Отделка термоформованных изделий: обрезка, методы соединения, поверхностная обработка

Тема: Технологии

Большинство термоформованных изделий требуют проведения ряда отделочных работ. Для технических изделий они могут составить почти 80% от общих производственных затрат. Большая часть отделочных работ может выполняться в рабочем цикле как целой линии (непрерывный процесс), а также линий с модульной конструкцией.

Самые важные отделочные работы включают:

• обрезку изделия, состоящую из обрезки в одной плоскости, или в трех координатах;

• удаление заусенцев;

• склеивание клеями, сварка, герметизация, болтовое соединение, клепка;

• поверхностную обработку.

Отделочные работы, при которых образуется стружка или металлическая пыль, должны физически быть отделены от области термоформования. Электростатический заряд может приводить к загрязнению подготовленного к термоформованию материала пылью и стружкой даже на расстоянии нескольких метров. Возможно некоторое исправление положения за счет обдува формуемого материала ионизированным воздухом или его продувки. В продаже имеются различные варианты приборов для ионизации воздуха.

Обрезка изделий многомерными ножами

Для многомерной обрезки (рис. 1) используется следующее оборудование:

• ручной фасонно-фрезерный станок с концевыми фрезами;
• фрезерные станки 3- или 5-шпиндельные;
• 5-координатные лазерные обрезные устройства;
• 5-координатные водоструйные обрезные устройства.

На рис. 2 показана 3-координатная обрезка по шаблону ручным фрезерным инструментом. На 5-координатных фрезерных устройствах могут обрабатываться как толстостенные, так и тонкостенные изделия. Могут обрабатываться все виды пластмасс толщиной от 0,5 мм. Фрезы должны быть из быстрорежущей стали (HSS) или твердосплавные (K-группа). При фрезеровании тонкостенных формовок необходимо использовать фрезы с осевым крутящим моментом для того, чтобы можно было прижать обрабатываемую часть к оправке. Резка может выполняться без следов вибрации, заточки и заусенцев. Для хрупких полимеров, таких как ПММА, на двухперых фрезах с винтовыми зубьями при скоростях фрезерования от 24 000 до 30 000 об/мин получают гладкий рез; достигаются линейные скорости резки от 4 до 6 м/мин. Ударопрочные полимеры, типа АБС-пластика, ПЭВП, фрезеруют при более высоких скоростях: от 8 до 10 м/мин; одноперые фрезы применяют при скоростях резания от 18 000 до 24 000 об/мин.

При фрезеровании 5-координатными машинными центрами формовка должна быть закреплена на оправке. Усилие прижима обычно обеспечивается вакуумом, действующим на формовку. Воспроизводимые размеры формовок, полученные при обработке, требуют того, чтобы отклонения толщины стенок, усадки и деформации были как можно меньше. Неправильный выбор среды для охлаждения и/или слишком большое усилие прижима могут привести к трещинам на формовке.

Преимущества 5-координатных фрезерных машин:

• высокие скорости резки;
• чистый, в основном без оплавлений, рез, если выбранные точные фрезы и условия резки (число оборотов, скорость подачи) являются для них оптимальными;
• могут быть изготовлены даже глухие отверстия;
• низкие капиталовложения по сравнению с лазерными и водоструйными машинами.

Для 5-координатных фрезерных машин необходимо принять во внимание:

• относительно сложные оправки для формовки из-за высоких усилий реза;
• точный выбор фрезы, важный для обрезки без заусенцев.

При лазерной обрезке 5-координатный механический инструмент с элементами робототехники заменен лазером. Резка проводится в атмосфере инертного газа, предотвращающего горение полимеров. Мощность обработки СО2-лазерами для пластмасс находится в интервале от 250 до 1800 Вт. Ширина линии реза для полимерных материалов толщиной 3 - 4 мм составляет примерно 0,2 мм, толщиной 10 мм - около 0,5 мм, а толщиной 15 мм - около 1 мм. В зависимости от вида полимера и толщины скорости резания составляют от 3 до 7 м/мин.

Преимущества обрезки лазером:

• чрезвычайно узкая линия реза;
• можно обрезать даже сложные контуры с острыми углами;
• чистый срез;
• не требуется дальнейшей обработки;
• не требуется сложных оправок: усилия резки достаточно низкие;
• короткое время настройки.

Неблагоприятные аспекты лазерной обрезки:

• высокие розничные цены;
• дорогая технология утилизации образовавшихся газов;
• отдельные термопласты имеют тенденцию образовывать трещины под напряжением вдоль разрезаемой линии из-за высокого теплового воздействия;
• формовки, которые подвергались механическому воздействию (статическому или динамическому), должны быть испытаны на наличие напряжений после лазерной резки, чтобы выявить замороженные напряжения. При лазерной резке с воздействием водораспылителя, очевидно, существенно снизится тепловое воздействие.

