Термоформовъчни машини

Термоформоването е широко използван производствен метод за изработване на богат асортимент от изделия от термопластични полимери с помощта на матрици. Съвременното оборудване е с висока степен на автоматизация и множество функции за повишаване на ефективността и качеството, което значително оптимизира процеса в сравнение с практиките само от преди едно или две десетилетия. Голяма част от модерните термоформовъчни машини са проектирани за специфични производствени приложения и по-прецизна работа. Иновациите в сегмента стимулират производителите да инвестират във високотехнологични решения, които позволяват тясно специализиране на оборудването спрямо съответното приложение. В условията на масова дигитализация в индустрията практиката да се купуват конвенционални универсални машини с по-ниска точност и производителност постепенно остава в миналото.

Термоформоването динамично се развива в технологичен план в синхрон с експоненциалното нарастване на приложенията и разнообразяването на гамата произвеждани изделия. Усъвършенстваните функции за мониторинг, управление, автоматизация, дигитализация и свързаност на машините от последно поколение помагат на производствените предприятия в отрасъла адекватно да отговарят на това развитие и да следват тенденциите на Индустрия 4.0. Оборудването в най-модерните термоформовъчни цехове днес разполага с подобрени сензорни технологии и удобни потребителски интерфейси, които гарантират ниски оперативни разходи, висока ефективност и почти автономна работа.

Същност на процеса

Термоформоването е широко прилаган производствен метод, при който лист пластмасов материал се нагрява до съответната температура, която да го направи гъвкав. С помощта на матрица нагретият материал се формова, а излишните краища се изрязват с цел получаване на завършен продукт, който впоследствие се охлажда. Подходящи за термоформоване са голям набор от термопластични полимери, включително, полистирен, полипропилен, APET, CPET и PVC. За неспецифични приложения обикновено се използва единичен лист от един вид материал. В някои по-специални производства се ползват многослойни листове от няколко вида полимери. Пластмасовият лист или филм се нагрява в специална пещ до температура, която позволява неговото разпъване и оформяне.

Най-опростената версия на метода е позната като вакуумно формоване. Тя може да се извършва и на компактна настолна машина, която загрява малки листове от полимерен материал и ги формова върху матрица с помощта на вакуум. Този метод обикновено се използва за изработката на мостри и прототипи. В по-комплексни и високообемни приложения типично се залага на големи производствени машини или линии, които извършват всички етапи на термоформовъчния процес (загряване, формоване, изрязване и охлаждане) в рамките на един производствен цикъл, като циклите се редуват с висока скорост в непрекъснат ред. В резултат могат да бъдат произведени хиляди готови изделия за час в зависимост от размера на матриците и продуктите.

Термоформоването значително се различава от леенето под налягане, формоването чрез раздуване, ротационното формоване и други методи за производство на пластмасови изделия.

Т. нар. тънкомерно термоформоване е основно предназначено за изработката на изделия за еднократна употреба, като контейнери, кутии, чаши, капаци, тавички, блистери, контейнери с прикачени капаци тип “мида”, профилни вътрешни контейнери (разделители) и други подобни продукти за хранително-вкусовата, фармацевтичната, медицинската индустрия и др. Чрез тънкомерно термоформоване могат да бъдат произведени дори и автомобилни врати и табла, хладилни облицовки, пластмасови палети и др.

При най-разпространения метод за високообемно непрекъснато производство на тънкомерни пластмасови изделия полимерният филм се подава от ролка или екструдер към комплект индексиращи вериги с шипове, които пробождат листа и го транспортират през пещ, където той се загрява до желаната температура за термоформоване. След това нагретият филм се придвижва до станцията за формоване. Там той попада между матрицата и съответстващата й по форма вакуумна камера, която измества попадналия въздух между материала и формоващия инструмент, за да заеме затопленият материал необходимата форма с пълна точност. При по-големи и дълбоки матрици често се използват допълнителни вакуумни приспособления, които осигуряват равномерно разпъване на материала и постигане на еднаква дебелина на стените на готовото изделие. След кратък етап на формоване рязко се подава въздух под налягане от вакуумиращата част на матрицата с цел изваждане на заготовката. По-сложните изделия и тези с комплексни профили и множество вдлъбнатини и изпъкналости обикновено се изваждат от калъпа със специализирани спомагателни системи. Тогава листът с формованите върху него изделия се подава към станция за обрязване на същата машина, където с помощта на щанци излишният материал се отстранява. Остатъчният филм с прорезите се подава към гранулатор за рециклиране или се навива на макара за последващо използване. Рециклирането на отпадъчните материали чрез компресиране в машина за балиране или гранулиране (смилане) е все по-популярен метод за повишаване на производствената ефективност на принципа на кръговата икономика и се прилага от много предприятия с екологосъобразна политика.

