Оснастка для термоформования: классификация, основные материалы для изготовления

Шерышев М.А.
«Производство изделий из полимерных листов и пленок»

Метод термоформования листовых и пленочных термопластов использует большую гамму самой разнообразной технологической оснастки (проймы, матрицы, пуансоны формующие и вытяжные, натяжные рамы и т. д.). При этом существуют варианты использования одной и той же оснастки в сочетании с разнообразными технологическими приемами.

Технологическую оснастку для термоформования объемных изделий из листовых и пленочных термопластов можно классифицировать по выполняемой функции:
• на оформляющую оснастку, которая придает заготовке, формуемой с помощью вакуума или сжатого воздуха, вид готового изделия (например, проймы при свободном формовании);
• формующую оснастку, которая сама непосредственно формует заготовку и придает ей форму готового изделия (например, матрицы при негативном формовании);
• вспомогательную оснастку, которая используется для предварительной механической вытяжки перед формованием или для других вспомогательных целей(изделие не воспроизводит геометрию вспомогательной оснастки).

По методу осуществляемого на данной оснастке формования ее можно разделить на проймы (для свободного формования), негативную, позитивную и негативно-позитивную. По методу установки на оборудование оснастка делится на стационарную и съемную, по числу одновременно формуемых изделий — на одно- и многогнездную. Технологическая оснастка для термоформования может быть жесткой и эластичной; разъемной; двухсторонней; со вставными или закладными подвижными или неподвижными знаками; с термостатированием или без него.

Невысокие рабочие давления, используемые при термоформовании, позволяют применять для изготовления формующей оснастки материалы с относительно низкими прочностными показателями. Выбор материала зависит, в первую очередь, от количества формуемых деталей и от требований к их качеству. Установлено, что деревянные формы выдерживают до 500 формовок, гипсовые — до 50, формы из каменного литья и из литьевых полимерных компаундов — свыше 500. На формах из слоистых пластиков, цветных металлов и стали можно получить неограниченное число изделий.

Для производства единичных образцов и малых серий изделий наиболее широко применяются деревянные формы. Для изготовления форм применяется древесина ольхи, клена, вяза, липы, вишни, груши, бука или красного дерева. Можно использовать фанеру. При изготовлении форм необходимо учитывать, что древесина дает разную усадку вдоль и поперек волокон. На практике это затрудняет получение изделий с размерами, требующими большой точности. Поэтому формы делают из тщательно просушенной и пропитанной клеем древесины с параллельным расположением волокна. Для улучшения качества поверхности и уменьшения износа деревянные формы часто покрывают эпоксидными смолами с последующей пескоструйной обработкой или шлифованием и полировкой.

Хорошие теплоизоляционные свойства древесины способствуют тому, что на поверхности изделий никогда не образуется пятен переохлаждения. Однако при длительной непрерывной работе формы возможен ее перегрев, что, естественно, приводит к замедлению цикла. В этих случаях рекомендуется один раз в 5-7 циклов обдувать деревянную форму с помощью вентилятора или воздушного пистолета. У деревянных форм не рекомендуется делать какие-либо подвижные вставки, так как в этом случае возможное количество отформовок с этой формы может снизиться почти в 10 раз. Элементы форм соединяют на шурупах, а не крепят гвоздями или клеем. Это дает возможность легко заменять отдельные вышедшие из строя детали.

В тех случаях, когда поверхность формы не покрыта слоем эпоксидной смолы, полезно покрывать поверхность дерева лаком, чтобы предохранить его поры от попадания влаги. Это делается разбрызгивателем или кистью. Для производства единичных изделий выгодны гипсовые формы. Их получают простой отливкой с модели из глины, гипса, пластилина, дерева или металла. Форма должна быть тщательно высушена. Рекомендуется проводить воздушную сушку продолжительностью от 3-х дней до недели в зависимости от размеров формы.

