Изготовление упаковки методом термоформования

В карусельной многопозиционной машине использован принцип карусели. Заготовка движется по кругу, последовательно проходя стадии от закрепления, нагрева и формования до охлаждения и съема готового изделия.

Ленточный принцип обычно применяют в тех случаях, когда питание машины осуществляется рулонным материалом. Лента с отформованными изделиями после формовочной машины движется дальше по конвейеру на последующую обработку.

В машинах барабанного типа также используют рулонный материал.

Формовочное оборудование для реализации процессов термоформования часто снабжают дополнительными устройствами: для обрезки кромок, пробивки отверстий, вырубки, предварительной вытяжки и т.д. Такое оборудование может входить в состав технологических линий по производству и заполнению полимерной тары и упаковки.

3          ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССОВ ТЕРМОФОРМОВАНИЯ

Основными технологическими параметрами, определяющими протекание процессов термоформования изделий из плоских полимерных заготовок и влияющими в конечном итоге на качество готовой продукции, являются: температура используемой заготовки, температура формующего инструмента, рабочий перепад давления при формовании, скорость формования, скорость охлаждения отформованной заготовки, геометрия формуемого изделия, свойства используемого полимерного сырья, свойства и термодинамические параметры рабочих сред и др.

Поскольку процессы переработки полимеров в изделия и детали являются, прежде всего, деформационными, то выбор оптимальной температуры для каждого конкретного метода их переработки должен, учитывая его специфику, основываться на особенностях деформационного поведения используемых материалов. Эти особенности легко устанавливают из анализа термомеханической кривой, типичный вид которой для аморфного полимера представлен на рис. 3. Анализ приведённой термомеханической кривой показывает, что для полимерных материалов характерны три ярко выраженные области, определяющие различную степень их деформируемости и соответствующие различным релаксационным (термомеханическим) состояниям полимеров: стеклообразному, высокоэластическому и вязкотекучему.

Рис.3. Термомеханическая кривая аморфного полимера:

ТС – температура стеклования; ТТ – температура текучести; 1, 2, 3 – области стеклообразного, высокоэластического и вязкотекучего релаксационных со- стояний полимера соответственно

Стеклообразное состояние полимеров характеризуется отсутствием движения макромолекулярных цепей или их сегментов. Тепловое движение в материале проявляется лишь в колебаниях атомов. Приложение в таких условиях к полимеру внешней нагрузки может приводить лишь к изменению в его макромолекулярной структуре средних межатомных расстояний и валентных углов химических связей. Поэтому деформационное поведение полимеров в таком состоянии и обычных упругих твёрдых тел ничем не отличается, а развивающиеся в таких условиях в полимерах деформации являются полностью упруго обратимыми.

Если полимерный материал нагреть до температуры, превышающей температуру его стеклования, то он переходит в следующее релаксационное состояние – высокоэластическое, когда появляется подвижность отдельных сегментов макромолекулярной цепи полимера, а материал становится более мягким и эластичным. Однако ещё стабильно существующие в его структуре надмолекулярные образования, например микроблоки, препятствуют относительному смещению молекулярных цепей в целом. Приложение в таком состоянии к полимеру внешней нагрузки приводит к изменению (уменьшению) конфигурационной энтропии состояния макромолекул, которые, "разворачиваясь" из статистического клубка, лишь ориентируются в направлении приложенной нагрузки, при этом тепловое движение звеньев цепи противодействует внешней нагрузке. При снятии нагрузки цепи возвращаются в исходное состояние, а следовательно, высокоэластическая деформация также, как и упругая, является полностью обратимой деформацией, но в отличие от последней имеет энтропийную природу.

При дальнейшем нагревании полимера выше некоторой температуры, называемой температурой текучести, надмолекулярные образования становятся столь нестабильными, что появляется возможность в относительном смещении цепей макромолекул друг относительно друга при приложении к нему внешней нагрузки. Последнее обстоятельство и обеспечивает течение полимерных сред в этом состоянии, при этом деформации течения являются необратимыми, а само состояние полимера называют вязкотекучим. Особо следует отметить, что деформирование полимеров в вязкотекучем релаксационном состоянии вовсе не означает того, что развивающиеся в них деформации являются исключительно деформациями течения.

В зависимости от режимов и кинематики деформирования, реологических свойств полимерных сред в последних, наряду с деформациями течения, развиваются и высокоэластические деформации определённого уровня.

Поскольку все процессы термоформования предусматривают стадию разогрева заготовки, поверхность которой находится в свободном состоянии, то, чтобы заготовка не имела возможности сильно деформироваться на этой технологической стадии под действием гравитационных сил, её разогрев ведут до момента достижения полимером высокоэластического состояния. Нагревание заготовки до вязкотекучего состояния приводит к её достаточно быстрой гравитационной вытяжке (провисанию) и, как следствие, к невозможности реализации стадии формования изделия. С другой стороны, температура фор-муемой заготовки не должна находиться вблизи границы стеклообразного и высокоэластического состояний полимера, поскольку при формовании изделия в этом случае возможна неполная его проформовка. Таким образом, рабочая температура формуемой полимерной заготовки является одним из основных технологических параметров, определяющих реализацию процессов термоформования. В табл.1 приведены ориентировочные температурные режимы, при которых проводят термоформование полимерных изделий из плоских заготовок в промышленности.