Иновации

Макар съвременният термоформовъчен процес по своята същност да не се различава много от първоначалния си вариант, развитието на технологиите в областта на машиностроенето, инструменталната екипировка и материалознанието значително са допринесли за качествената оптимизация на множество от аспектите на метода. Микропроцесорните и компютърните технологии са друг важен “двигател” за развитието на технологията и използваното оборудване по отношение на процесното управление, повторяемостта на циклите с едни и същи настройки и възможностите за икономии на време и енергия. При по-новите машини е налице опция за паралелно обрязване на отделна станция в същата конфигурация. Ефективността на тази операция се гарантира с използването на електрически сервомотори за позициониране и придвижване на филма като алтернатива на въздушните цилиндри, зъбни предавки и съединители при по-старото оборудване.

Сервомоторите в някои по-съвременни модели служат и за задвижване на формовъчните плочи, върху които е монтирана инструменталната екипировка за оформяне и изрязване. При конвенционалните машини от по-старо поколение това задвижване обикновено се извършва с помощта на въздушни цилиндри. Сервотехниката осигурява множество предимства по отношение скоростта и синхрона на отваряне и затваряне на калъпите и щанците. Кварцовите и лъчистите панелни нагреватели за пещите са друго нововъведение при метода, което повишава прецизността, зонирането и регулирането на нагряването на полимерния филм.

Инструменталната екипировка е ключов елемент от термоформовъчния процес. Всяка матрица е със специален дизайн в зависимост от вида на изработваното изделие. Тънкомерното термоформоване почти винаги се изпълнява на цялостни производствени линии, включващи отделни станции за всички производствени етапи. При него са необходими матрици, спомагателни системи за равномерно разпределяне на материала, съответните вакуумни камери (калъпи), монтажни плочи, щанци за изрязване и системи за палетизиране на готовите изделия.

Термоформоването на изделия с по-плътни и дебели стени също изисква матрици със специален дизайн според вида на продукта. Едрогабаритните изделия налагат използването на матрици от лят алуминий или друг композитен материал, докато при тънкомерното формоване калъпите обикновено са от обработен алуминий. В някои приложения се използват още гипсови, дървени и пластмасови матрици.

Дебеломерните изделия типично се обрязват на CNC рутери или ръчно с помощта на триони или резачки. На практика дори най-високотехнологичната и прецизна машина е толкова ефективна, колкото инструменталната й екипировка. Ето защо някои от най-големите глобални производствени предприятия в сферата на термоформоването сами проектират и произвеждат матриците, щанците и пресформите за собствените си машини.

Възможности за управление

Машинните контролери непрекъснато се усъвършенстват. Софтуер за машинно управление се използва в практиката от повече от две десетилетия, а съвременните решения в областта предлагат все по-богат инструментариум от функции и възможности. Релетата и таймерите, физическите бутони и превключватели при някогашните термоформовъчни машини в съвременните модели са заместени от сензорни екрани, удобни за използване интерфейси и софтуерни навигатори, които значително улесняват управлението на оборудването. При модерните конфигурации внасянето на промени в работните параметри, например температурата на нагряване на полимерния филм, става буквално за секунди. Това елиминира ръчния процес по задаване на команди, настройка на регулатори, отваряне и затваряне на клапани, въвеждане на параметри за нагревателните пещи, управление на налягането в различните етапи на термоформоването и др. Дигиталното управление на термоформовъчните машини позволява запаметяване и извеждане на предишни изпълнявани работни програми, бърза първоначална настройка и използване на машината от служители без задълбочени познания по програмиране.

Платформите за мониторинг и диагностика с капацитет да обработват големи обеми данни от производствения процес вече са стандартна част от оборудването на модерните термоформовъчни машини. Те осигуряват реакция на машината при регистриране и отстраняване на различни проблеми.

Съвременният софтуер за управление включва интелигентни функции за контрол на терфмоформовъчния процес, включително възможности за задаване на аларми, графици и иницииране на предупредителни сигнали при риск от човешка или машинна грешка. Софтуерните продукти в сегмента обхващат и помощни файлове, работни дневници, доклади за поведението на машината в хронологичен план, статистики и друга информация, която може да бъде лесно визуализирана и принтирана. Термоформовъчните машини от ново поколение разполагат и с усъвършенствани системи за сигурност, които ограничават правомощията за управление до оторизираните оператори според съответния йерархичен ред.

Задвижвания и затягащо оборудване

Близо 90% от произвежданите съвременни термоформовъчни машини се конструират с моторни транспортни системи за полимерния филм и формованите изделия. Както механизмите с ротационно задвижване, така и тези с възвратно-постъпателно се отличават с високи скорости на придвижване на филма от станция до станция (в рамките на 3 до 6 сек. в зависимост от модела). В миналото пневматичните транспортни системи бяха най-популярната технология за такива приложения, като при тях придвижването на филма между отделните станции отнемаше цели 8 до 14 сек. Тези значителни икономии на време се отразяват на цялата продължителност на производствения цикъл при съвременните модели. В допълнение са налице предимства и по отношение на формоването на тънкомерни и бързоохлаждащи се материали. Тъй като системите с моторно задвижване се отличават с по-плавна и прецизна работа в сравнение с пневматичните, се наблюдават по-малко износване на машинните компоненти и по-малко вибрации в работен режим.