Если форму нужно срочно использовать, то после естественной просушки ее поверхностного слоя форму можно поместить в сушильный шкаф. Температура сушки около 50 °С. При прочих равных условиях форма, высушенная при комнатной температуре, несколько долговечнее формы, подвергнутой ускоренной сушке. Для изготовления форм можно применять гипс разных марок, однако наиболее пригодны формы из модельного гипса или смеси гипса с алебастром. После отливки и просушки гипсовой матрицы ее можно упрочнить пропиткой 30%-ным раствором железного или медного купороса, а также разбавленным раствором жидкого стекла.

Гипсовая форма должна иметь развитую опорную поверхность, на которой недопустимы сколько-нибудь значительные неровности. Гипсовые формы пористы, поэтому эвакуационные (вентиляционные) отверстия в них предусматриваются лишь в местах, нуждающихся в наиболее интенсивном отсосе. Однако при необходимости срочного изготовления формы, когда нет времени ждать полного высыхания массивных элементов, предусматривают обычное количество отверстий.

Для увеличения долговечности гипсовых форм успешно используется их армирование волокнами или тканями. Иногда применяют проволочный каркас. Для увеличения поверхностной прочности форму можно снаружи обработать жидким стеклом, но при этом нужно предусматривать обычное число вентиляционных отверстий. При конструировании гипсовых форм учитывается изменение их линейных размеров при высыхании.

Для средних сроков работы применяют формы, отлитые из фенольных, полиэфирных или эпоксидных смол. Модель для отливки формы может быть выполнена из дерева, гипса, глины и т. п. В качестве разделительного слоя при отливке применяют восковые композиции. Чтобы избежать пор внутри формы, раковин и каверн на ее поверхности, заливку композиций лучше проводить с вакуумированием. Если форма массивная, то заливка ведется в несколько приемов. Это позволяет уменьшить остаточные напряжения в готовой форме. При необходимости форму армируют стекломатериалами, а для укрепления ответственных мест, таких как верхний кант, тонкие знаки и т. п. используют металлические вставки. Наиболее равномерную усадку дают холодноотверждающиеся композиции, например: эпоксидная смола — 100 массовых частей (м.ч.), полиэтиленполиамин 10-12 м. ч., дибутилфталат 10-12 м.ч., мелкодисперсный порошок железа 200 м. ч. Можно использовать и другие составы.

После отверждения смолы рекомендуется термообработка формы в сушильном шкафу: 1 ч при 30 °С, 2 ч при 40 °С, 2 ч при 60 °С и 7 ч при 65 °С. Затем форма должна оставаться в выключенном шкафу до полного остывания. После отверждения вновь отлитая форма подвергается пескоструйной обработке, шлифуется и полируется.

Для охлаждения полимерных форм простой конфигурации достаточно использовать охлаждающую рубашку, служащую одновременно упрочняющим элементом. В формах со сложной геометрией предусматривают обычно охлаждающие каналы. Для этого заранее из металлической трубки делают змеевик с таким расчетом, чтобы контур, образуемый трубкой, располагался на одинаковом расстоянии 6-10 мм от кромки формы. Змеевик устанавливают на место, фиксируют проволокой и заливают компаунд.

Для получения вентиляционных каналов сразу после заливки литьевой композиции в заранее предусмотренные места вставляют стальную проволоку, диаметр которой соответствует размерам будущих каналов. На поверхность проволоки предварительно наносится разделительная смазка. Приблизительно через 1,5-2 ч проволока удаляется, а на ее месте остаются необходимые отверстия для удаления воздуха.

Процесс изготовления форм из каменного литья очень близок к процессу производства форм из литьевых полимерных смол. Формы малых габаритов лучше не армировать. Время полной готовности формы — примерно 30 ч. Дополнительная обработка после этого срока не рекомендуется, так как связана с большой трудоемкостью и приводит к ухудшению эксплуатационных свойств формы.

Вентиляционные каналы в формах легче всего получать, закладывая в соответствующие места перед заливкой каменной массы проволоку, хорошо смазанную по поверхности жиром, который является лучшим разделительным слоем. Вынимают эту проволоку примерно через 14 ч после заливки формы. Каменное литье вызывает коррозию металлов, поэтому, если невозможно обойтись без арматуры, следует использовать армирующие элементы лишь с соответствующим защитным покрытием. Для придания прочности форме и удлинения ее срока службы ребра, пазы, выступы и тому подобные элементы можно армировать стекловолокном.

