1. Tvarování termoplastů

    2. 8.1. Mechanické tvarování
     8.2. Pneumatické tvarování

      8.2.1. Negativní tvarování
      8.2.2. Pozitivní tvarování
      8.2.3. Mechanické předtvarování
      8.2.4. Pneumatické předtvarování
      8.2.5. Kombinované předtvarování
      8.2.6. Přetlakové tvarování
      8.2.7. Kontinuální tvarování
    8.3. Tvarovací formy a stroje

8. tvarování termoplastů

  Tvarování je výrobní postup, u kterého polotovar ve tvaru desky nebo fólie mění svůj tvar bez většího přemísťování částic hmoty. Většinou se provádí za tepla, jen ve výjimečných případech je možné některé plasty tvarovat bez ohřevu, ale vždy se jedná o výrobky jednoduchých tvarů a bez velkých nároků zejména na rozměrovou přesnost. Tvarováním desek za tepla se vyrábějí různé kryty, nádoby, kufry, apod. Velký význam má tato technologie v obalové technice. Tvarováním za tepla lze zpracovávat pouze termoplasty. Tvarováním lze zpracovávat desky téměř ze všech termoplastů, nejčastější jsou však ze styrénových plastů, např. hPS a ABS, dále z PVC a jeho kopolymerů, PMMA, PC, PET, PE a PP. K tvarování se obvykle používají jednovrstvé desky vyrobené z jednoho druhu plastu vytlačováním na šnekových vytlačovacích strojích. Při stejných nebo velmi blízkých podmínkách se tvarují i desky vícevrstvé. Z hlediska tvarovacího procesu jsou jednovrstvé desky příhodnější, neboť desky z více druhů plastů kladou na technologii větší nároky.

  Podle velikosti síly se tvarování dělí na mechanické a pneumatické, které se dále dělí na podtlakové a přetlakové. Podle tvaru výrobku se dělí na negativní (tvarování do dutiny) a pozitivní (tvarování na tvárník) a na kombinované. Podle způsobu předtvarování se dělí na tvarování s mechanickým nebo pneumatickým předtvarováním.

  Při tvarování se musí plast v podobě desky rovnoměrně zahřát na teplotu, při níž hmota vykazuje dobrou tvarovatelnost. Pro tloušťky desek pod 3 mm se ohřívá z jedné strany, nad 3 mm z obou stran (vliv špatné tepelné vodivosti plastů). Důležité je stejnoměrné prohřátí desky ve všech místech, které se zúčastní tvarování. Tažnost hmoty dosahuje maxima v určité oblasti teplot, která závisí na druhu plastu. Tato teplota leží u amorfních termoplastů těsně pod teplotou viskózního toku Tf, kdy se hmota nachází v kaučukovitě elastickém stavu, u krystalických plastů těsně nad teplotou tání Tm. Amorfní plasty se ohřívají kratší dobu, než semikrystalické.

  Je-li teplota tvarování nižší, než optimální, je nutno na tvarování vynaložit větší sílu, protože pevnost hmoty se zvyšuje a ve výrobku zůstávají poměrně velká vnitřní pnutí. Po překročení optima plast rychle ztrácí soudržnost a při tvarování se trhá. Tvarování probíhá v chladné formě. Musí proběhnout v co nejkratší době, aby teplota plastu byla během fáze tvarování konstantní. Proto se volí nejvyšší rychlost tvarování, kterou daný plast dovolí. Konečný tvar výrobku, musí být dosažen po jediném zplastikování hmoty v jednom tvarovacím cyklu. Nelze použít postupného tažení. Vnitřní pnutí, způsobené hlavně orientací makromolekul, by totiž při opětném zahřátí hmoty vyvolalo deformace předtvarovaného dílu, který má snahu vrátit se do původního tvaru desky. Je to důsledek tzv. tvarové paměti.

 

8.1. Mechanické tvarování

  U mechanického tvarování se změny tvaru polotovaru dosahuje  vzájemným působením jednotlivých částí dvoudílné formy na tvarovaný materiál. Způsob umožňuje používat vyšší tvarovací tlaky, než u ostatních způsobů, případně kombinovat tvarování s přímým oddělením výrobku od zbytku polotovaru.


