Jak projekt formy do termoformowania określa wydajność i koszt opakowania

Dlaczego projekt formy jest prawdziwą zmienną wpływającą na wyniki termoformowania?

Termoformowanie tworzyw sztucznych z zewnątrz wygląda prosto: podgrzany arkusz jest układany lub wciskany do wnęki, schładzany i przycinany. W praktyce to forma decyduje o tym, czy gotowa część zachowuje wąskie tolerancje, jest prawidłowo uszczelniona i przetrwa cykl produkcyjny bez poprawek. Dwie identyczne maszyny obsługujące ten sam gatunek blachy mogą generować bardzo różne ilości złomu wyłącznie z powodu różnic w układzie otworów wentylacyjnych, kącie natarcia lub odstępach między kanałami chłodzącymi wewnątrz narzędzia. Właśnie dlatego producenci opakowań z termoformowanych tworzyw sztucznych spędzają znacznie więcej czasu inżynieryjnego na oprzyrządowaniu niż na samej maszynie formującej.

W tym przewodniku omówiono mechanikę procesu, decyzje projektowe, które oddzielają wykonalną formę od problematycznej, a także praktyczne kryteria stosowane przez kupujących przy zakupie narzędzi do pudełek na drugie śniadanie, pokrywek do kubków, kubków na napoje i tacek z klapką.

Proces termoformowania: co właściwie dzieje się wewnątrz formy

Termoformowanie tworzyw sztucznych przekształca płaski wytłaczany arkusz w trójwymiarową część za pomocą ciepła, różnicy ciśnień i narzędzia kształtowego. Kolejność jest spójna w większości zastosowań cienkowarstwowych, chociaż metoda formowania różni się w zależności od geometrii części.

1. Arkusz z tworzywa sztucznego jest mocowany w ramie i umieszczany w stacji grzewczej, zwykle przy użyciu grzejników ceramicznych lub kwarcowych.
2. Gdy arkusz osiągnie okno temperatury formowania, zostaje przeniesiony na otwartą formę.
3. Podciśnienie, ciśnienie powietrza lub korek mechaniczny dociskają zmiękczony arkusz do powierzchni formy.
4. Kanały chłodzące wewnątrz narzędzia szybko odprowadzają ciepło, dzięki czemu część zachowuje swój kształt po zwolnieniu.
5. Uformowany arkusz jest przycinany w formie lub na osobnej prasie do przycinania, oddzielając poszczególne części od wstęgi.

Sama powierzchnia formy jest zwykle wykonana z aluminium obrobionego maszynowo, wybranego ze względu na przewodność cieplną, a nie twardość. Aluminium wyciąga ciepło z uformowanego tworzywa sztucznego znacznie szybciej niż stal, co skraca czas cyklu i jest jednym z głównych powodów, dla których oprzyrządowanie do termoformowania tak bardzo różni się od form wtryskowych.

Oprzyrządowanie aluminiowe stosowane m.in Prostokątne pudełko do pakowania z klapką Forma do termoformowania , pokazujący obrobioną wnękę i układ otworów wentylacyjnych typowy dla cienkościennych narzędzi do pakowania żywności.

Elementy projektu formy rdzeniowej, które wpływają na jakość części

W każdej dyskusji na temat form do termoformowania powtarza się kilka zmiennych projektowych, a każda z nich ma mierzalny wpływ na gotową część.

Kąt pochylenia

Kąt pochylenia umożliwia uwolnienie uformowanej części z formy bez rozrywania i zarysowania. Płytkie części, takie jak płaskie pokrywki, mogą zużywać zaledwie 1 do 2 stopni, podczas gdy elementy głęboko tłoczone, takie jak wysokie kubki, zwykle wymagają od 3 do 5 stopni na ściankach formy, aby uniknąć śladów oporu.

Umiejscowienie i rozmiar otworu wentylacyjnego

Otwory wentylacyjne umożliwiają ucieczkę uwięzionego powietrza, gdy arkusz styka się z powierzchnią formy. Otwory mają zazwyczaj średnicę od 0,3 do 0,8 milimetra i są umieszczane w rogach i obszarach detali, gdzie jako pierwsze tworzą się kieszenie powietrzne. Zbyt mało otworów wentylacyjnych pozostawia zaokrąglone rogi zamiast ostrych; zbyt wiele osłabia powierzchnię wnęki i może pozostawić widoczne ślady na części.

Układ kanału chłodzącego

Kanały wodne wywiercone lub wlane w korpus formy odprowadzają ciepło z tworzywa sztucznego. Nierówne odstępy między kanałami powodują powstawanie gorących punktów, które po wyjęciu z formy wypaczają cienkie ścianki, co jest jedną z najczęstszych przyczyn części, które wyglądają prawidłowo na narzędziu, ale zniekształcają się w ciągu kilku godzin.

Dodatek na skurcz

Różne żywice kurczą się z różną szybkością podczas ochładzania. Polipropylen kurczy się bardziej niż PET, więc wycięta forma dla jednej rodziny żywic nie będzie utrzymywać wymiarów, jeśli materiał zostanie zmieniony bez dostosowania rozmiaru wnęki.

