Кристиан Хопманн, доктортехнических наук, профессор,
Деннис Бальцеровяк, магистр наук,
Мартин Факлам, доктор технических наук,
Институт переработки пластмасс при Рейнско-Вестфальском техническом университете Ахена (RWTH)
 |
| Рисунок 1. Схема охлаждения пленки пуансоном, охлаждаемым с использованием воздуха |
Для изготовления тонкостенной упаковки из термопластичных материалов кроме литья под давлением применяется технология термоформования. Малая толщина стенки изделий гарантирует детали минимальную массу и, соответственно, позволяет уменьшить затраты материала [1, 2, 3, 4]. Кроме того, сегодня любой способ переработки должен обеспечить экономичный расход пластика, чтобы производство соответствовало современным экологическим, общественно-политическим и законодательным нормам. Благодаря целенаправленному повышению эффективности использования материалов дополнительно сокращается потребление энергии, поскольку требуется нагревать и охлаждать меньший объем полимера [3, 5, 6, 7]. Однако такое уменьшение не должно сказываться на характеристиках продукции, прежде всего на устойчивости к вертикальной нагрузке, или на барьерных свойствах [8, 9]. Оба эти параметра напрямую связаны с показателем толщины стенки детали, поэтому так важно максимально однородное распределение сырья в процессе формования стенки. В связи с этим разработка изделий с меньшим расходом полимера представляет собой достаточно сложную технологическую задачу.
 |
| Рисунок 2. Расчет профиля температуры в зависимости от локальной степени вытяжки [3] |
При изготовлении термоформованных изделий без использования вспомогательных средств для вытяжки распределение материала очень неоднородно из-за локальных различий зон вытяжки пленки. При негативном (в матрице) формовании, которое в основном используется для производства промышленной упаковки, термоформованные детали, например стаканчики, имеют тонкие места на участке перехода от дна к стенке [1, 3, 10]. И напротив, зоны по верхним краям стаканчика имеют сравнительно большую толщину. Оптимизировать распределение материала по всей толщине стенки, одновременно повысив эффективность использования сырья, можно с помощью разных вариантов улучшения технологии термоформования.
Например, кроме часто используемой вытяжки пуансоном может применяться профилирование температуры пленки, которое приводит к локальным различиям показателей сопротивления вытяжке, поэтому в данном случае берутся типы пластмасс, способные к быстрой температурной динамике. Заготовка в местах утолщения получаемой термоформованной детали нагревается сильнее, в то время как тонкие участки нагреваются и охлаждаются слабее. Таким образом, более теплые участки пленки из-за меньшего сопротивления вытяжке вытягиваются сильнее, чем более холодные. Чтобы повлиять на распределение материала по всей толщине стенки изделия с помощью профилирования температуры, вместо пуансонов для предварительной вытяжки используются охлаждаемые пуансоны, которые локально отбирают тепло у пленки в форме перед началом переработки. Благодаря согласованному управлению производственным процессом удается избежать образования тонких мест и обеспечить однородное распределение полимера в стенке термоформованной детали.
Возможности профилирования температуры
 |
| Таблица 1. Характеристики используемых пуансонов и параметры процесса |
Необходимый профиль температуры для заготовки можно задавать различными способами: например, может использоваться лазер или контактный нагрев. При использовании данных методов после нагрева до температуры термоформования локальный нагрев определенных участков заготовки, на которых требу- ется сильнее вытянуть материал, продолжается, что приводит к повышению температуры в этих зонах [3, 11, 12, 13, 14, 15, 16].
При использовании способа маскирования в станцию нагрева устанавливаются алюминиевые маски, которые локально экранируют инфракрасное излучение, в результате чего из-за образовавшейся тени в пленку передается меньше энергии и тем самым на пленке создается неоднородный профиль температуры [3].
 |
| Рисунок 3. Примеры формы охлаждаемого пуансона диаметром 40 мм и концепции системы термостатирования для получения профилей температуры |
Напротив, при локально «активном» охлаждении заготовка нагревается обычным способом, что обеспечивает очень однородное распределение температуры. Затем заготовка, как и в традиционном процессе термоформования, перемещается на станцию формования, и форма смыкается. После этого перед началом формования с использованием воздуха происходит отвод тепла за счет контакта охлаждаемого пуансона с пленкой (рис. 1). Использование охлаждаемого пуансона приводит к неоднородному распределению температуры, которое при правильном расчете позволяет улучшить однородность толщины стенки деталей после формования. Это «локальное охлаждение» схематично представлено на рис. 1.