Princip mechanického tvarování

 

8.2. pneumatické tvarování

  V praxi je v současné době nerozšířenější podtlakové tvarování, u něhož k dosažení změny tvaru polotovaru postačuje rozdíl atmosférického tlaku a vakua vytvořeného v dutině formy vývěvou. Tvarovací tlak je tedy roven maximálně několika desítkám kPa. U přetlakového způsobu se síla k tvarování vyvozuje působením tlakového média, obvykle stlačeného vzduchu, jehož tlak bývá v rozmezí asi od 0,2 do 1 MPa. Často se přetlakový způsob kombinuje s podtlakovým. Nízké tlaky umožňují používat formy z málo pevných materiálů.

  K přednostem podtlakového tvarování patří možnost vyrábět předměty s velkou plochou a přitom s tenkou stěnou. Jednoduché, a tedy i levné tvarovací formy, stejně jako relativně málo nákladná tvarovací zařízení dovolují ekonomickou výrobu předmětů i v malých sériích, např. jen několika desítek kusů. Je možné tvarovat desky předem potisknuté nebo jinak povrchově upravené. Tak se vyrábějí např. plastické mapy. V dnešní době se tvarováním zpracovávají desky s tloušťkou až 10 mm a fólie od tloušťky 0,3 mm, výjimečně již od 0,1 mm. Pro výrobky, získávané tepelným tvarováním desek, je charakteristický vysoký poměr délky k tloušťce stěny výrobku. Ten není z hlediska materiálu omezen a v podstatě je limitován velikostí tvarovacího zařízení a rozměry vyráběných desek. Velkou výhodou tvarování oproti vstřikování jsou podstatně nižší náklady na pořízení tvarovacího stroje i tvarovací formy. Mohou být až desetkrát nižší. Nevýhodami tvarování je vyšší cena desek oproti granulátu, jež může být až dvojnásobná, a dále dosti velký podíl technologického odpadu. V nepříznivých případech může podíl odpadu činit až 50 %. Při navrhování výrobků platí určitá omezení jejich tvaru, např. není možné vyrábět výtažky s kompaktními žebry. Rovněž zalisování kovových vložek do stěny výrobku bývá obtížné.

8.2.1. Negativní tvarování

  Základem je tvarovací forma s dutinou, která svým tvarem odpovídá žádanému výrobku. Rozměry dutiny musí ovšem být zvětšeny o smrštění hmoty, podobně jako tomu je u jiných technologií. Deska určená k tvarování se upne do rámu a neprodyšně se spojí s formou. Potom se nad desku přisune ohřívací zařízení (A) a po dosažení tvarovací teploty, což se kontroluje dobou ohřevu, se topení odsune (B) a bezprostředně se rychle z dutiny formy odsaje vzduch. Vytvořeným vakuem se plast přitiskne na vnitřní stěnu dutiny formy a přesně přijme její tvar (C). Po ochlazení výtažku se vakuum zruší a výrobek se z formy vyjme (D) buď ručně nebo se uvolní stlačeným vzduchem, který se přivádí do formy odsávacími kanálky.


Princip negativního podtlakového tvarování

  Jednoduché negativní tvarování se hodí jen pro tažení mělkých výtažků, u nichž hloubka H nepřekročí asi 0,4 horního průměru D. Je to proto, že se při tažení deska ztenčuje velmi nerovnoměrně a v tloušťce stěny výtažku jsou velké rozdíly. Stejnoměrnou tloušťku stěny na výlisku nelze dosáhnout. Ztenčení je tím větší, čím je vyšší poměr H / D. Nejtenčí je stěna v rozích u dna. Pro mechanismus ztenčování desky platí pravidlo, že tažení se vždy zúčastňuje jen volná část desky, tj. ta, která se nedotýká povrchu formy, neboť jakmile se deska dotkne formy, ihned se ochladí natolik, že se na dalším tažení již nemůže podílet. Kvalitnější je vnější povrch, který se dotýká formy.


Proces tvarování
1 – ohřev, 2 – topná spirála, 3 – deska, 4 – rám stroje, 5 - tvárnice, 6 – odsávací otvory, 7- rozpěrka, 8 – stůl stroje

8.2.2. Pozitivní tvarování

  Jednoduchý pozitivní způsob tvarování umožňuje dosáhnout rovnoměrnou tloušťku stěny i při hloubce tažení dané poměrem H / D = 1. Základem je pozitivní tvarovací forma – tvárník, odpovídající svým tvarem výrobku. Deska se upne do rámu a ohřeje se na tvarovací teplotu (a). Po odsunutí ohřívacího zařízení se forma pohybem vzhůru vtlačí do desky (b) nebo se rám s deskou přetáhne přes nepohyblivou formu. V této fázi vlastně dochází k mechanickému předtvarování desky.


