сечения от вакуумной линии к вакуумному отверстию более постепенным, обеспечивая лучший вакуум. Ниже приведен рисунок, иллюстрирующий типичные просверленные отверстия для вакуума.

Нагрев и охлаждение

Температура формы должна быть достаточно высокой, чтобы предотвратить внезапное охлаждение листа при контакте формы с ним, но достаточно низкой, чтобы избежать чрезмерной усадки детали и излишне длительных производственных циклов. Неравномерность температуры в форме также может вызвать дефекты формовки. В форме можно использовать различные нагревательные элементы, а также систему контроля температуры, чтобы поддерживать нужную температуру пресс-формы. Термопары недороги и должны широко использоваться, поскольку они предоставляют бесценную информацию о процессе формования.

Точность применения температуры и выбор нагревательных элементов для плавления акрилового листа, возможно, является ключевым фактором в процессе термоформования. Важно достичь равномерного и достаточного нагрева с минимальными затратами. Экструдированный акриловый лист более чувствителен к неравномерности нагрева по сравнению с литым акрилом.

Оптимальная температура для формования литого акрила составляет от 165° до 190°С. В то же время, экструдированный акрил требует немного более низкой температуры: от 155° до 165°С.

Выбор самой оптимальной температуры в пределах данного диапазона зависит от того, насколько точный уровень детализации нужен. Детали с высокой степенью детализации должны быть формованы при более высоких температурах в рамках указанного диапазона. Установленная температура относится к той, при которой деталь может быть безопасно извлечена из формы.

Выбор метода нагрева в значительной степени зависит от толщины листа и его предназначения. Тонкий лист можно эффективно нагреть с использованием инфракрасного тепла. Что касается толстых листов и листов, применяемых для деталей с высокими оптическими требованиями, их рекомендуется нагревать с помощью конвекции воздуха.

Линии охлаждения часто используются в пресс-форме для ускорения охлаждения после формирования детали. Линии или каналы охлаждения должны располагаться на расстоянии 4-8 см друг от друга, а диаметр канала должен составлять 10-16 мм. Длина линий охлаждения не должна превышать 40 дюймов, так как охлаждающая жидкость нагревается и теряет эффективность охлаждения, что приводит к различиям в скорости охлаждения в разных местах. Обычно в качестве хладагента выбирают воду, но можно использовать и другие хладагенты.

Другие особенности пресс-форм

Для облегчения извлечения листа из формы можно использовать совместимую смазку для форм. Несовместимые разделительные составы могут воздействовать на лист, вызывая растрескивание.

Выпуклая и вогнутая форма

Существует два основных типа конструкции пресс-формы: выпуклая (позитивная, папа) и вогнутая (негативная, мама). Одна особенность термоформования, о которой следует помнить при выборе типа используемой пресс-формы, заключается в том, что детали могут быть получены только с одной стороны. Еще одно различие между этими двумя конструкциями заключается в том, что в охватываемой форме нижняя часть детали обычно имеет самую толстую и однородную толщину стенок, а обод имеет самые тонкие стенки. У вогнутых форм ободок имеет самые толстые стенки, а дно - самые тонкие. Ниже приведена иллюстрация, показывающая разницу.

Системы вакуума и давления

Для получения хороших результатов при формовании необходимо иметь достаточный вакуум и/или давление воздуха. Плохой вакуум или давление воздуха могут привести к плохой детализации, неполному формованию, сбою формования и плохому качеству поверхности.

Операции термоформования требуют вакуумной вытяжки как можно ближе к 762 мм ртутного столба. Минимальный вакуум 711 мм ртутного столба рекомендуется для большинства операций. Важно убедиться, что выбран правильный насос и расширительный бак, а конструкция и размер расширительного бака и соединений соответствуют требованиям. Некоторые из наиболее распространенных ошибок при проектировании вакуумных систем включают изгибы под углом 90°, длинные трубы, ограничительные клапаны и ограничители потока. Каждое колено 90° снижает вакуум на 30% и должно быть устранено, когда это возможно. Длинные трубы между насосами и пресс-формами также могут стать причиной значительной потери вакуума.

Требования к давлению воздуха зависят от размера камеры давления и типа используемой операции формования. Во всех случаях воздух должен быть очень сухим, с точкой росы -40°C и не содержать масла. Давление до 1 МПа может использоваться в операции формовки под давлением. Обычно давление воздуха не превышает 0,3 МПа. Важно, чтобы давление воздуха медленно и осторожно сбрасывалось из камеры давления. Откачиваемый воздух может быть повторно использован в последующих операциях или использован для охлаждения поверхности формируемой детали после прохождения ее через вихревые трубы.

Предварительная сушка акриловых листов

Предварительная сушка акрила требуется редко. Листы обычно поставляются завернутыми в полиэтилен, что замедляет впитывание влаги. Держите лист упакованным до использования.

