Производство изделий из листовых материалов

     ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

     ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

     ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 

     «Казанский  Национальный Исследовательский Технологический  Университет» 

     Кафедра ХТВМС 
 
 

Производство  изделий из листовых материалов 
 
 
 
 
 
 
 

     Иванов  Игорь Олегович

     гр.1181-62 
 
 
 
 
 
 

Казань 2011

 ВВЕДЕНИЕ

Полимерные  молекулы представляют собой обширный класс соединений, основными отличительными характеристиками которых являются большая молекулярная масса и  высокая конформационная гибкость цепи. Можно с уверенностью сказать, что и все характеристические свойства таких молекул, а также  связанные с этими свойствами возможности их применения обусловлены  вышеуказанными особенностями.

Первый опыт формования объемных изделий из листовых заготовок  человечество получило много-много  веков назад . В Египте и Микронезии емкости для пищевых продуктов изготовлялись из пластин, вырезанных из панциря черепахи (кератина). Пластины при нагревании в горячем масле становились пластичными, и им придавалась необходимая форма. Еще одной предтечей современных методов формования можно считать метод формования коры деревьев (натуральной целлюлозы), который использовали американские индейцы и жители Микронезии. Пластины, сделанные из коры деревьев, нагревались в горячей воде и, после придания им необходимой формы, использовались при строительстве каноэ.

Началом появления  современной технологии изготовления листовых и пле-

ночных заготовок  можно считать середину сороковых  годов XIX в., когда впервые с коммерческими  целями методом экструзии стали  перерабатывать шеллак и гуттаперчу. 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)

Впервые термоформование  стало использоваться для производства упаковки в конце тридцатых годов XX в., когда была создана технология блистерной упаковки из целлюлозы.

Несмотря на большую  историю и значительную распространенность переработки термопластичных листов и пленок в объемные изделия, как  только в наше время не называют этот процесс. Кто-то называет его «вторичным формованием», кто-то «штамповкой», широко распространен термин «термоформование», многие, вне зависимости от используемого  в процессе получения изделий  давления, называют процесс «вакуумным формованием», многие «пневмоформованием» — всех названий и не перечислишь.

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. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание

КАЛАНДРОВАНИЕ

ФОРМОВАНИЕ  ЛИСТОВЫХ ТЕРМОПЛАСТОВ

ОТЛИВКА ПЛЕНОК

ПНЕВМОФОРМОВАНИЕ

ЭКСТРУЗИЯ

Технология  изготовления изделий  из термопластов

\

КАЛАНДРОВАНИЕ

      Процесс каландрования обычно применяют  для производства непрерывных пленок и листов. Основной частью аппарата (рис.1) для каландрования является комплект гладко отполированных металлических валков, вращающихся в противоположных направлениях, и устройство для точного регулирования зазора между ними. Зазор между валками определяет толщину каландрованного листа. Полимерный компаунд подается на горячие валки, а лист, поступающий с этих валков, охлаждается при прохождении через холодные валки. На последнем этапе листы сматываются в рулоны, как показано на рис.1. Однако если вместо листов требуется получить тонкие полимерные пленки, применяют серию валков с постепенно уменьшающимся зазором между ними. Обычно в листы каландруют такие полимеры, как поливинилхлорид, полиэтилен, каучук и сополимер бутадиена, стирола и акрилонитрила.  

Рис. 1. Схема аппарата для каландрования

 / —  полимерный компаунд; 2 — каландровочные  валки: горячие (3) и холодный (4); 5 — каландрованный лист; б — направляющие валки; 7 — сматывающее устройство 

При использовании  в каландровочной машине профилированных  валков можно получать тисненые листы  различных рисунков. Различные декоративные эффекты, такие, как имитация под мрамор, могут быть достигнуты путем введения в каландр смеси компаундов различных цветов. Технология обработки под мрамор обычно используется в производстве плиток для пола из поливинилхлорида. 
 
