Termoformowanie tworzyw sztucznych – metody negatywowe i pozytywowego

Termoformowanie tworzyw sztucznych Adobe Stock – Aleksei
7.11.2022

Termoformowanie jest najstarszym i najtańszym sposobem przetwarzania tworzyw termoplastycznych. Procesem technologicznym, podczas którego z płaskich folii lub płyt – podgrzanych wstępnie do określonej temperatury, charakterystycznej dla danego tworzywa – formuje się produkty o określonych kształtach.

W wyniku równomiernego nagrzania folii lub płyt z tworzywa sztucznego (powyżej temperatury mięknienia dla tworzyw bezpostaciowych lub temperatury topnienia krystalitów dla tworzyw częściowo krystalicznych) – które mocuje się w specjalnej ramie napinającej – pod wpływem ciśnienia zewnętrznego następuje ich odkształcenie odwzorowujące kształt formy. Pod wpływem naprężeń tworzywo odkształca się, a następnie stan tego odkształcenia jest utrwalany podczas chłodzenia.

Cechy tworzywa stosowanego w termoformowaniu

Tworzywa sztuczne, które wykorzystuje się do termoformowania, powinny spełniać następujące wymagania: 

  • mieć szeroki zakres temperatur, w którym możliwe jest termoformowanie;
  • umożliwiać uzyskanie odpowiedniej głębokości formowania: H/D (stosunek wysokości formowania do średnicy);
  • dobrze płynąć, dokładnie wypełniać zagłębienie i układać się na krawędziach form;
  • charakteryzować się jednorodnością materiału w całym przekroju (bez pęcherzy), wtrąceń, dziur, mieć lśniącą powierzchnię i stałą grubość;
  • ulegać pod wpływem ogrzewania całkowitemu i równomiernemu zmiękczaniu, aby można było formować wyroby przy nadciśnieniach lub różnicy ciśnień rzędu 1 bara;
  • mieć odpowiednią wytrzymałość cieplną, aby powierzchnia nagrzewanego materiału nie ulegała uszkodzeniu termicznemu podczas nagrzewania;
  • zachować kształt po formowaniu i wytrzymałość wynikającą z cech materiału wyjściowego.

Odmiany termoformowania

Podczas procesu termoformowania tylko jedna strona obrabianego materiału ma kontakt z formą. Zależnie od tego, z której strony płyta/folia ma kontakt z formą, mówimy o termoformowaniu negatywowym lub pozytywowym.

Podczas formowania negatywowego kontakt z formą ma zewnętrzna strona wypraski i to ona jest dokładnie odwzorowana na ścianie folii/płyty. Z kolei w przypadku formowania pozytywowego wnętrze wypraski jest dokładnym odwzorowaniem kształtu formy, ponieważ to ta strona ma z nią kontakt. 

Ze względu na sposób podawanego ciśnienia na formowany arkusz wyróżniamy 2 metody termoformowania:

  • formowanie próżniowe (podciśnieniowe) – odbywa się przez wymuszenie odkształcenia arkusza płyty lub formy przy pomocy próżni, 
  • formowanie ciśnieniowe (nadciśnieniowe) – w nim podciśnienie zastępowane jest przez sprężone powietrze.

Zarówno formowanie próżniowe, jak i ciśnieniowe może odbywać się w formach negatywowych i pozytywowych, bez wstępnego rozciągania i ze wstępnym rozciąganiem.

Formowanie negatywowe (bez wstępnego rozciągania)

W procesie termoformowania negatywowego tworzywo umieszcza się na wklęsłej formie (negatywowej) (3) i przyciska ramą (5), przez uszczelkę gumową (4). Powietrze znajdujące się między tworzywem a powierzchnią formy, po ogrzaniu tworzywa, zostaje wyssane przez kanały (2), wskutek czego ciśnienie atmosferyczne wtłacza materiał do formy. Po upływie czasu, zależnego od grubości warstwy tworzywa, zestala się i może być wyjęte z formy w nadanym przez nią kształcie.

Ocenę możliwości stosowania tej metody można przedstawić na podstawie tzw. Współczynnika głębokości formowania H/D (gdzie H – głębokość formy, D – średnica formy). Współczynnik głębokości formowania zależy od grubości początkowej materiału. Praktyka wykazała, że dla formowania negatywowego optymalny jest stosunek H/D = 0,4.

 Formowanie negatywowe bez wstępnego rozciągania
Ilustracja 1. Formowanie negatywowe bez wstępnego rozciągania

Zasada ta może być traktowana jedynie jako podstawa projektowania wyrobów otrzymywanych metodą formowania próżniowego. W poszczególnych przypadkach głębokość formowania będzie zależała od wielu czynników, np. kształtu wyrobu, tworzywa, konstrukcji formy itd.

Formowanie negatywowe (ze wstępnym rozciąganiem)

Poza przedstawioną powyżej metodą termoformowania negatywowego istnieją jej odmiany, których stosowanie ma na celu poprawę rozkładu grubości ścianek w wyrobach.

a) ze wstępnym rozciąganiem mechanicznym

Kiedy głębokość formowania przekracza 0,5 średnicy formy, przeprowadza się ją metodą negatywową z mechanicznym rozciąganiem. Po ogrzaniu folii do odpowiedniej temperatury uruchamia się stempel, który wciska ogrzany materiał do formy. Kiedy stempel osiągnie najniższe położenie, włącza się próżnię.