Расчет температурного профиля и параметров пуансона
Основной целью при расчете параметров охлаждаемого пуансона является согласование локальных значений сопротивления вытяжке материала на критических участках (утолщения и тонкие места) изделия. Если рассматривать осесимметричную деталь стаканчика, то тот участок заготовки, на котором после термоформования возникнет тонкое место, должен вытягиваться слабее. Из-за вызванного этим более высокого сопротивления область вытяжки с помощью воздуха перемещается на участки с более высокой температурой пленки. Этот принцип схематично показан на рис. 2.
 |
| Рисунок 4. Окончательные профили температуры при использовании пуансонов различной формы с температурой 20°C |
Степень вытяжки представлена в виде линии на осесимметричной детали, идущей от центра дна до верха стаканчика. Отчетливо видно серьезное увеличение степени вытяжки на участке перехода от дна к стенке. Сильная вытяжка приводит к уменьшению толщины стенки на данном участке детали. От тонкого места на участке перехода до верха стаканчика степень вытяжки непрерывно уменьшается (λ = 1, невытянутая пленка). Поэтому из анализа степени вытяжки следует, что для обеспечения создания максимально однородной толщины стенки необходимо согласовать температуру на соответствующих участках заготовки в обратном порядке. Для сильной вытяжки требуется меньшая температура и наоборот.
 |
| Рисунок 5. Окончательные профили температуры при использовании пуансонов различной формы с температурой 0°C |
Помимо формы охлаждаемого пуансона на окончательные профили температуры влияют и другие факторы. Помимо условий контакта, определяющих коэффициент теплопередачи между заготовкой и пуансоном, на температурный профиль влияют изменения толщины и температуры пленки, температура охлаждаемого пуансона и продолжительность контакта. Поскольку все перечисленные факторы важны для достижения необходимого распределения материала в стенке изделия, нужно уделить особое внимание форме охлаждаемого пуансона при максимально короткой продолжительности цикла.
Условия проведения испытаний
 |
| Рисунок 6. График распределения толщины стенки стаканчика, отформованного без профилирования температуры (материал — ПС, температура пленки — 120°C) |
Термоформованная деталь для испытания локального активного охлаждения имеет форму стаканчика. Полость и, соответственно, термоформованная деталь имеет диаметр отверстия 60 мм, глубину 40 мм и формовочный уклон 4°. Термоформование производилось на одностанционной формовочной машине с вынесенной станцией нагрева Kiefel KD 20/25 фирмы Kiefel GmbH (Фрайлассинг, Германия). Использовалась пленка из полистирола (ПС) фирмы W.u.H. Fernholz GmbH & Co. KG (Майнерцхаген, Германия) с исходной толщиной 0,8 мм. Задержка времени подачи воздуха для формования не использовалась, чтобы избежать увеличения продолжительности цикла и проверить, является ли столь короткое время контакта между охлаждаемым пуансоном и пленкой достаточным для создания профиля температуры. Таким образом, термоформование с использованием воздуха для формования происходит сразу после того, как нижний стол пресса поднят и пленка зажата между рабочей камерой для создания давления и формой. В дальнейшем немедленная подача воздуха для формования соответствует времени задержки 0 с. Другие параметры процесса испытания активного охлаждения представлены в таблице 1. Диаметр используемых пуансонов на участке контакта с пленкой составляет 35; 40 и 45 мм. При выборе диаметра 40 мм исследователи основывались на результатах исследования Мартенса, чтобы иметь возможность сравнить влияние полученного в данном исследовании профиля температуры с использованием масок на распределение материала по всей толщине стенки после применения активного охлаждения [3]. Однако поскольку из-за контакта следовало ожидать более выраженного профиля и перепада температуры по сравнению с профилем, полученным с использованием маски, были выбраны два дополнительных пуансона диаметром 35 и 45 мм. Для охлаждения пуансонов использовался диоксид углерода (CO2). CO2 подавался с постоянным объемным расходом в полые пуансоны с отверстием глубиной 70 мм и диаметром 24 мм. В пуансоне диоксид углерода двигался в направлении дна пуансона, заполнял полость и затем отводился через переливное отверстие. На рис. 3 представлен пуансон диаметром 40 мм в разрезе.