 

ФОРМОВАНИЕ  ЛИСТОВЫХ ТЕРМОПЛАСТОВ.

      Формование  листовых термопластов является чрезвычайно  важным процессом для производства трехмерных изделий из пластиков. Этим методом из листов акрилонитрилбутадиенстирола  получают даже такие крупные изделия, как корпуса подводных лодок.

      Схема этого Процесса такова. Термопластичный  лист нагревают до температуры его  размягчения. Затем пуансон впрессовывает  горячий гибкий лист в матрицу металлической пресс-формы (рис.9), при этом лист принимает определенную форму. При охлаждении   сформованное изделие затвердевает и извлекается из пресс-формы.

      В модифицированном методе под действием  вакуума горячий лист засасывается в полость матрицы и принимает требуемую форму (рис.10). Этот метод называется методом вакуумного формования. 
 

      ОТЛИВКА ПЛЕНОК.

      Метод отливки используют также и для  производства полимерных пленок. В  этом случае раствор полимера соответствующей  концентрации постепенно выливают на движущийся с постоянной скоростью  металлический пояс (рис.4), на поверхности которого и происходит образование непрерывного слоя полимерного раствора.

Рис.4. Схема процесса отливки пленок

/ — раствор  полимера; 2 — распределительный  клапан; 3 — раствор полимера растекается с образованием пленки; 4 — растворитель испаряется; 5 — бесконечный металлический пояс; 6 — непрерывная полимерная пленка; 7 — сматывающая катушка

      При испарении растворителя в контролируемом режиме на поверхности металлического пояса происходит образование тонкой полимерной пленки. После этого пленка снимается простым отслаиванием. Этим способом получают большинство промышленных целлофановых листов и фотографических пленок.

ПНЕВМОФОРМОВАНИЕ. Большое количество полых пластических изделий производят методом пневмоформования: канистры, мягкие бутылки для напитков и пр. Пневмоформованию могут быть подвергнуты следующие термопластичные материалы: полиэтилен, поликарбонат, поливинилхлорид, полистирол, найлон, полипропилен, акрилы, акрилонитрил, акрилонитрил-бутадиенсти-рольнын полимер, однако по ежегодному потреблению первое место занимает полиэтилен высокой плотности. 

      Пневмоформование  ведет свое происхождение от стеклодувной промышленности. Схема этого процесса дана на рис.7.

      Горячую размягченную термопластичную трубку, называемую "заготовкой", помещают внутрь полой формы, состоящей из двух частей. Когда форма закрыта, обе ее половины зажимают один конец заготовки и иглу для подачи воздуха, расположенную на другом конце трубки.

Рис.7. Схематическая диаграмма, объясняющая стадии процесса пневмоформования

а — заготовка, помещенная в открытую пресс-форму; б — закрытая пресс-форма;

в — вдувание воздуха в пресс-форму; г — открывание пресс-формы. 1— заготовка;

2 - игла для подачи воздуха; 3 - пресс-форма; 4 - воздух; 5 - изделие, изготовленное методом пневмоформования 

      Под действием давления, подаваемого  из компрессора через иглу, горячая  заготовка раздувается как шар  до плотного соприкосновения с относительно холодной внутренней поверхностью формы. Затем форму охлаждают, открывают и вынимают готовое твердое термопластичное изделие.

      Заготовка для пневмоформования может быть получена методом литья под давлением  или экструзии, и в зависимости  от этого метод называют соответственно литьем под давлением с раздувкой  или пневмоформованием с экструзией. 
 
 

ЭКСТРУЗИЯ 

      Экструзия является одним из самых дешевых  методов производства широко распространенных пластических изделий, таких, как пленки, волокна, трубы, листы, стержни, шланги и ремни, причем профиль этих изделий задается формой выхлопного отверстия головки экструдера. Расплавленный пластик при определенных условиях выдавливают через выходное отверстие головки экструдера, что и придает желаемый профиль экструдату. Схема простейшей экструзионной машины показана на рис.8.