Кроме того, следует отметить важность реализации самого процесса разогрева заготовок. Во-первых, этот процесс достаточно длителен и составляет примерно 50-80 процентов общего времени цикла формования изделия. Во-вторых, разогрев заготовок следует вести так, чтобы температура во всех точках их поверхности в любой момент времени была одинакова. Неравномерный разогрев ведет к неравномерному деформированию заготовки в процессе её формования в изделие и образованию складок на поверхности последнего. В результате неравномерного разогрева на поверхности заготовки могут образовываться отдельные перегретые области, а при формовании в этих областях может произойти разрыв заготовки.

Температура формующего инструмента влияет на процесс охлаждения отформованного изделия. Очевидно, что она должна быть ниже температуры стеклования полимера, иначе достаточного охлаждения заготовки не произойдет, и изделие может потерять свою форму. Также очевидно, что чем ниже температура формующего инструмента, тем быстрее охлаждение и выше производительность формовочного оборудования.

Таблица 1.

Но при очень низкой температуре формующего инструмента на поверхности отформованного изделия появляются пятна переохлаждения, и повышается его склонность к короблению.

При пневматических методах формования изделий такие технологические параметры этих процессов, как текущие значения необходимого для их реализации перепада давления, скорости формования (формообразования) изделия, которое определяется временем, и давление сжатого газа, истекающего в рабочую полость, являются взаимосвязанными.

Реализуемый при формовании изделия текущий рабочий перепад давления определяется эластическими характеристиками полимерного материала, толщиной стенки исходной заготовки, а также развивающимися в процессе её формования в изделие эластическими деформациями. Использование "жестких" полимерных материалов или исходных заготовок, имеющих относительно большую толщину, требует создания и относительно больших перепадов давления, обеспечивающих достаточную проформовку изделия.

При "мягком" материале или тонкостенных заготовках создание высоких скоростей их деформирования может приводить к механическому разрушению (разрыву) последних в процессе формования изделий.

При реализации процессов пневмоформования в замкнутую рабочую полость, как минимум одной из поверхностей которой является поверхность плоской заготовки с находящимся там исходным газом, подают рабочую (сжатую) газовую среду, которая, в общем случае, может и не быть идентична исходной газовой среде. На практике, как правило, исходная и рабочая газовые среды идентичны.

На основании изложенного нетрудно уяснить, что время формообразования изделия определяется не только рабочим перепадом давления, который, в общем случае, зависит от свойств перерабатываемого материала, геометрических параметров исходной заготовки и формуемого изделия, термодинамических параметров используемых газовых сред, а также некоторых конструктивных параметров применяемого оборудования и пневмокоммуникационных систем. Максимально допустимое время формообразования изделия определяется остыванием заготовки в процессе её деформирования: температура заготовки не должна успеть снизиться до такого уровня, при котором проформовка изделия станет невозможной. Минимальное время формообразования изделия определяется предельно возможными скоростями деформации заготовки, при которых может наступить разрыв материала.

При реализации процессов вакуум-формования (рис.1) из замкнутой рабочей камеры вакуумформовочной машины с установленной в ней на подвижном столе формующей оснасткой эвакуируют находящуюся там газовую среду, создавая, таким образом, перепад давления между наружной и внутренней поверхностями плоской заготовки.

Последняя, деформируясь под действием возникшей движущей силы, входит в контакт с формообразующими поверхностями формующего инструмента (матриц, пуансонов и т.п.), что и обеспечивает реализацию процесса формообразования изделия. Как и при пневмоформовании, скорость деформирования заготовок при вакуумном их формовании зависит от времени формообразования изделия.

Во-первых, следует отметить, что не во всех случаях вакуум-формовочное оборудование способно обеспечить стабильное удержание создаваемого в рабочей камере разряжения (а следовательно, и перепада давления) в процессе формования изделий. Известно, что стабильное удержание создаваемого разряжения возможно только в тех случаях, когда объём ресивера, куда эвакуируется газ из рабочей камеры, превосходит его исходный объём не менее, чем в восемь раз.

Во-вторых, если при естественных (атмосферных) условиях, указанное условие реализации процесса вакуумформования не выполняется, то необходимо прибегнуть к комбинированному - пневмовакуумному методу его формования, для чего необходимо создать в рабочей камере оборудования и над внешней поверхностью заготовки исходное избыточное давление.

С учётом изложенного нетрудно уяснить, что технологическое время формообразования изделий из плоских заготовок при вакуумном методе их производства зависит не только от свойств перерабатываемых полимерных материалов, геометрических параметров используемых заготовок и формуемых изделий, термодинамических параметров газовых рабочих сред, но также существенным образом определяется и некоторыми конструктивными параметрами применяемого оборудования и формующего инструмента.

При реализации процессов механотермоформования (рис.2) время формообразования изделия (а следовательно, и скорость деформирования заготовки) определяется скоростью перемещения формующего инструмента 4, при этом оптимальный выбор последней обусловлен теми же проблемами, которые характерны и для других, рассмотренных ранее, методов формования.

Как уже отмечалось, скорость охлаждения отформованных изделий, определяемая временем их охлаждения в известном интервале температур, влияет на величину остаточных напряжений в материале. Относительно быстрое охлаждение отформованного изделия снижает время цикла его производства, но приводит к «замораживанию» остаточных напряжений в материале, в результате чего изделие имеет малую формоустойчивость при эксплуатации. При относительно медленном охлаждении остаточные напряжения частично релаксируют, повышая формоустойчивость изделия, но при этом возрастает время цикла производства последнего.

Известно, что полимерные материалы обладают относительно низкой теплопроводностью. Поэтому эффективность охлаждения отформованных изделий существенным образом зависит от реализуемых на практике условий переноса теплоты от охлаждаемого полимерного материала к охлаждающей среде.