Чтобы предотвратить образование пузырей, высушите лист с высоким содержанием воды в сушильном шкафу с принудительной циркуляцией или в вакуумной печи перед нагреванием. Время высыхания зависит от содержания воды и толщины материала. За двадцать четыре часа при температуре 80°C высыхают большинство листов. Чтобы сократить продолжительность цикла формования, предварительно высушите лист в запасной печи и переместите его непосредственно в формовочную печь при температуре 80°C после периода сушки.

Зажим

Важно обеспечить достаточный прижим листа в процессе формовки. Неправильный зажим может привести к выходу листа из зажимной рамы во время формовки, что приведет к неполной формовке или поломке. Можно использовать различные типы зажимов. Обычно используются зажимы с пневматическим приводом. Зубцы или гребни могут быть добавлены к краю зажима для лучшего захвата. Зацепление листа с зажимом должно быть не менее 25 мм, однако при различных настройках зажима может потребоваться большее зацепление.

Система зажима, используемая при термоформовании, должна быть нагрета. Холодные зажимы действуют как теплоотвод и предотвращают растяжение краев, что приводит к ухудшению детализации по краям или сбою формы.

Условия термоформования

Температура формования

Выбор правильной температуры формования в пределах диапазона, как мы уже писали ранее, зависит от желаемого уровня детализации. Чем больше нужно детализации. Тем выше должна быть температура.

Важно, чтобы форма была нагрета до оптимальной рекомендуемой температуры. Недостаточно нагретые пресс-формы вызывают резкое охлаждение детали, что приводит к значительному напряжению. Перегретые формы замедляют процесс охлаждения, влияя на производительность. В следующей таблице показаны типичные условия, используемые для термоформования листов акрила.

Скорость формования

Максимальная скорость формования листа ограничена скоростью, с которой он будет растягиваться без превышения его прочности и разрушения. Минимальная скорость формования должна быть достаточно высокой, чтобы предотвратить заметное охлаждение листа. Сильно пигментированный лист должен формироваться медленнее, чем бесцветный или прозрачный материал.

Чрезмерно высокая скорость формования будет создавать высокие напряжения и вызывать низкую устойчивость к растрескиванию. Для минимизации напряжений используют умеренные скорости формовки и обеспечивают равномерное распределение температуры по поверхности листа и по его толщине.

Для достижения большей «вытяжки» или повышенной четкости необходимы более высокие температуры формования. Для операции «медленной» формовки может потребоваться продолжение инфракрасного нагрева во время формовки детали.

Нагрев листа

Правильный нагрев листа, пожалуй, самая важная часть процесса термоформования. Важно получать достаточное и равномерное тепло при минимальных затратах. Экструдированный лист акрила более чувствителен к неравномерному нагреву, чем литой. Эта разница становится очень очевидной при таких применениях, как свободная продувка, когда неравномерный нагрев листа приводит к образованию неровных куполов.

Процессы нагрева никогда не бывают эффективными на 100%, что означает, что для нагрева листа необходимо подавать больше тепла. Выбор процесса нагрева во многом зависит от толщины листа и области применения. Тонкий лист можно эффективно нагреть с помощью инфракрасного тепла. Толстый лист и листы, используемые для деталей с высокими оптическими требованиями, лучше нагревать с помощью воздушной конвекции.

В следующей таблице приведены характеристики различных методов нагрева.

Принудительный конвекционный нагрев горячим воздухом

Этот метод обычно используется для формования более толстого листа, а также в случаях с очень высокими оптическими требованиями, таких как ветровые стекла самолетов. Если лист должен быть нагрет вертикально, следует использовать достаточное давление зажима, чтобы предотвратить выскальзывание листа из зажима по мере размягчения материала. Вертикальный нагрев, как правило, не рекомендуется для непрерывно изготавливаемых или экструдированных листов, поскольку лист может выпасть из зажимов по мере размягчения. Сотовый литой лист имеет достаточную прочность расплава, чтобы предотвратить его выпадение из зажимов.

Если лист будет нагреваться горизонтально, горизонтальная поверхность должна быть чистой и без дефектов, так как любые дефекты поверхности проявятся на готовой детали. В качестве поверхности для горизонтального нагрева можно использовать чистую стеклянную пластину, покрытую тальком.

Перед нагревом в конвекционной печи убедитесь, что:

• Температуру можно регулировать термостатом в пределах ± 5°C в диапазоне 60-190°С.
• Скорость воздуха по всему листу колеблется в пределах 1-5 м/с.
• Температура в печи равномерна.
• Система зажима оказывает постоянное равномерное давление со всех сторон по мере того, как лист становится мягким.

Как правило, лист следует нагревать в конвекционной печи в течение 1 минуты на каждые 0,2 мм толщины. Ниже приведена таблица с рекомендуемым временем нагрева для различных толщин.