Рис  8. Схематическое изображение простейшей экструзионной машины

  1 — загрузочная воронка; 2 - шнек; 3 - основной цилиндр; 4 — нагревательные элементы; 5 — выходное отверстие головки экструдера, а — зона загрузки; б — зона сжатия; в ~ зона гомогенизации 

      В этой машине порошок или гранулы  компаундированного пластического материала загружают из бункера в цилиндр с электрическим обогревом для размягчения полимера. Спиралевидный вращающийся шнек обеспечивает движение горячей пластической массы по цилиндру. Поскольку при движении полимерной массы между вращающимся шнеком и цилиндром возникает трение, это приводит к выделению тепла и, следовательно, к повышению температуры перерабатываемого полимера. В процессе этого движения от бункера к выходному отверстию головки экструдера пластическая масса переходит три четко разделенные зоны: зону загрузки (а), зону сжатия (б) и зону гомогенизации (в) (см. рис 9).

      Каждая  из этих зон вносит свой вклад в  процесс экструзии. Зона загрузки, например, принимает полимерную массу из бункера и направляет ее в зону сжатия, эта операция проходит без нагревания.       

Рис. 9. Схема процесса формования листовых термопластов

  1 — лист термопластического материала; 2 — зажим; 3 — пуансон; 4 — размягченный нагревом лист; 5 — матрица; 6 — изделие, полученное методом формования листовых термопдастов

Рис.10. Схема процесса вакуумного формования термопластов

  1 — зажим; 2 — лист термопласта; 3 — пресс-форма; 4 — изделие, полученное методом вакуумного формования термопластов 

      В зоне сжатия нагревательные элементы обеспечивают плавление порошкообразной загрузки, а вращающийся шнек сдавливает ее. Затем пастообразный расплавленный пластический материал поступает в зону гомогенизации, где и приобретает постоянную скорость течения, обусловленную винтовой нарезкой шнека.

      Под действием давления, создаваемого в  этой части экструдера, расплав полимера подается на выходное отверстие головки  экструдера и выходит из него с  желаемым профилем. Из-за высокой вязкости некоторых полимеров иногда требуется наличие еще одной зоны, называемой рабочей, где полимер подвергается воздействию высоких сдвиговых нагрузок для повышения эффективности смешения. Экструдированный материал требуемого профиля выходит из экструдера в сильно нагретом состоянии (его температура составляет от 125 до 350°С), и для сохранения формы требуется его быстрое охлаждение. Экструдат поступает на конвейерную ленту, проходящую через чан с холодной водой, и затвердевает. Для охлаждения экструдата также применяют обдувку холодным воздухом и орошение холодной водой. Сформованный продукт в дальнейшем или разрезается или сматывается в катушки.

      Процесс экструзии используют также для  покрытия проволок и кабелей поливинилхлоридом  или каучуком, а стержнеобразных  металлических прутьев — подходящими  термопластичными материалами. 
 

      МЕТОД НАСЛОЕНИЯ ЛИСТОВ ВРУЧНУЮ. Вполне вероятно, что это самый простой метод армирования пластиков. В этом случае качество конечного продукта во многом определяется умением и мастерством оператора. Весь процесс состоит из следующих стадий. Вначале форму покрывают тонким слоем адгезионной смазки на основе поливинилового спирта, силиконового масла или парафина. Это делается для предотвращения прилипания конечного изделия к форме. Затем форму покрывают слоем полимера, поверх которого кладут стеклоткань или мат. Эту стеклоткань, в свою очередь, покрывают другим слоем полимера.

Рис.12. Схематическое изображение метода наслоения листов вручную

1 - чередующиеся слои полимера и стеклоткани; 2 - пресс-форма; 3 - прокатывающий ролик

      Все это для однородного прижимания стеклоткани к полимеру и удаления пузырьков воздуха плотно прокатывают  роликами. Количество чередующихся слоев полимера и стеклоткани определяет толщину образца (рис.12).