При обрезке водяной струей полимеры удаляют чистой водой или водой с абразивными веществами. В процессе используют сопло с внутренним диаметром в интервале от 0,12 до 0,4 мм при давлении от 2500 до 4500 бар. Качество резки (глубина резки и качество обрезной кромки) улучшается при повышении давления нагнетания, увеличении диаметра сопла и замедлении хода подачи.

Резка водяной струей используется в автомобильной промышленности для обрезки/обработки приборных панелей, внутренних панелей/облицовки, напольных ковриков, сборной облицовки крыши и коврового покрытия. Для всех этих изделий качество обрезных кромок не является главным показателем, поэтому они могут обрезаться при скоростях подачи до 30 м/мин. Вспененные материалы с толщиной реза до 1,5 мм обрезают при скорости 16 м/мин, в то время как для монолитных термопластов толщиной от 3 до 5 мм достигают скоростей подачи только 2,5-4 м/мин. Для определенных полимеров, например, полиолефинов, очень чистые и гладкие обрезные кромки получают только при низких скоростях подачи. Для противодействия высоким давлениям при обрезке требуются оправки.

Преимущества резки водяной струей:

• нет теплового воздействия на термопластичные материалы;
• очень точная линия реза;
• можно получать острые кромки сложных внутренних контуров;
• отсутствует экологическое загрязнение;
• короткое время настройки;
• относительно низкие затраты на инструмент для жестких формовок (только искусственные сапфиры для сопел имеют ограниченный срок службы);
• водой с абразивными добавками могут резаться даже твердые материалы, такие как керамика или закаленные стали.

Отрицательные стороны водяной резки:

• высокие первоначальные затраты;
• относительно медленный процесс для многих жестких термопластичных материалов и для гладких поверхностей обрезки;
• требуются поддерживающие оправки для менее жестких формованных изделий;
• гигроскопичные полимеры или полимеры, ламинированные тканью, намокают в области обрезки.

Снятие заусенцев

Выпускаемые серийно большими партиями изделия должны обрезаться/обрабатываться с помощью простых процессов, после которых обычно остаются заусенцы, которые желательно также удалить. Заусенцы удаляют после обрезки, например, пилами, или при механической обработке ручными фрезерными устройствами, или даже при обработке 5-координатными фрезерными машинами, когда параметры резки и/или фрезы далеки от идеальных. Снятие заусенцевобычно выполняется вручную с использованием приспособлений из листового металла, как показано на рис. 3. Если заусенцы загрязнены и оплавились, их снятие будет возможно только при использовании напильника или шлифовального круга. Для автоматической обработки требуется 5-координатный робот, управляющий ножами для снятия заусенцев.

Методы соединения

Методы соединения термоформованных изделий зависят от планируемого сочетания материалов (полимеры/полимеры, полимеры/текстиль, полимеры/картон и т. д.). Они в основном включают:

• склеивание;
• сварку;
• заклепывание;
• термосварку;
• соединение болтами/винтами;
• соединение с помощью защелок.

Склеивание полимеров

Для большинства случаев подходящие клеи имеются в продаже. Склеиваемые поверхности должны быть чистыми и обезжиренными, а также, по возможности, ошкуренными. Поверхности полимеров, стойких к адгезивам (например, ПЭ, ПП, ПОМ), должны подвергаться сложной предварительной поверхностной обработке. Если возможно, при использовании этих материалов вообще необходимо избегать склеивания. Предварительная обработка поверхности возможна с помощью обработки в пламени газовых горелок, снятия статического электричества с поверхности или химической обработки. Для соединения методом «сплавления» и склеивания с другими материалами рекомендуют использовать двухкомпонентные клеи.

Сварка термопластов

Фактически могут свариваться только совместимые виды термопластов, поскольку материалы свариваются в расплавленном состоянии. Одно из немногих исключений - сварка АБС-пластика и ПММА. Чтобы получить хорошую сварку, необходимо позволять горячему сварному соединению охлаждаться под давлением. Давление сварки ниже при высоких температурах сварки (образование сварного наплыва) и выше при более низких температурах. Термоформованные изделия сваривают в основном с помощью следующих методов:

• сварка нагретым инструментом;
• фрикционная/вибрационная сварка;
• ультразвуковая сварка (во многих случаях не подходит);
• высокочастотная сварка (только для полярных термопластов).

При соответствующей конструкции термоформованных изделий имеющиеся выступы для сварки могут оплавляться за счет тепла или ультразвука, таким образом помогая «сплавлению» соединяемых материалов.

Термосварка

Термосварка - это соединение двух одинаковых или различных упаковочных материалов с помощью термосварного слоя (табл. 1). Термосварной слой действует как склеивающее вещество и активируется теплом. Упаковочные материалы как субстрат для термосварного слоя не плавятся. Обычно только один соединяемый материал покрывают термосварным слоем. В зависимости от состава температура активации для термосварных слоев находится в интервале от 60 до 140 °С. Сваривание и термосварка являются конкурирующими методами соединения. Соединение различных материалов, таких как картон и полимеры в упаковочной промышленности, осуществляется с помощью термосварки с термосварным покрытием, всегда наносимым на картон.