Princip pozitivního podtlakového tvarování
1 – stůl stroje, 2 – tvárník, 3 - rám stroje, 4 - deska

  Deska se ztenčuje jen v místě budoucích bočních stěn výtažku, a to rovnoměrně, zatímco ve dně nikoliv, neboť se tam dotýká formy. Konečný tvar dostane výtažek až po vytvoření vakua v prostoru mezi deskou a formou (c). U tohoto způsobu tvarování má výtažek nejtlustší dno, což může být výhodné pro zvýšení stability výtažků ve tvaru nádob. Nevýhody spočívají v tom, že krabicové výlisky, zvláště jsou-li úkosy bočních stěn malé, se z formy obtížně stahují a že vzniká nebezpečí tvorby záhybů v rozích (překládání desky).

8.2.3. Mechanické předtvarování

  Snaha dosáhnout co nejrovnoměrnější tloušťky stěny výtažků vedla k vývoji celé řady kombinovaných způsobů tvarování. Modifikací jednoduchého negativního tvarování je negativní tvarování s mechanickým předtvarováním. Ve své podstatě se jedná o kombinaci způsobu negativního a pozitivního. Z postupu je zřejmé, že od jednoduchého tvarování se liší tím, že se deska po skončení ohřevu nejprve předtvaruje pomocným tvárníkem, který desku vtlačuje směrem do dutiny formy.


Princip negativního podtlakového tvarování s mechanickým předtvarováním
1 – tvárník, 2 – rám stroje, 3 – tvárnice, 4 – odsávací otvory, 5 - rozpěrka, 6 – stůl

  Když tvárník dosáhne stanovené hloubky, zapojí se odsávání vzduchu. Vytvořeným podtlakem deska zaujme konečný tvar a výtažek se ve formě ochladí. Plocha pomocného tvárníku má činit maximálně 70 % celkové tvarované plochy desky a hloubka předtvarování se volí cca 70 % konečné hloubky tahu. Tvárník nesmí plast příliš ochlazovat a proto se vyrábí z materiálu se špatnou tepelnou vodivostí, např. z tvrdého dřeva, vrstvené tkaniny nebo z PA. Musí to být materiál, který snáší tvarovací teplotu. Osvědčují se také duté tvárníky, do níž se vhání teplý vzduch, který mezi deskou a tvárníkem vytváří vzduchový polštář zabraňující přímému dotyku desky a tvárníku.

  Při zasouvání tvárníku do negativní formy, což musí proběhnout velmi rychle, se ve formě zvyšuje tlak vzduchu. To způsobuje vydouvání volné části desky vzhůru a její nežádoucí ztenčování. Tento způsob tvarování je vhodný i pro desky s větší tloušťkou, a to až 10 mm a umožňuje výrobu výlisků s poměrem H / D až 1,5. Výhodou je velmi rovnoměrná tloušťka stěny výrobku a možnost použití vícenásobných forem v hromadné výrobě. Nevýhodou je složitější a dražší zařízení, které vyžaduje přesné dodržení nejen sledu, ale i doby trvání jednotlivých operací.


Vícenásobná forma pro negativní tvarování s mechanickým předtvarováním a pohled na tvárníky
1 – tvárnice, 2 – deska, 3 – tvárník, 4 – odsávací otvory

8.2.4. Pneumatické předtvarování

  U pozitivního způsobu s pneumatickým předtvarováním je první operací po zahřátí desky její předtvarování pomocí stlačeného vzduchu. Deska se po zahřátí na tvarovací teplotu nejprve vyfoukne do tvaru „bubliny“ a protože je tvarována na vzduchu, ztenčuje se velmi rovnoměrně. Stupeň předtvarování se řídí množstvím, tlakem a teplotou vzduchu. Ta může dosahovat teploty zahřátého plastu. Do vytvořené bubliny se zespoda vtlačí pozitivní forma a přesný tvar získá výtažek po aplikaci vakua. Při tvarování je možné postupovat třemi způsoby: Ohřátá deska je nejprve předtvarována stlačeným vzduchem a teprve potom je zdvižena forma. Rychlost zvedání formy musí být co největší, aby se předtvarovaná deska neochlazovala. Jakmile forma dosáhne horní koncové polohy, ihned je zapnuto vakuum a výlisek je dotvarován. Nebo forma je zdvižena ještě dříve, než je předtvarování vzduchem zcela skončeno. Tím se dosáhne toho, že na vrchní ploše formy se vytvoří malé vzduchové polštáře, které jednak zabraňují dotyku desky s formou a jednak ještě napomáhají dalšímu předtvarování. To vede k ještě rovnoměrnějšímu rozdělení tloušťky stěny na výlisku. A nebo předtvarování vzduchem i pohyb formy se dějí současně.