Для охлаждения форм в процессе их работы в каменную массу могут быть заделаны змеевики (порядок их установки такой же, как и при изготовлении форм из литьевых полимерных смол). Через эти змеевики в процессе отверждения каменной массы рекомендуется пропускать воду с целью отбора тепла, выделяющегося при реакции отверждения.

Для длительных сроков службы применяют металлические или покрытые металлом формы. Обычно используют алюминий и его сплавы, латунь, магниевые сплавы, сплавы электролитного цинка и сталь. Наибольшее распространение получили формы, отлитые из цветных металлов и, в частности, из сплавов алюминия. Их, как правило, изготовляют литьем по деревянным или пластмассовым моделям в землю. Затем отливка подвергается механической обработке. Иногда алюминиевые формы изготовляют из сплошной заготовки с применением только механической обработки. Последний метод предпочтителен для производства стального формующего инструмента. Формы из легких сплавов хорошо обрабатываются, имеют высокое качество поверхности, хорошо отводят тепло, позволяют изготовить большое количество отформовок. Непосредственно при литье в эти формы могут быть залиты змеевики, выполненные из более теплостойких металлов, например стальные. Положительным фактором является и небольшая масса этих форм. При изготовлении модели следует учитывать усадку металла при литье. Так, для алюминиевых сплавов она составляет примерно 0,8%.

Стальные формы используются, в основном, на автоматических линиях высокой производительности. При изготовлении стальных форм хорошее качество рабочих поверхностей рекомендуется достигать за счет нанесения на них медно-никелевого или хромового покрытия. При производстве форм для машин с ручным и полуавтоматическим управлением наибольшее распространение сталь получила не при изготовлении пуансонов и матриц, а как материал для вспомогательных элементов, например, опорных плит и тому подобных частей, изготовление которых из литых заготовок экономически необоснованно.

В связи с большой стоимостью металлических форм их целесообразно применять только тогда, когда количество формуемых изделий оправдывает затраты на изготовление формующего инструмента. Для длительных сроков эксплуатации кроме металлических форм применяют также и гальванобетонные. Последние состоят из тонкостенного оформляющего знака (скорлупы), который помещается в металлическую обойму и заливается неметаллическими опорными массами (например, бетоном). Скорлупа получается электроосаждением металла (чаще всего меди) в гальванических ваннах. Осаждение проводят на модель, изготовленную из легкообрабатываемых металлических материалов, модельного воска, пластмасс, гипса и т. п.

Модель покрывают тонким токопроводящим слоем графита, серебряной амальгамой, полученной восстановлением азотнокислого серебра и т. д. Толщина полученной методом гальванопокрытия скорлупы матрицы или пуансона составляет 3-4 мм. Рабочая поверхность скорлупы хромируется или никелируется. Готовая скорлупа устанавливается на оформляющую раму, которая крепится к обойме. На обойме же закрепляются металлические трубы, которые затем образуют систему охлаждения формы. Во избежание появления дефектов на поверхности изделий в виде полос переохлаждения, расстояние от вмонтированных трубок до скорлупы должно быть не менее 15 мм. После этого происходит заливка формы опорной массой — бетоном. Заполнение должно проходить с обязательным уплотнением бетона трамбованием или наложением вибрации, так как это повышает прочность гальванобетонной формы на 20-30%.

Инструмент для механической вытяжки изготавливают преимущественно из цементируемых конструкционных сталей, эластичные пуансоны и матрицы для механического формования изготавливают из резиновых смесей методом вулканизации на прессе. Возможно применение вспененной резины. Для изготовления форм иногда применяют материалы типа папье-маше с лаковым или эпоксидным покрытием. Разработаны рецептуры для изготовления прочных полимер-бетонных форм. Изготовляются также специальные формы путем напыления металлического покрытия на хлопчатобумажную ткань.

Автор: Шерышев М.А.
По материалам: «Производство изделий из полимерных листов и пленок», издательство НОТ