 |
| Рисунок 7. Распределение толщины стенки термоформованной детали при температуре охлаждаемого пуансона 20°C для разных диаметров пуансона (ПС, 120°C) |
Достигнутые значения температуры пуансона и полученные профили температуры на пленке регистрировались инфракрасной камерой A320 фирмы FLIR Systems Inc. (Уилсонвилл, Орегон, США) и анализировались посредством соответствующего программного обеспечения IR Researcher той же фирмы [17]. Значения температуры, зарегистрированные ИК-камерой, контролировались с помощью поверхностного термометра testo 992 фирмы Testo SE & Co. KGaA (Ленцкирх, Германия) с присоединенными зондами для контактного измерения температуры на поверхности. Поскольку профилирование температуры проис- ходит в закрытой форме, для выполнения снимка ее необходимо открыть и переместить растяжную раму с пленкой в предметное пространство камеры. Время от момента контакта пленки с пуансоном до момента съемки составляет около 2 с.
Влияние параметров пуансона на профиль температуры заготовки
Для анализа локально активного охлаждения за счет контакта с охлаждаемым пуансоном на пленке регистрировались окончательные значения температуры заготовки, чтобы оценить выбранные параметры процесса применительно к полученным профилям температуры и их выраженности. На рис. 4 представлено влияние разных форм пуансона при температуре пуансона 20°C и продолжительности контакта 0 с на окончательный профиль температуры. Следует отметить, что профили температуры возникают за счет контакта с охлаждаемым пуансоном, однако выражены несильно. Для пуансона диаметром 35 мм минимальное изменение температуры составляет всего несколько градусов Цельсия. Разница в температуре охлажденных участков при температуре пленки 120°C составляет всего 6°C. Для пуансона диаметром 40 и 45 мм кольцевые профили смещаются наружу, и это доказывает, что за счет изменения формы пуансона могут охлаждаться разные участки пленки. Разница в температуре, которая устанавливается на пленке, не зависит от различий в характеристиках пуансонов. При диаметре охлаждаемого пуансона 40 или 45 мм устанавливается средняя разница в температуре 5 и 7°C.
 |
| Рисунок 8. Окончательные профили температуры при выступе охлаждаемого пуансона за край рабочей камеры на 4 и 8 мм (ПС, 120°C) |
Однако заметно, что при любых профилях температуры образуется всего одно круговое кольцо, несмотря на то, что используемые охлаждаемые пуансоны изготовлены из сплошного материала, как показано на рис. 3. Образование кругового кольца может объясняться провисанием пленки, которое при коротком контакте с пуансоном без задержки времени приводит к тому, что с пленкой контактируют только наружные участки охлаждаемого пуансона. В результате внутренний участок пуансона не отводит тепло от полотна, и участки пленки охлаждаются менее интенсивно.
Как и прежде, профили температуры измерялись с разным временем задержки — 2; 4 и 6 секунд — перед ИК-съемкой. При больших интервалах измерения можно установить, что сплошные профили охлаждаемого пуансона создают разницу в температуре, в том числе в пределах кругового кольца, видимого на ИК-снимках. Однако вследствие сравнительно медленной передачи тепла через пленку до того момента, когда профили температуры станут выраженными, время настолько велико, что из-за требуемой короткой продолжительности цикла данный подход нецелесообразен и не может использоваться на практике. Поэтому данные результаты отдельно не показаны.
Чтобы получить более выраженные профили температуры при неизменной продолжительности цикла, необходимо снизить температуру охлаждаемого пуансона. Как показано на рис. 5, снижение температуры пуансона на участках контакта приводит к более серьезной разнице в температуре. Разница в температуре до 10°C на пленке достигается за счет снижения температуры пуансона до 0°C. В среднем при температуре охлаждаемого пуансона 0°C разность температур увеличивается всего на 2,1°C по сравнению с разностью температур при температуре охлаждаемого пуансона 20°C. Положение возникающих охлаждающих колец отличается в зависимости от диаметра пуансонов аналогично тому, как показано на рис. 4. Другие значения температуры пуансона от 0 до 20°C приводят к регистрации выраженного профиля температуры, которые фиксируются между двумя показанными результатами.