      Затем при комнатной или повышенной температуре происходит отвердение системы. После отвердения армированный пластик снимают с формы и  проводят зачистку и окончательную  отделку. Этим методом получают листы, части автомобильного кузова, корпуса  для судов, трубы и даже фрагменты  зданий.

      МЕТОД НАМАТЫВАНИЯ ВОЛОКОН. Этот метод очень широко используется для производства таких армированных пластических изделий, как цилиндры, выдерживающие высокие давления, цистерны для хранения химических веществ и корпуса моторов ракет. Он состоит в том, что непрерывную мононить, волокно, пучок волокон или тканую ленту пропускают через ванную со смолой и отвердителем. По мере выхода волокна из ванны избыток смолы отжимается. Пропитанные смолой волокна или ленту затем наматывают на сердечник требуемой формы и отверждают под действием температуры.

Рис.13. Схематическое изображение метода наматывания волокна

1- подающая  катушка; 2 - непрерывная нить; 3 - узел для пропитки волокна и отжима смолы; 4 - сердечник; 5 - пропитанные смолой волокна, намотанные на сердечник 

      Наматывающая машина (рис.13) сконструирована   так,   чтобы    волокна могли наматываться на сердечник определенным образом. Натяжение волокна и способ его наматывания очень важны с точки зрения конечных деформационных свойств готового изделия.

      МЕТОД ОПРЫСКИВАНИЯ

        В этом методе используют пульверизатор с многоручьевой головкой. Струи смолы, отвердителя и нарезанного волокна одновременно подаются из пульверизатора на поверхность формы (рис.14), где они образуют слой определенной толщины. Нарезанное волокно определенной длины получают непрерывной подачей волокон в измельчающую головку аппарата. После достижения требуемой толщины полимерную массу при нагревании отверждают. Распыление является экспресс-методом для покрытия больших поверхностей. Многие современные пластические изделия, такие, как грузовые платформы, резервуары для хранения, кузова грузовиков и корпуса кораблей, получают именно этим методом. 

Рис.14. Схематическое изображение метода опрыскивания

1 — форма; 2 — распыленная смесь нарезанного  волокна и смолы; 3 — струя нарезанного волокна; 4 — непрерывное волокно; 5— смола; 6— отвердитель; 7 — узел для нарезания волокна и распыления; 8 — струя смолы 

            ДРУГИЕ МЕТОДЫ. Кроме описанных выше методов, в производстве армированных пластиков известны и другие, каждый из которых имеет свое специфическое назначение. Так, метод изготовления непрерывных слоистых материалов используют для производства непрерывных листов армированных слоистых пластиков различной толщины. В этом процессе каждый отдельный слой тканой ленты, поступающей с рулонов, пропитывают смолой и отвердителем, а затем спрессовывают вместе, пропуская через систему горячих валков. После отвердения под действием температуры получают слоистый пластик I требуемой толщины (рис.15). Толщину материала можно варьировать, изменяя количество слоев.

Рис.15. Схематическое изображения метода производства непрерывных слоистых материалов

1— подающие  катушки; 2 — непрерывные листы  стеклоткани; 3 — ванна для пропитки в смеси смолы с отвердителем; 4 - непрерывный слоистый пластик; 5 - слоистый пластик, нарезаемый на куски необходимого размера 

      Другой  метод, известный как метод получения  одноосно ориентированного волокнистого пластика, позволяет изготовить из непрерывных пучков волокон такие изделия, как полые прутья или рыболовные удочки. Этот процесс сравнительно прост. Непрерывный пучок волокон, предварительно обработанный смолой и отвердителем, протягивают через фильеру соответствующего профиля (рис.16), нагретую до определенной температуры. На выходе из фильеры профилированное изделие продолжают нагревать. Отвержденный профиль вытягивают из фильеры системой вращающихся валков. Этот процесс несколько напоминает экструзию с той лишь разницей, что при экструзии полимерный материал проталкивают через фильеру изнутри с помощью вращающегося шнека, а в описанном методе материал протягивают через выходное отверстие фильеры с внешней стороны. 