  Tímto způsobem se vyrábějí výtažky s poměrem H / D větším, než 2. Přitom tloušťka stěny je velmi rovnoměrná, a to i v rozích. Nevýhodou je dražší zařízení, které musí pracovat automaticky, aby jednotlivé operace na sebe navazovaly podle předem ověřeného programu.


Princip pozitivního podtlakového tvarování s pneumatickým předtvarováním

  Ke zvláštnostem tohoto způsobu patří, že záměrným nerovnoměrným ohřevem desky je možné dosáhnout nestejného stupně ztenčení v různých místech předtvarované desky, a tím různě tlusté stěny na výlisku.

8.2.5. Kombinované předtvarování

  Z dalších možných způsobů tvarování je třeba uvést tvarování s pneumatickým a mechanickým předtvarováním. Používá se u zvlášť hlubokých výtažků s poměrem H / D větším, než 2. Následuje buď vtlačení formy do předtvarované desky a potom je uveden do pohybu tvárník a pak je zapnuto vakuum, nebo je forma uvedena do pohybu ještě před skončením pneumatického předtvarování a po dosažení konečné pozice formy jsou současně uvedeny v činnost tvárník i vakuum a nebo jsou současně uvedeny do pohybu forma i tvárník, a když dosáhnou konečné pozice je zapnuto vakuum. Konečný tvar získá výtažek zapojením vakua. Tento způsob se používá i pro výrobu výtažků se zdvojenými stěnami. Ty se tvarují v pozitivně-negativní formě, jejímiž funkčními částmi je 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. Podle tvaru výtažku totiž činí konečná tloušťka stěny vzhledem k původní desce jen 20 %. Použitý plast proto musí vykazovat obzvláště vysokou tažnost. Doba potřebná na předtvarování ohřáté desky stlačeným vzduchem je asi 0,5 až 1 s. Na přetažení desky do negativní formy je třeba také asi 1 s a na dotvarování pomocí vakua rovněž asi 1 s. Vlastní tvarovací proces tedy proběhne asi během 3 s.


Princip negativního podtlakového tvarování s pneumatickým a mechanickým předtvarováním
1 – ohřev, 2 – topná spirála, 3 – rám stroje, 4 – tvárnice, 5 - rozpěrka, 6 – odvod vzduchu, 7- přívod vzduchu, 8 – výška pro dotvarování vakuem, 9 – výtažek, 10 – tvárník pro předtvarování, 11 - deska

8.2.6. Přetlakové tvarování

  K tvarování zvlášť tlustých desek nebo plastů se špatnou tvarovatelností, kde nestačí síla vyvozená vakuem, se používá přetlakové tvarování. Rám s plastovou deskou je pevně spojen s uzavřenou komorou. Do zahřáté desky se nejdříve zatlačí pozitivní forma, která dosedne na rám. Do komory se potom přivede 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.


Princip přetlakového tvarování

8.2.7. Kontinuální tvarování

  Výtažky menších rozměrů, které se vyrábějí ve velkém množství, se s výhodou vyrábějí kontinuálním tvarováním. Plastová fólie nebo deska v podobě nekonečného pásu se odvíjí ze zásobníku, zpravidla se předehřívá a přichází do tvarovací formy. Proběhne tvarování, jemuž v případě potřeby předchází předtvarování, potom se výtažek chladí proudem vzduchu a v poslední se výtažek odstřihne od zbytku desky. Mezitím může být v lince zařazeno plnění a spojování s horní fólií včetně vysekávání.