Однородность толщины стенки после локального охлаждения пленки
 |
| Рисунок 9. Распределение толщины стенки термоформованной детали при температуре охлаждаемого пуансона 0°C при выступе охлаждаемого пуансона на 4 и 8 мм (ПС, 120°C) |
Следующим этапом после исследования влияния конструкции формы и температуры охлаждаемого пуансона на профиль температуры заготовки стал анализ того, как форма и температура охлаждаемого пуансона определяют окончательное распределение материала по всей толщине стенки после термоформования. Требовалось проверить, является ли разница в температуре до 10°C достаточной для того, чтобы повлиять на однородность толщины. Для сравнения использовался профиль стенки стаканчика, отформованного с однородной температурой (рис. 6). Для наглядности и из-за осесимметричности термоформованной детали представлена только одна линия вдоль половинки стаканчика. Локальная толщина стенки анализировалась по всему поперечному сечению стаканчика на пяти термоформованных деталях. Затем значения в противолежащих точках измерения осреднялись. Особенно бросается в глаза тонкое место в точках измерения (ТИ) 6 и 7 на участке перехода от дна к стенке. Здесь отмечается наибольшая вытяжка. После точек измерения 6 и 7 толщина стенки постоянно увеличивается, вследствие чего вверху стаканчика возникает участок со сравнительно большой толщиной (ТИ 14).
Окончательное изменение толщины стенки при использовании профилирования температуры с помощью активного локального охлаждения показано на рис. 7 на примере анализа температуры охлаждаемого пуансона 20°C в случае его разных диаметров. Рисунок показывает, что показатели толщины стенки у термоформованных деталей, произведенных с учетом профилирования температуры, изменяются незначительно. Изменение распределения значения толщины стенки от центра дна стаканчика с толщиной 0,15 мм, критичного участка между точками измерения ТИ 6 и 7 (< 0,1 мм) до края изделия (ТИ14) соответствует изменению распределения толщины стенки при традиционном процессе, показанном на рис. 6.
Лишь на участке контакта в точке измерения ТИ 13 заметно небольшое изменение толщины. Отсутствие отличий может объясняться различными причи нами. Во-первых, при выполнении ИК-съемки и интерпретации изображений необходимо учитывать время задержки, которое оставляет около 2 с. Поэтому следует исходить из того, что при изготовлении стаканчиков профиль температуры еще не сформировался в достаточной степени из-за отсутствия времени задержки для создания профиля температуры по толщине пленки. Поэтому окончательная разница в температуре слишком мала. Для выравнивания температуры путем, например, передачи тепла через пленку, требуется слишком много времени по сравнению с продолжительностью процесса, чтобы они могли значительно повлиять на изменение значений сопротивления вытяжке пленки. Профилирование температуры без времени задержки приводит к распределению значений толщины стенки, сравнимому с тем же показателем при традиционном процессе. Представленные на рис. 5 профили температуры, созданные при применении пуансона с температурой 0°C, приводят к аналогичным незначительным различиям в распределении материала по толщине стенки, поэтому они не представлены.
Влияние изменения положения пуансона на профили температуры
Далее была увеличена продолжительность контакта между охлаждаемым пуансоном и пленкой, чтобы получить более выраженное профилирование температуры. При этом соблюдалось правило, что общая продолжительность цикла процесса не должна увеличиваться. Во время испытания охлаждаемый пуансон располагался не как прежде, с выступом 0 мм относительно рабочей камеры (см. рис. 1), а выступал из нее на некоторое расстояние. За счет этого осуществлялся более ранний контакт пуансона с пленкой, который сохранялся вплоть до смыкания формы. Затем, как и прежде, происходило термоформование с использованием сжатого воздуха при времени задержки 0 с. Влияние выступа охлаждаемого пуансона на 4 и 8 мм на окончательные профили температуры представлено на рис. 8 на примере пуансона диаметром 40 мм с температурой 0°C. При данных параметрах процесса окончательные различия в локальных значениях температуры на пленке также очень невелики и лишь немного отличаются от значений, полученных в процессе испытаний с применением пуансона без выступа. Однако температура при этом снижается. При выступе на 4 мм разность температур составляет около 3°C, а при выступе 8 мм она достигает 6,6°C.