Инфракрасный нагрев

Этот метод нагрева используется для тонкого и среднего листа и является наиболее эффективным методом нагрева. При проектировании горизонтальной системы нагрева можно настроить независимо контролируемые зоны для улучшения контроля и гибкости. В такой конфигурации нагреватели в зонах периметра могут быть настроены на более высокую мощность, чем нагреватели в центральной зоне. Это обеспечит равномерный прогрев листа.

Инфракрасное излучение относится к электромагнитным волнам с длиной волны более 710 нм. Длина волны, при которой лист поглощает больше всего энергии, зависит от материала. Правильный выбор нагревательных элементов и температуры может быть достигнут путем сопоставления пиков в инфракрасном спектре нагревательных элементов с нижними точками на кривой пропускания ИК-излучения листового материала. Ниже приведена диаграмма, показывающая пропускание инфракрасного излучения акрилом.

При нагреве листа акрила кварцевые нагреватели при температуре 600°C являются наиболее эффективными. Можно использовать и другие менее дорогие нагревательные элементы, однако КПД таких нагревателей обычно намного ниже, вплоть до 10%. Обычные металлические ТЭНы и нихромовые открытые спирали являются примерами недорогих элементов, которые относительно быстро окисляются и теряют эффективность.

Инфракрасные панели для термоформования могут изготавливаться из кварцевых излучателей с быстрым нагревом и охлаждением для цикличных процессов, для печей с постоянным нагревом рекомендуется использовать керамические излучатели.

Время нагрева варьируется в зависимости от толщины и типа листа, расстояния до нагревательного элемента, типа нагревателя, эффективности нагрева и желаемой детализации. На приведенной ниже диаграмме показано типичное время нагрева для двухстороннего кварцевого инфракрасного нагрева листов акрила различной толщины (температура нагревателя 600°C, средняя длина волны 3,2 мкм).

Температура

Для успешного формования температура сердцевины листа должна соответствовать рекомендуемому диапазону температур формования. Для тонкого листа передача энергии от нагревательного элемента к поверхности листа является ограничивающим фактором для эффективности и времени нагрева. Так как лучистые обогреватели быстро и эффективно передают тепло поверхности листа, они используются для тонкого листа.

Для более толстого листа ограничивающим фактором является передача тепла от поверхности листа к сердцевине листа. Использование ИК нагревателей для более толстого листа будет подавать избыточное тепло на поверхность, которое не будет достаточно быстро передаваться сердцевине листа. Лист необходимо нагревать в течение более длительного времени, что обычно приводит к образованию пузырей на поверхности. По этой причине воздушная конвекция является предпочтительным методом нагрева более толстых листов.

Нагрев шаблона

Конечную толщину формованной детали можно контролировать, контролируя профиль нагрева на листе. Нагрев участков детали, подвергающихся чрезмерному утончению, до более низких температур уменьшает утонение в этом участке. Проволочная сетка, нарезанная до нужной формы и размера, обычно используется для экранирования тепла и достижения желаемого температурного профиля.

Измерение температуры

Правильный нагрев листа необходим для успешного термоформования. Температура листа должна быть в правильном диапазоне, но также должна быть одинаковой для достижения полных результатов формования. Термопары следует использовать для контроля температуры нагревательных элементов или печей, поскольку они предоставляют важную информацию о нагреве. Термопары должны быть откалиброваны и использоваться близко к тому месту, где будет находиться лист, чтобы получить хорошее измерение температуры.

Быстрый способ измерить температуру листа — использовать инфракрасные устройства для измерения температуры или пирометры. Пирометры просты в использовании, но показывают только температуру поверхности, а НЕ внутреннюю температуру. Пирометры используют коэффициент излучения материала для измерения температуры. Коэффициент излучения — это энергия, излучаемая материалом, по сравнению с энергией, излучаемой черным телом, и зависит от длины волны. Многие пирометры требуют настройки коэффициента излучения перед измерением, чтобы получить более точные значения температуры различных поверхностей. Для акрила следует использовать коэффициент излучения 0,90-0,95. Обратите внимание, что коэффициент излучения материала формы может значительно различаться. Использование пирометра, настроенного на коэффициент излучения акрила, для измерения температуры пресс-формы приведет к вводящим в заблуждение результатам.

Ленты температуры - еще один отличный инструмент для определения температуры листа, но они не так практичны, как пирометры. Температурные ленты представляют собой тонкие ленты с клейкой основой, которые можно приклеивать к поверхности листа для определения температуры листа в этом месте. Температурные ленты предназначены для работы в различных диапазонах температур, поэтому убедитесь, что используются правильные ленты.