Рис.16. Схематическое изображение метода получения одноосно ориентированного волокнистого пластика

 1 —  непрерывный пучок волокон, пропитанный  смолой и отвердителем; 2 — нагревательный элемент; 3 — фильера; 4 — вращающиеся вытягивающие валки; 5 — готовое изделие, нарезанное на куски; 6 — профиль готового изделия 

      Кроме того, смесь, содержащая нарезанные волокна, смолу и отвердитель, может быть сформована любым другим подходящим методом, например методом прямого прессования. Термопластичные материалы, наполненные нарезанными волокнами, могут быть сформованы прямым прессованием, литьем под давлением или экструзией для получения конечного продукта с улучшенными механическими свойствами. 
 
 

Технология изготовления изделий из термопластов 

Пожалуй, ни один из методов переработки пластмассы не является более пригодным как  для массового и наиболее дешевого выпуска изделий разового назначения, так и для изделий несложной  формы и больших габаритных размеров, выпускающихся в незначительном количестве. Этим методом из листов АБС получают даже такие крупные  изделия, как корпуса подводных  лодок. Корпусные детали, крыло, внутренние перегородки самолета-амфибии также  изготавливаются методом вакуумного формования. Часто методы термоформования  являются единственно приемлемыми  для получения изделий с большой  поверхностью и относительно небольшой  толщиной стенок.

 Методы пневмо- и вакуумформования для изготовления изделий из листовых материалов разрабатывались в нашей стране еще в сороковые годы прошлого века. Во всех методах формования изделий из пластиков лист термопласта перед формованием нагревают до температуры высокоэластичного состояния, а затем закрепленную по контуру заготовку устанавливают над формовочной камерой. Формование происходит под действием перепада давлений, создающегося между внутренней и внешней поверхностями листа. При вакуумформовании этот перепад равен разности давления окружающего воздуха и остаточного давления в форме, при пневмоформовании - разности между давлением сжатого воздуха и атмосферным давлением, при штамповке - давлением на заготовку с помощью специальных механических пуансонов. 

 Во многих  случаях формованию предшествует  подготовительная операция по  изготовлению заготовок. При массовом  и крупносерийном производстве  изделий, как правило, либо  завод-поставщик сырья, согласно  договоренности, поставляет мерные  заготовки, либо проектируется  многоместная оснастка с учетом  размеров выпускающихся листов  термопласта. Кроме того, в случае  применения комплексных линий,  экструдер настраивается на выпуск  листов с необходимыми габаритами. 

При изготовлении мелких серий производится раскрой  заготовок из стандартных листов. При этом учитывается, что листовые термопласты при нагреве дают усадку. Поэтому перед раскроем материала  следует определить усадку для данной партии материала вдоль и поперек  направления экструзии. Учитывать  при раскрое следует и ориентацию исходного листового материала (направление  экструзии). В направлении наибольшей ориентации исходной заготовки готовое  изделие должно получить наименьшую вытяжку и, наоборот, в том направлении, в котором заготовка была наименее ориентирована (поперек экструзии), вытяжка должна быть наибольшей. При  несоблюдении этого условия возникает  неравномерность утонения материала, неоднородность деформационных свойств, остаточные напряжения, что приводит к деформации изделия после съема  с прессформы.

Раскрой листовых материалов производится вручную резаками, а также гильотинными ножницами, дисковыми или ленточными пилами.

 Сегодня как правило используются плоскощелевые экструдеры с рабочей шириной экструдированного листа равной ширине матрицы формовочной машины. В случае использования широкоформатного экструдера устанавливаются станции резки и дополнительные посты намотки. 
 

К заготовкам из термопластов, подлежащим формованию, предъявляются такие требования: они должны быть однородными, без  посторонних включений и изъянов; разнотолщинность заготовок не должна превышать 10% по отношению к номинальной  толщине; для листовых заготовок  вязкость расплава материалов должна обеспечивать возможность нагревания в закрепленной раме и не давать большого провисания листа; термическая  усадка листа должна быть минимальной  и не превышать 3-5%.