Кроме того, следует отметить разницу в величине температуры по круговому кольцу, что представлено на рис. 5 в центре и на рис. 8 слева. Круговые кольца не очень отчетливо отделены от более горячих окружающих участков и демонстрируют неоднородность на самом охлажденном участке. Разница в температуре при выступе пуансона 0 мм в среднем составляет около 9,6°C, что значительно больше, чем при выступе 8 мм и разности температур 6,6°C. Меньшая разница в температуре — показатель противоречивый, поскольку при выступе пуансона на 8 мм продолжительность контакта больше, а сам контакт с пуансоном происходит раньше. Поэтому профиль температуры должен быть выражен сильнее. Разность температур при различной величине выступа пуансона и разница в температуре в пределах кругового кольца объясняется тем, что при температуре пуансона 0°C на нем замерзает влага из окружающей среды. Тем самым лед, образующийся на пуансоне, вызывает изменение условий передачи тепла и разность температур по самому профилю кольца. Разность температур можно объяснить отличающимися условиями контакта, поскольку пленка деформируется из-за локального быстрого охлаждения. Поэтому решение поддерживать температуру охлаждаемого пуансона 0°C или ниже в классических производственных условиях непрактично и должно быть поставлено под сомнение.
На рис. 9 представлены соответствующие примеры распределения значения толщины стенки, полученные при описанных параметрах процесса при условии выступа пуансона диаметром 40 мм. Они лишь незначительно влияют на окончательное распределение материала по толщине стенки. Процесс в целом почти не отличается. Однако бросается в глаза, что по сравнению с параметрами процесса (температура пуансона 20°C, выступ 0 мм) и значениями толщины стенки, представленными на рис. 7, достигается небольшое увеличение толщины стенки на участке перехода от дна к стенке (ТИ 6 и 7). Все значения толщины на данном участке в среднем составляют более 0,1 мм и превышают полученные прежде окончательные значения толщины стенки на участке этих точек измерения. Кроме того, следует отметить изменение толщины стенки на участке ТИ 10 при выступе пуансона на 8 мм. Изменение показывает, что увеличенная продолжительность контакта приводит к выраженному профилированию температуры и тем самым к более высоким значениям сопротивления вытяжке, из-за чего пленка в данном режиме вытягивается слабее. Хотя в среднем на распределение толщины стенки можно повлиять, на затронутых участках возникает большой разброс значений. Разумеется, продолжительность контакта не всегда остается достаточно длительной, чтобы вызвать значительные изменения в толщине стенки. По этой причине в дальнейших исследованиях необходимо дополнительно увеличить время контакта. Увеличение данного параметра за счет изменения выступа пуансона и дальнейшего снижения его температуры недостаточно, так как при этом приходится увеличивать время задержки до подачи воздуха для формования, что, в свою очередь, приводит к эскалации времени цикла.
Перспективы дальнейших исследований
Данное исследование продемонстрировало, как можно повлиять на сопротивление пленки вытяжке и, как следствие, на распределение значений толщины стенки изделия за счет локального активного охлаждения пленок при термоформовании. Однако следует отметить, что профилирование температуры за счет использования охлаждаемых пуансонов невозможно без увеличения продолжительности процесса. Причина этого заключается в том, что при уменьшении времени контакта невозможно отвести от пленки необходимое количество тепла для того, чтобы в достаточной степени повлиять на сопротивление вытяжке. Поскольку контакт охлаждаемого пуансона происходит с одной стороны, необходимо обеспечить дополнительное охлаждение через толщину пленки, из-за чего обязательным условием является задержка времени до термоформования. Дальнейшее снижение температуры охлаждаемого пуансона нецелесообразно из-за замерзания воды при температуре 0°C. Поэтому далее в ходе проекта продолжительность контакта пленки с охлаждаемым пуансоном будет увеличиваться за счет задержки подачи воздуха для формования, например на 0,1 с. Оптимизация формы охлаждаемого пуансона также должна изменить профили температуры на пленке таким образом, чтобы обеспечить однородность толщины стенки детали.
Institut fuer Kunststoffverarbeitung (IKV)