Приспособленията за затягане също значително са еволюирали през последните години, разширявайки асортимента от изделия, които могат да се произвеждат посредством термоформоване. Затягащите рамки при съвременните модели машини позволяват регулиране според приложението, включително накланяне, огъване, приплъзване и т. н. Така става възможно затягането на по-малки размери листове, намаляване дебелината на изделията, управление на провисването на материал, както и предварително приемане на формата на матрицата преди етапа на формоване. Регулиращите се затягащи рамки елиминират нуждата от закупуване и поддръжка на различни размери рамки за отделните приложения и формати на полимерния филм. Конструкцията им позволява дължината на рамката да се настрои спрямо конкретното приложение без нужда да се премахват или добавят секции, както и без специални инструменти. Така настройката на машината се прави много по-бързо, а отделните позиции на рамките могат да бъдат запаметени и съхранени за следващия път, когато ще се произвежда същият продукт. На практика регулируемите рамки спестяват между 1 и 3 часа на матрица в зависимост от вида на машината и броя на работните станции.

Подвижни пещи

С развитието на технологиите в областта на термоформоването производителите разработват и въвеждат множество иновации при пещите. Такива са подвижните пещи, които осигуряват равномерно нагряване на полимерния филм дори при провисване. При нагряване повечето популярни материали започват да провисват. Долните подвижни пещи се грижат за това провисналите секции да получат същото количество топлина като останалите, за да бъде нагряването равномерно. Това позволява не само по-прецизно управление на процеса, но и пестене на енергия. Материалите, за които е характерно по-голямо провисване, или тези, при които ефектът се наблюдава вследствие на по-големите размери и тегло на филма, са отлични кандидати за нагряване с подвижни пещи. Възможностите за движение на нагревателите позволяват по-ефективното им разполагане и дори позиционирането им в по-голяма близост до филма без риск от прекомерното му разтапяне. По-голямата близост между нагревателите и филма прави възможно използването на по-ниски температури за едно и също време на нагряване, което води до значителни икономии на енергия.

Формовъчни плочи

Термоформовъчната индустрия непрекъснато възприема иновативни технологии и материали, например нови инженерни термопласти, които разширяват приложния кръг на метода и производствения асортимент. Моторното задвижване на формовъчните плочи става все по-популярна алтернатива на системите с пневматично задвижване. Модерните конфигурации се отличават с по-голяма прецизност, по-добра управляемост, по-надеждна и бърза работа, както и по-висока програмируемост. Самите моторни механизми също непрекъснато се развиват, като верижните задвижвания постепенно биват замествани от по-нови решения, осигуряващи по-лесна поддръжка и по-нисък риск от неизправности. Такива са двойните синхронизирани двигатели с директно задвижване, както и единичните двигатели с множество директни задвижвания с предавателни механизми. На пазара се предлагат широка гама от вариации при тези системи в зависимост от функциите и приложението.

Друга иновация при формовъчните плочи е подобряването на тяхната здравина и оптимизирането на теглото им с цел използването им в нестандартни приложения, налагащи по-високи налягания, формоване на многослойни листове филм, както и компресионно формоване. Скоростта на движение на плочите също е значително по-висока (с близо 40%) при съвременните модели в сравнение с тези от по-старо поколение. Дори при най-базовите конфигурации машини на пазара днес позиционирането на формовъчните плочи и скоростите на задвижващите мотори се управляват от централното управление на термоформовъчната машина. За още по-бърза настройка, по-прецизно позициониране и повторяеми скорости на движение плочите се оборудват с енкодери. Тези енкодери се свързват посредством интерфейс със системата за управление на машината, която позволява графична емулация в реално време на движението на плочите, която се визуализира на екрана.

Усъвършенствана автоматизация

Нарастващото търсене на средства за автоматизация е сред водещите технологични тенденции и в термоформовъчната индустрия. Автоматизирането на процеса е ключово не само за стандартните приложения, но и за специфичните такива, при които се използват ролки полимерни филми с големи размери. Конвенционалното им зареждане на машината от оператор би било бавно и неудобно, а в някои случаи би изисквало и няколко човека. Във високоскоростните съвременни производства, в които машините работят в почти непрекъснат режим, често едновременно се зареждат 6 до 8 листа филм и се разтоварват 6 до 8 готови изделия.

Повишаването на степента на автоматизация е ключово и за множество приложения, в които в пластмасовите изделия се интегрират метални, дървени вложки или елементи от пяна или друг материал. Обикновено те се поставят в някоя от вдлъбнатините на матрицата във формовъчната станция преди етапа на формоване. В други случаи тези вложки се поставят между два слоя на полимерния филм. Ако поставянето им се извършва ръчно, това би забавило процеса и би компрометирало прецизността на позиционирането. Роботите и автоматизираните pick-and-place системи са отлични кандидати за заместване на човека в тази дейност, тъй като гарантират висока точност и повторяемост на операциите, безопасност за персонала и свеждане до минимум на грешките и отпадъчния материал.