 Перед формованием  заготовки нагреваются до температуры  формования. Как правило, нагрев  осуществляется вне формовочной  зоны в различных электронагревательных  устройствах. При пневмоформовании  лист разогревается в свободном  состоянии без фиксации в прижимной  раме. Такой нагрев улучшает качество  получаемого изделия за счет  максимальной релаксации внутренних  напряжений. При вакуумформовании  лист нагревается в жестко  зажатом состоянии, поэтому возможно  провисание листа под собственной  тяжестью вследствие температурного  расширения или чрезмерного снижения  вязкости материала при температуре  формования. Для предотвращения  провисания листа применяют предварительную  вытяжку и ориентацию листовых  материалов при экструзии. Возникающая  при разогреве таких листов  до рабочих температур усадка  компенсирует тепловое расширение  материала. 

Разогрев листа  следует производить равномерно. Неравномерный разогрев ведет к  возникновению в листе внутренних напряжений, неравномерной вытяжке  и образованию на изделии складок. Для создания равномерного температурного поля повышают температуру периферийных участков нагревателя с целью  компенсации тепловых потерь в окружающую среду. В этом случае нагреватель  должен быть разделен на зоны с индивидуальными  регуляторами для дифференцированного  регулирования температуры по всей поверхности нагреваемого листа. Допустимый перепад температур по поверхности  листа ±(5-10)°С.  

Нагрев листа  до температуры формования может  осуществляться инфракрасными нагревателями, расположенными с одной или с  обеих сторон нагреваемого листа. В  качестве нагревателей используют элементы сопротивления, изготовленные из нихромовой проволоки, лент или стержней. На некоторых  машинах в качестве нагревательных элементов используют трубчатые  электронагреватели (ТЭНы). Они состоят  из жаропрочных металлических трубок, внутри которых расположена нихромовая спираль, изолированная от стенок трубки электроизоляционным материалом, обладающим хорошей теплопроводностью (например, оксидом магния). Применяют также кварцевые излучатели, трубка которых заполняется инертным газом. По оси трубки в дисковых изоляторах проходит вольфрамовая спираль, нагревающаяся при работе до 2473° К. Эти нагреватели работают в коротковолновом диапазоне инфракрасного излучения. Они обладают малой инерционностью и высоким КПД. 

Конструкция нагревателя  должна обеспечивать равномерную температуру  по всей поверхности нагреваемого листа. Поэтому, если площадь обогреваемого  листа превышает 0,5 м2, нагреватель разбивают на несколько тепловых зон с индивидуальным регулированием температуры. В каждую зону, снабженную индивидуальным регулятором температуры, входит один или несколько нагревательных элементов, сгруппированных таким образом, чтобы обеспечивать компенсацию потерь тепла на краях листа.

 Для нагрева  жестких (полистирол, поликарбонат, полипропилен) и толстолистовых  термопластов рекомендуется применять  двусторонний обогрев. Поэтому  машины снабжают двумя нагревателями  с одинаковой площадью нагрева,  излучающие поверхности которых  направлены навстречу друг другу.  При этом в большинстве случаев  мощность верхнего нагревателя  в 1,5 раза больше мощности нижнего. 

На одно- и  двухпозиционных машинах чаще всего применяют подвижные нагреватели, перемещающиеся в горизонтальной плоскости; на многопозиционных обычно используют неподвижные нагреватели. Подвижный нагреватель для одностороннего нагрева состоит из каркаса и нагревательных элементов. Нагреватель находится в рабочем положении, в котором он остается до тех пор, пока лист не будет нагрет до заданной температуры. По окончании нагрева он отключается и отодвигается влево. При этом он оказывается над штабелем заготовок, верхняя из которых предварительно подогревается теплом, выделяемым остывающим нагревателем.