Таблица 1. Примеры термосварного соединения в упаковочной отрасли

Комбинирование упаковачных материалов	Полимер контейнера, например, блистера или чашки	Покрытие
Полимер/картон	ПВХ, ПС, ПЭТ	Картон с термосвариваемым слоем1)
Полимер/алюминий	УПС, ПЭТ, ПВХ	Алюминий с т/с слоем1)  или алюминий /ПА2) с т/с слоем1)
Полимер/полимер	ПЭТ ПВХ	ПЭТ с т/с слоем1) ПВХ с т/с слоем1)

¹⁾ Термосварной слой совместим с применяемым полимером.
²⁾ ПА – слой дает лучшее сопротивление проницаемости.

Когда соединяют только полимеры, вместо термосварки может использоваться просто сварка. Необходимо учитывать, однако, при сварке непрерывно нагреваемыми электродами, что сварной шов может деформироваться при более высоких температурах. С другой стороны, этого не происходит при термосварке при более низких температурах (табл. 3). Кроме того, термосварное соединение по прочности может регулироваться в зависимости от качества термосварного слоя от качественного до легко отделяемого («отслаиваемого»). Для сварки тонких термоформуемых полимерных материалов всегда требуются электроды, покрытые антиадгезивами или многослойными материалами с одной «антиадгезионной» стороной, предотвращающими прилипание материала к электроду (см. табл. 2). Конечно, этого не требуется для термосварки.

Таблица 2. Сварка нагретыми электродами полимерных комбинаций в упаковке

Полимер 1	Полимер 2
Однослойный PETG - материал	Многослойный PETG/OPET1) - материал
Трехслойный  PETG/APET/PETG	Многослойный PETG/APET/PETG/OPET1)
PVC-U2)	PVC-U2)

¹⁾ ОРЕТ предохраняет материал от прилипания к нагретому электроду.
²⁾ PVC-U-сорта должны соответствовать друг другу.

Таблица 3. Сравнение условий процесса сварки/термосварки

Условия	Сварка	Термосварка
Температура электрода	200-2400С	160-2000С
Давление прижима	> 2 Н/мм2	> (1 - 2) Н/мм2
Время сварки или термосварки	1,5 с	1.5 - 2 с

Во время термосварки теплота подводится с обратной стороны (рис. 4) картона или листовой фольги с покрытием: это наиболее часто применяемый и экономически эффективный процесс укупорки различной тары. Сварной электрод в этом случае нагревается за счет контакта с электронагревательной сварочной плитой. Между полимерным материалом и сварочным электродом должно быть приложено давление. Давление, температура и время термосварки должны быть скоординированы. При низких давлениях термосварки (большая область укупорки) нужно увеличить термпературу термосварки и/или время выдержки. Термосварка теплом, проводимым блистером, или термоимпульсная сварка (рис. 5) применяется реже из-за более сложного инструмента.

Соединение с помощью винтов и/или заклепок

При соединении термоформованных деталей необходимо позаботиться о том, чтобы было достаточно толщины материала для соединения специальными полимерными саморезами и достижения прочного соединения. Рекомендуется использовать динамометрические гаечные ключи из-за относительно небольшой прочности полимеров.

Упрочнение

Жесткость термоформованных изделий зависит от:

• модуля упругости перерабатываемого вида полимера;
• полученной при термоформовании толщины стенки;
• конструкции формовки и размеров (длина, ширина, высота, ребра, радиусы и т. д.);
• температуры окружающей среды, при которой эксплуатируется изделие.

Изделие необходимо упрочнять с обратной стороны, если:

• достигаемая при термоформовании жесткость недостаточна;
• применяемое впоследствии упрочнение экономически более выгодно, чем использование более толстого или более дорогого материала.

Следующие методы могут использоваться как возможность упрочнения:

• напыление стекловолокна;
• нанесение с обратной стороны пены или заполнение пеной;
• склеивание с усиливающими элементами;
• заполнение слабых мест заливкой смолы.

Варианты поверхностной обработки

Поверхности термоформованных изделий могут впоследствии обрабатываться множеством способов. Главным образом они зависят от области использования изделий, и поэтому могут быть либо технически необходимы, либо могут служить просто как декорирование.

Поверхностная обработка может включать:

• антистатическую обработку путем напыления антистатика в антистатиче¬ской ванне или обмывку водными растворами моющих средств;
• шлифовку и полировку;
• окраску;
• печать;
• металлизацию (напыление) в высоком вакууме;
• гальванизацию;
• флокирование.

По материалам: «Термоформование. Практическое руководство», издательство Профессия