Metodę negatywową z rozciąganiem mechanicznym stosuje się głównie w formach wielokrotnych. Średnica stempla rozciągającego wynosi 0,7 średnicy formowanego przedmiotu, a głębokość wejścia do formy – 0,7 głębokości formowania.

Formowanie negatywowe z rozciąganiem mechanicznym
Ilustracja 2. Formowanie negatywowe z rozciąganiem mechanicznym

b) ze wstępnym rozciąganiem pneumatycznym

Do głębokiego formowania dużych i małych przedmiotów o stosunkowo małym promieniu krawędzi stosuje się metodę formowania ze wstępnym rozciąganiem pneumatycznym. Pozwala ona uzyskać ścianki o prawie jednakowej grubości.

Przeznaczoną do formowania płytę lub folię umieszcza się w rampie napinającej. Poniżej niej znajduje się forma, a powyżej – ogrzany stempel. Kiedy folia zostanie ogrzana do właściwej temperatury, rama napinająca jest opuszczana trochę poniżej górnej krawędzi formy.

Od dołu jest wprowadzane sprężone powietrze, które wydmuchuje folię do góry, rozpoczynając jej wstępne rozciąganie. Prawie równocześnie na wydmuchaną folię opuszcza się ogrzany stempel. Po jego całkowitym opuszczeniu zostaje przerwany dostęp powietrza, a włącza się próżnia.

Formowanie pozytywowe (bez wstępnego rozciągania)

W procesie termoformowania pozytywowego forma ma kształt wypukły. Proces może przebiegać w formie nieruchomej, co prowadzi do powstania największych przecienień w górnej otwartej części wyrobu.

Zasada formowania pozytywowego
Ilustracja 3. Zasada formowania pozytywowego. Punkty A,B,C oznaczają charakterystyczne miejsca zmian grubości ścianki. Na uformowanie odcinka AC zużywa się odcinek BA.

W procesie pozytywowego formowania oziębia się najpierw część folii, która tworzy dno wypraski, dlatego może być wyciągnięta tylko w niewielkim stopniu. Tego rodzaju formowanie ma jeszcze jedną niedogodność, która w przypadku produkcji masowej jest jednoczenie zagadnieniem ekonomicznym. Mianowicie ta metoda wymaga przestrzegania znacznych odstępów między poszczególnymi formami.

Formowanie pozytywowe (ze wstępnym rozciąganiem)

a) z mechanicznym rozciąganiem

Formatowanie pozytywowe z mechanicznym rozciąganiem folii
Ilustracja 4. Formatowanie pozytywowe z mechanicznym rozciąganiem folii 

W nieruchomej ramie (1), ilustracja powyżej,  umocowana jest folia (2), w którą po ogrzaniu wtłaczana jest forma pozytywowa (3). Przy tym obydwie części (rama i forma) po złączeniu przylegają do siebie szczelnie i nie przepuszczają powietrza. Bezpośrednio po mechanicznym rozciągnięciu folii włącza się próżnię, co powoduje usunięcie kanałami (4) powietrza, które znajduje się między formą a folią. Ostatnim etapem jest oziębienie folii.

Metoda „Snack-back”

Odmianą metody pozytywowej jest również metoda „Snap-back”, której zasadę przedstawiono na ilustracji 5. Nagrzany arkusz jest powoli wciągany do komory próżniowej. Przez opuszczenie formy spełniającej rolę tłoka następuje zamknięcie przestrzeni między formą a arkuszem, skąd następnie usuwa się powietrze. Równocześnie lekkie nadciśnienie w komorze ułatwia proces formowania.

Formatowanie pozytywowe – Metoda Snap-back
Ilustracja 5. Formatowanie pozytywowe – Metoda Snap-back

Podczas termoformowania negatywowego należy wziąć pod uwagę, że:

  • powstaje gruba krawędź (kołnierz),
  • grubość ścianek wokół kołnierza jest równa,
  • powstają cienkie rogi,
  • łatwy jest demontaż form o pojedynczych obszarach formowania,
  • formy negatywowe są zazwyczaj droższe w produkcji niż formy pozytywowe.

Podczas termoformowania pozytywowego należy wziąć pod uwagę, że:

  • powstają tzw. szczypanki, kiedy stosujemy prostokątne formy (szczególnie jeżeli odległość między ramą zaciskową a formą jest duża),
  • na rogach powstają „chłodne ślady”,
  • powstają odpady produkcyjne w postaci obrzeży, a także nierównomierna grubość ścianek (z reguły pocienienie ścianek bocznych i na kołnierzu),
  • występują trudności z wysuwaniem wypraski z formy, które są spowodowane zbyt małym kątem (fazą) nachylenia ścianki,
  • pojawiają się zbyt płytkie (niedoformowane) obszary między zagłębieniami kilkuobszarowych wyprasek, których wyeliminowanie jest możliwa tylko przy użyciu dodatkowej ramy podtrzymującej, 
  • formy pozytywowe są zazwyczaj tańsze w produkcji niż formy negatywowe.
Artykuł ukazał się w czasopiśmie

O Autorze

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę