Tvarování
Popis technologie tvarování • Tvarování je výrobní postup, při němž polotovar mění tvar bez poškození celistvosti a bez většího přemísťování částic hmoty • Proces probíhá obvykle zatepla (mezi teplotami Tg a m, Tt) • Polotovar - fólie, deska nebo trubka • výhradně termoplasty (např. PVC, PE, PP, PS, PMMA aj.) • Rozsah tvarových změn omezen (na rozdíl od tváření, které umožňuje jakoukoli změnu tvaru)
Technologický postup • • • • • • •
Nařezání polotovarů Upnutí do formy – např. pneumatické Ohřev desky – většinou sálavým teplem Vytvarování Zchládnutí úprava – ořezání či vyseknutí Navinutí zbytku folie a stohování výrobků
Typy tvarování • mechanické, podtlakové a přetlakové • mechanické tvarování - změna tvaru polotovaru přímým působením formy nebo jiného vhodného nástroje • přetlakové tvarování - tvar polotovaru se změní působením tlakového média (nejčastěji vzduchu) • podtlakové tvarování - změna tvaru účinkem sníženého tlaku • vzájemné kombinace
Tvarovatelnost • Vhodnost materiálů pro tvarování - podle jejich tvarovatelnosti, tj. schopnosti materiálu dosáhnout v daných podmínkách žádaného tvaru a uchovat tento tvar při používání • Tvarovatelnost lze odvozovat od mechanických vlastností polymerů (např. od meze pevnosti v tahu, tažhosti) a zejména pak od závislosti těchto vlastností na teplotě • Vzhledem k různému průběhu závislosti mechanických vlastností na teplotě je tvarovatelnost odlišná pro amorfní polymery (např. PVC, PS, ABS, hPS, PMMA) a krystalické polymery (např. rPE, IPE, PP)
Možnosti tvarování • Amorfní polymery - jak pod teplotou skelného přechodu (Tg), tak i nad ní • Při teplotách pod Tg - rozsah tvarování malý, nutná velká tvarovací síla • V materiálu zůstává velké vnitřní pnutí • Někdy v místě tvarování vzniká bílé zbarvení - tvorba mikrotrhlinek • tvarová paměť materiálu - při novém ohřevu nad tvarovací teplotu má materiál tendenci vrátit se do původního tvaru • krystalické polymery - tvarovací teplota blízko Tm • další faktory - rychlost tvarování, tvarovací tlak, teplota formy, typ polymeru, některé přísady v polymeru apod.
Rychlost tvarování • Tvarování probíhá ve studené formě • Rychlost tvarování - taková, aby během tvarovacího procesu nepoklesla teplota ohřátého polotovaru pod hodnotu Tg a nenarušila se celistvost polotovaru • Teplota plastu během fáze tvarování konstantní – tedy volena nejvyšší rychlost tvarování, jakou plast dovolí • Při tvarování v kovových formách - rychlost tvarování větší než ve formách z tepelně málo vodivého materiálu (dřeva, vrstvených hmot, licích pryskyřic apod.)
Tvarovací tlak • Velikost tvarovacího tlaku - závisí na tvarovací teplotě, složitosti výrobku a na způsobu tvarování • Složitější výrobky - vyšší tlak než výrobky jednoduché • U mechanického tvarování - tvarovací tlak až 10 MPa • Vysoké tvarovací tlaky jsou však nevýhodné - velké vnitřní pnutí zhoršená tvarová a rozměrová stabilita • U přetlakového tvarování - tlak vzduchu mezi 0,4 až 0,6 MPa • Při podtlakovém tvarování - tlak nižší než 0,1 MPa
Ohřev polotovarů • Nutné ohřátí rovnoměrně po celé ploše, v celé tloušťce a v co nejkratší době • Tenké fólie - přímo ve tvarovacím stroji sálavým teplem (nejčastěji infračervenými zářiči) • Většinou jednostranný ohřev • Pro tlustší polotovary - ohřev oboustranný, popř. se polotovary předehřívají mimo tvarovací stroj • Oboustranný ohřev - rychlejší a rovnoměrnější ohřev
Formy pro tvarování • Vlastní tvarování – formách z oceli, lehkých kovů, dřeva, sádry, licích pryskyřic, vrstvených hmot • Pro velké série výrobků - kovové formy -, dostatečně dlouhá životnost, možnost temperace na potřebnou teplotu • Pro vyšší tvarovací tlaky - z oceli • pro nižší tlaky z lehkých kovů nebo jejich slitin • Ostatní materiály - tehdy, když nepožadujeme dlouhou životnost formy a když se polotovary tvarují při relativně nízkém tlaku
• Musí být opatřeny odsávacími otvory • Dostatečný počet i správný průměr • Formy jednonásobné či vícenásobné • Levnější než vstřikovací, jednodušší výrobky • Tvarovací stroje levné a jednoduché
Výběr druhu materiálu • Folie – do 1 mm, nad – desky Desky: • hladký povrch, lesklý nebo matný • Nesmí obsahovat vzduchové bublinky • Musí být stejná tloušťka po celé ploše • Povrch odolný proti přehřívání a degradaci
Tvar a vhodnost výrobků • Vycházíme z plošného útvaru – nelze rozdílné tloušťky stěn, kompaktní žebra, zálisky • Výhodné pro kelímky, krabice, lůžka na bonbony – tenká stěna 0,4 mm, vstřikováním nelze • Pro velkoplošné výrobky s tloušťkou 10-15 mm • Krátké časy • Hlavní pozornost při navrhování – zešikmení bočních stěn(vyjímání), zaoblení hran a rohů, vyztužení okrajů, bočních stěn a dna, na tloušťku stěny
Negativní tvarování • Nejjednodušší • Pracuje se jen s podtlakem (popř. popř. kombinace s přetlakem) • Tvarovací forma s dutinou ve tvaru výrobku • Jen mělké výrobky (výška max. 0,4 průměru) • Výhoda – jednoduchost a krátký pracovní cyklus • Kvalitnější vnější povrch
Schéma negativního tvarování 1 - upínací rám 2 — fólie 3 — výrobek 4 — odsávací kanálky 5 — k vývěvě
Postup negativního tvarování
Pozitivní tvarování • Na formu • Hloubka tažení H/D =1 • Výrobky s nejtlustším dnem • Kvalitní vnitřní povrch
Schéma pozitivního tvarování 1 - upínací rám 2 — fólie 3 — výrobek 4 — odsávací kanálky 5 — k vývěvě
Postup pozitivního tvarování
Přetlakové tvarování • K tvarování zvlášt‘ tlustých desek nebo plastů se špatnou tvarovatelností, kde nestačí síla vyvozená vakuem • Rám s plastovou deskou je pevně spojen s uzavřenou komorou • Do zplastikované desky se nejdříve zatlačí pozitivní forma, která neprodyšně dosedne na rám z druhé strany • přivedeme stlačený vzduch o tlaku 1 až 2 MPa, který z vnější strany přitlačuje desku k formě • Dokonalé vytvarování je zajištěno současným vytvořením vakua v prostoru mezi deskou a formou
Schéma přetlakového tvarování
Kombinované postupy • Negativní tvarování s předtvarováním
Pozitivní způsob s pneumatickým předtvarováním • první operace po zahřátí desky - předtvarování pomocí stlačeného vzduchu • Deska se po zahřátí na tvarovací teplotu nejprve vyfoukne do tvaru „bubliny“ , a protože je tvarována na vzduchu, ztenčuje se rovnoměrně • Stupeň předtvarování se řídí množstvím, tlakem a teplotou vzduchu. Ta může dosahovat teploty zahřátého plastu • Do vytvořené bubliny se zespoda vtlačí pozitivní forma (C), přičemž je ještě možné další předtvarování desky mechanickým způsobem
• Přesný tvar získá výtažek po aplikaci vakua • H/D větším než 2 • tloušťka stěny velmi rovnoměrná, a to i v rozích • Nevýhoda - dražší zařízení, které musí pracovat automaticky, aby jednotlivé operace na sebe navazovaly podle předem ověřeného programu • kapacita zařízení nižší v důsledku většího počtu technologických operací • Nevýhody vyváženy vyšší kvalitou výtažků
Pozitivní způsob s pneumatickým předtvarováním
tvarování s pneumatickým a mechanickým předtvarováním • u zvlášť hlubokých výtažků s poměrem H/D větším než 2 • Deska upnutá do rámu negativní formy se nejprve předtvaruje • vyfouknutím do tvaru bubliny, do níž se z vnější strany vtlačí mechanický tvárník, který bublinu přetáhne směrem do dutiny formy • Konečný tvar získá výtažek zapojením vakua • pro výrobu výtažků se zdvojenými stěnami - v pozitivněnegativní formě, funkční části - jak vnější povrch tvárníku, tak vnitřní povrch dutiny
• Forma se nejdříve pohybem vzhůru vtlačí do vyfouknuté desky, nato se střední část bubliny přetlačí předtvárníkem do negativní části formy • Tvarování se opět dokončí využitím vakua • Celý proces musí být automatizován, teplota nejen plastu, ale i vzduchu, formy a předtvárníku musí být přesně regulovány • Výtažky tohoto typu patří k vrcholným výrobkům svého druhu. Podle tvaru výtažku totiž činí konečná tloušťka stěny vzhledem k původní desce jen 20 %. Použitý plast proto musí vykazovat obzvláště vysokou tažnost
Postup tvarování s pneumatickým a mechanickým předtvarováním
Kombinované pozitivněnegativní tvarování s pneumatickým a mechanickým předtvarováním
Kontinuální tvarování • • • • • • • • • • • •
Výtažky menších rozměrů, např. kelímky a misky na potraviny nebo pohárky na nápoje, které se vyrábějí ve velkém množství - kontinuální tvarování Odvíjení plastové fólie nebo desky v podobě nekonečného pásu ze zásobního bubnu Předehřev a posun na otáčející se buben, na jehož povrchu jsou umístěny tvarovací formy Buben rozdělen na několik sekcí - v první se dokončí ohřev plastu na tvarovací teplotu v další proběhne tvarování, jemuž v případě potřeby předchází předtvarování ochlazení proudem vzduchu odstřižení od zbytku desky Vnitřek bubnu zároveň zásobník vakua Tvarovaná deska na povrchu bubnu přidržována rovněž podtlakem. vysoké výkony - až několik tisíc kusů za hodinu Tvarovací zařízení zařaditelné do linky navazující bezprostředně na výrobu fólie, např. válcováním, čímž se ušetří značná část energie na nový ohřev materiálu. Také technologický odpad, kterým jsou zbytky fólie po oddělení výtažků, se může hned vracet do válcovacího zařízení a vyrábět z něj novou fólii
Schéma kontinuálního tvarování
a - role folie, b- vakuový buben s tvárnicemi, c - infračervený ohřev, d - chlazení, e - odtah vytvarovaného pásu; R,‘ R2 vodicí válečky
Zhodnocení tvarování • Tvarování - předměty o ploše až 10 m2, zatímco vstřikování max. ploše 1 m2. (Přidržovací síla dnešních největších vstřikovacích strojů je 50 MN, což při vstřikovacím tlaku 50 MPa umožňuje výstřik max. o ploše 1 m2.) • Vstřikování je omezeno minimální tloušťkou stěny (tokové vlastnosti daného polymeru) • Například pro houževnatý polystyren při tokové dráze 500 mm je minimální tloušťka stěny 2 mm. Při tvarování lze použít fólie o výchozí tloušťce 0,1 mm v podstatě na libovolné ploše • Vstřikování umožňuje získat výrobky s různou tloušťkou stěny, se zálisky, otvory apod. Výstřiky mají větší povrchový lesk a jsou přesnější (v průměru 0,05 mm proti 0,5 mm při tvarování) • Nevýhoda tvarování - nutnost nákupu desek nebo fólií (1,5 až 2krát dražších než granulát) a nutnost zpracování odpadu (až 50 %) některé závody mají vlastní linku na vytlačování desek, která vyrábí desky pro tvarování, a kromě toho se přímo v závodě zpracovává odpad
• Cena vstřikovacího stroje - zhruba 10krát větší než cena stroje na tvarování, přičemž spotřeba energie je cca 4krát větší. V ceně tvarovacího stroje není zahrnuta cena řezacího zařízení, osekávacího zařízení, cena mlýnu na drcení odpadu apod. • Souhrnem - tvarování se prosazuje především v malosériové výrobě plochých výlisků, kde se výhodně projeví nízká cena formy • často jediným řešením při výrobě velkoplošných výlisků • Naopak výrazně se prosazuje při velkovýrobě menších tenkostěnných výrobků (pohárků, obalů apod.), zvláště když v závodě lze bezprostředně zpracovávat i odpad • Duté předměty, zejména lahve, nemají jinou možnost výroby, než právě vyfukování
Výtlačné vyfukování
• Výhoda – jednoduché, levné • Nevýhoda – malá rozměrová přesnost, malá tvarová přesnost (hrdlo), velký odpad při uzavření parizonu do formy, vzniká svár na dně • Zařízení: vytlačovací stroj s příčnou vytlačovací hlavou • Jednotka pro vyfouknutí (zavírací a vyfukovací mechanismus, forma)
Postup výroby dutých těles vyfukováním parizonu
Princip regulace tloušťky stěn parizonu při vytlačování – axiálně posuvným trnem
• Pro farmacii, kosmetiku, potravinářství, chemii apod. – nestačí jeden polymer vícevrstvé výrobky (lesk, malou propustnost pro plyny a páry, malou propustnost pro aromatické látky a tvarovou stálost) • kombinace dvou až tří typů materiálů, tj. nosný materiál, spojovací prostředek, bariérová vrstva • dva až tři vytlačovací stroje a společná hlava
• polystyren na lehčené výrobky - prodej horkých nápojů v automatech, nádoby pro přepravu jídel apod.
Vstřikovací vyfukování
• Výhody – výrobky s členitým tvarem, PETky, dobrá rozměrová i tvarová stálost, přesnost hrdla • Nevýhody – dražší • Zařízení – vstřikovací stroj a vyfukovací jednotka • Lze oddělit proces vstříknutí parizonu a jeho rozfouknutí
Princip vstřikovacího vyfukování
Á - průběh vstřikování, B - průběh vyfukování
Možnosti vytlačovaných parizonů
Vyfukování velkoplošných výrobků
1 - hlava vytlačovacího stroje, 2 přepravní kruhová drážka, 3 - zásobní válec, 4 - přetlačovací píst, 5 - kruhová drážka trnu