Имейте в виду, что температурные ленты оставляют следы в местах их размещения. Температурные ленты идеально подходят для отображения температуры инфракрасных нагревателей, особенно в начале работы. Для этой цели можно использовать лист обрезков с температурными лентами, прикрепленными к различным местам листа. Затем лист можно вставить в секцию нагрева и нагревать в течение желаемого времени. Когда лист удален, температурные ленты покажут температуру, достигнутую в разных местах. Эта информация может быть использована для регулировки мощности нагревателя в различных зонах для получения более равномерного нагрева. 

Охлаждение

После формования охладите деталь до температуры ниже 60–70 °C. Охладите не только поверхность — внутри тоже должно быть прохладно! Обеспечьте равномерное охлаждение со всех сторон, чтобы предотвратить напряжение. Полностью накройте медленно остывающие толстостенные детали войлоком или одеялами, чтобы предотвратить сквозняки.

Не существует эмпирического правила для прогнозирования времени охлаждения внутренней части листа. Факторы включают толщину материала, температуру окружающего воздуха и приток воздуха к детали. Опыт лучший учитель. Вентиляторы иногда используются для ускорения процесса охлаждения. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать дифференциального охлаждения листа, что может привести к ухудшению качества поверхности, короблению и высоким напряжениям при формовании. Некоторые пресс-формы включают линии охлаждения, чтобы облегчить процесс охлаждения. Для получения дополнительной информации см. «Нагрев и охлаждение» в разделе «Конструкция пресс-формы».

При охлаждении лист сжимается из-за теплового расширения/сжатия. Усадка пресс-формы может вызвать напряжение, поэтому лучше всего удалить деталь, как только она достигнет стабильности размеров.

Усадка

Лист акрила дает небольшую усадку при нагревании до температуры термоформования из-за ориентации, заданной во время производства. Чтобы узнать направление производства, посмотрите на этикетку или напечатанную маскировку. Когда вы читаете этикетку, производственное направление сверху вниз.

При производственных операциях, не требующих нагрева, первоначальные размеры не изменятся. Однако лист, нагретый до температуры термоформования, меняет свои размеры.

Максимальная усадка экструдированного листа акрила составляет 3% в направлении изготовления и 0,5% в поперечном направлении (увеличение ширины). Усадка ячеистого литого листа акрила составляет около 1,5% в обоих размерах.

Если лист акрила не удерживается в удерживающей раме, измерьте усадку куска обрезков, а затем определите размер материала, необходимого для компенсации усадки, прежде чем резать какие-либо заготовки.

Важно различать усадку материала из-за производственного процесса и из-за процесса формования. Чтобы предсказать последнее, необходимо провести тестовые испытания. Это поможет сохранить правильную толерантность. Если конструкция детали не включает каких-либо деталей, можно использовать охватываемые пресс-формы для соблюдения допусков, поскольку они предотвращают усадку листа.

ОБРЕЗКА

Термоформованные детали часто необходимо обрезать перед использованием в окончательных приложениях. Некоторые термоформовочные машины имеют встроенную станцию ​​обрезки. Также можно использовать обычные производственные операции, такие как распиловка и фрезерование. Для получения дополнительной информации о механической обработке листов акрила, пожалуйста, обратитесь к нашим техническим описаниям.

ОТЖИГ

Лист подвергается различным напряжениям в процессе термоформования из-за растяжения, формовки и изменения температуры. Индуцированное напряжение в листе делает его более восприимчивым к химическому воздействию. Для определенных применений, например, требующих стерилизации спиртами и другими несовместимыми химическими веществами, напряжение в листе со временем приведет к растрескиванию материала. Одним из способов снятия напряжения при формовании является отжиг конечной детали.

Отжиг — это процесс нагрева листа до достаточно высокой температуры, чтобы позволить молекулам расслабить связи, не влияя на форму конечной детали. Лист акрила можно отжигать при температуре 80°C.

В следующей таблице приведены данные о времени нагрева и охлаждения.

Термоформование акриловых листов играет важную роль в производстве различных изделий. Правильное применение техники нагрева является ключевым фактором для достижения желаемых результатов в процессе формования. Установление оптимальной температуры, равномерное распределение тепла и контроль за нагревом являются неотъемлемыми аспектами этого процесса.

Компания "Полимернагрев" является экспертом в области изготовления инфракрасных панелей для термоформования. Благодаря нашему большому опыту и передовым технологиям мы предлагаем надежные и эффективные решения для достижения идеального нагрева акриловых листов. Наши инфракрасные панели обеспечивают равномерный нагрев, высокую производительность и оптимизацию затрат, что позволяет нашим клиентам достигать высокого качества и точности в процессе термоформования.

Сотрудничество с нами открывает возможности для улучшения производственных процессов и достижения превосходных результатов в области термоформования акриловых листов. Мы гордимся нашей репутацией и стремимся к постоянному развитию, чтобы удовлетворить потребности наших клиентов и превзойти их ожидания в сфере термоформования.