Kontinuální tvarování desek
a - plastová fólie, b – ohřev, c – tvarování, d – plnění, e – uzavírání, f – vysekávání, g – hotový výrobek, h – hliníkové fólie, i – předtvarování s potiskem, k – navíjení zbytku

  Z přehledu je zřejmé, že tvarování desek z termoplastů je technologie, která nabízí řadu variant, takže pro konkrétní výlisek je možné vybrat technologii jak s ohledem na požadované vlastnosti, tak na ekonomii výroby.

 

8.3. Tvarovací formy a stroje

  Tvarovací stroje jsou konstrukčně velmi jednoduché, většinou stolové konstrukce. Pohyb je ovládán hydraulicky, pneumaticky nebo mechanicky. Rám pro uchycení desky je opatřen pryží a upínání je mechanické nebo pneumatické. K ohřevu se většinou používají sálavé zdroje tepla, infrazářiče nebo pece. Tvarovací stroje jsou součástí linek, které na začátku dělí desky (stříháním, řezáním) a na konci opět oddělují díly a nebo třeba plní výrobky.

  K přednostem tvarování termoplastických desek patří možnost používat jednoduché a zpravidla jednodílné tvarovací formy, protože funkci druhého dílu zastává okolní přetlak vzduchu. Tvarovací síly jsou malé, a proto formy mohou být z málo pevných materiálů. Materiál forem musí snést alespoň krátkodobě teplotu v rozmezí od 20 do cca 200 0C.

  Sádrové formy se hodí jen pro zhotovení několika kusů výtažků, např. při ověřovacích zkouškách, protože sádra vlivem teplotních změn snadno praská. Dřevěné formy jsou trvanlivější, ale kvalita jejich povrchu se postupně zhoršuje se střídající se teplotou. Naproti tomu formy z tvrzené tkaniny mají životnost až 20 000 pracovních cyklů, ovšem podobně jako u dřeva je obtížné leštěním dosáhnout hladkého povrchu. Z tohoto hlediska je lepší tvrzené dřevo. Formy vyrobené odléváním epoxidových pryskyřic mají kvalitní povrch i dobrou rozměrovou stabilitu. Špatná tepelná vodivost samotných epoxidů se zlepší přídavkem litinového nebo hliníkového prášku nebo se do formy zalijí měděné trubky, kterými protéká chladicí kapalina. Pro velké série jsou nejvhodnější formy z lehkých slitin. Vyrábějí se většinou odléváním a dodatečným obrobením funkčních ploch. Ocelové formy jsou nejtrvanlivější, ale používají se málo.

  Podle velikosti výtažků se formy navrhují jako jednonásobné nebo vícenásobné. Jestliže se používají negativní formy, je možno tvarové dutiny umístit vedle sebe velmi těsně, což u pozitivních forem nejde. To se zlepšuje použitím speciální mříže, která desku přidržuje v místech mezi jednotlivými výtažky při pohybu vícenásobných tvárníků.

  Formy musí být opatřeny odsávacími otvory, které spojují prostor dutiny formy pod tvarovanou deskou se zásobníkem a s odsávacím zařízením. Otvory jsou rozmístěny rovnoměrně po celém funkčním povrchu formy, aby nedošlo k uzavření zbytku vzduchu v některém místě dutiny. Otvorů musí být dostatečný počet a musí mít i správný průměr. Ten závisí na druhu plastu a na tloušťce tvarované desky. Mají-li otvory příliš velký průměr, zůstanou na výtažku jejich otisky, které zhoršují vzhled výtažku. Udává se, že průměr kanálku nemá být větší, než polovina tloušťky tvarované desky, avšak i u tenkých fólií se většinou používají kanálky s průměrem asi 1 mm, a to s ohledem na jejich výrobu. U polyolefinů, které se vyznačují velmi dobrou tvarovatelností, se volí kanálky co nejmenšího průměru, např. 0,4 až 0,5 mm, a to i u tlustších desek. U desek z PVC mohou mít průměr větší. Vzájemná vzdálenost otvorů bývá na rovných plochách 75 až 150 mm, na hranách však jen 20 mm. Vždy je výhodnější použít větší množství malých kanálků, než malého počtu velkých.

  Tvarovací síla musí působit na výtažek po celou dobu chladnutí hmoty, aby nedocházelo k jeho deformacím. Doba chlazení se zkracuje chlazením formy vodou protékající soustavou chladicích kanálků a případně foukáním ochlazeného vzduchu na výtažek. Většího efektu se však dosáhne rozprašováním vodní mlhy.

.: Jdi na začátek stránky :.