Termoformowanie cienkościenne: tam, gdzie występuje najwięcej trudności

Termoformowanie cienkościenne odnosi się do części formowanych z blachy o grubości mniejszej niż około 0,5 milimetra, powszechnie stosowanej w pokrywkach, tacach i kubkach jednorazowych. Wyzwanie polega na tym, że cieńszy materiał stygnie i nierównomiernie się rozciąga, więc forma musi kompensować fizykę, z którą sam arkusz nie jest w stanie sobie poradzić.

Najważniejszym problemem jest przerzedzenie ścian. Gdy arkusz rozciąga się do wgłębienia, materiał przemieszczający się do głębokich lub odległych narożników formy staje się cieńszy niż materiał w pobliżu ramy zaciskowej. Źle zaprojektowana wnęka może pozostawić narożnik o grubości 60 procent nominalnej grubości blachy, co stanie się najsłabszym punktem gotowego pojemnika. Projektanci form rozwiązują ten problem za pomocą kilku technik:

• Dostosowanie geometrii wnęki w celu zmniejszenia współczynnika ciągnienia w najgłębszych sekcjach
• Użycie wtyczki do wstępnego rozciągnięcia arkusza przed przejęciem działania próżni
• Sekwencjonowanie stref próżniowych tak, aby materiał był wciągany stopniowo, a nie cały na raz
• Kontrolowanie profilu temperatury arkusza, tak aby środek arkusza był nieco chłodniejszy niż krawędzie przed rozpoczęciem formowania

W przypadku wielkoseryjnej produkcji cienkościennych nawet 5-procentowa poprawa dystrybucji materiału może przełożyć się na znaczące oszczędności żywicy w całym cyklu produkcyjnym, ponieważ ceny opakowań cienkościennych są zazwyczaj wyceniane i określane na podstawie wagi części.

Termoformowanie Plug Assist: kiedy warto zwiększyć złożoność

Termoformowanie typu Plug Assist polega na dodaniu mechanicznego korka, który wciska się w arkusz przed przyłożeniem podciśnienia, wstępnie rozciągając materiał, dzięki czemu rozkłada się on bardziej równomiernie po zetknięciu się z powierzchnią formy. Nie jest to potrzebne w przypadku każdej części, ale staje się ważne, gdy głębokość rysowania przekracza w przybliżeniu 1,5-krotność mniejszego wymiaru części w rzucie.

Materiał i kształt wtyku mają znaczenie tak samo jak czas. Zbyt gorąca wtyczka ciągnie materiał i tworzy lokalne cienkie plamy w miejscu pierwszego kontaktu, natomiast zbyt zimna powoduje przedwczesne schłodzenie blachy i może spowodować powstawanie pajęczyn. Narzędzia wspomagające wtyczkę są zwykle wyposażone w wtyczkę o kontrolowanej temperaturze i kształt odzwierciedlający w przybliżeniu 70 do 85 procent objętości wnęki, pozostawiając próżnię do ukończenia ostatecznego detalu.

Dopasowanie typu formy do zastosowania opakowania

Różne formaty opakowań wymagają różnych podejść do narzędzi i warto je bezpośrednio porównać, zamiast traktować projekty form do termoformowania jako jedną, jednolitą kategorię.

Oprzyrządowanie do pokrywek i oprzyrządowanie do pojemników dla tej samej linii produktów są często projektowane razem, ponieważ dwie współpracujące powierzchnie muszą zapewniać niezawodne uszczelnienie w pełnym zakresie tolerancji produkcyjnych, a nie tylko podczas indywidualnego pomiaru na stole warsztatowym.

Wybór materiału na opakowania z termoformowanych tworzyw sztucznych

Wybór żywicy wpływa na projekt formy prawie w takim samym stopniu jak geometria części, ponieważ skurcz, temperatura formowania i sztywność różnią się w zależności od rodziny materiałów.

• PET : przezroczysty, sztywny, preferowany w opakowaniach zapewniających widoczność w handlu detalicznym; tworzy się w węższym oknie temperaturowym, co wymaga ściślejszej kontroli strefy grzewczej
• PP : lepsza odporność chemiczna i cieplna, typowa dla pojemników napełnianych na gorąco lub przeznaczonych do kuchenki mikrofalowej; większy skurcz niż PET, więc wymiary wnęki muszą to uwzględniać
• PS : tani i łatwy w formowaniu, ale bardziej kruchy, często używany do pokrywek i tac, które nie wymagają dużej odporności na uderzenia
• PLA i inne żywice pochodzenia biologicznego : coraz częściej wybierane w przypadku opakowań kompostowalnych; zwykle tworzy się w niższych temperaturach i może być bardziej wrażliwy na równomierność szybkości chłodzenia

Ponieważ współczynniki skurczu są różne, formy zbudowanej dla jednej rodziny żywic często nie można wymienić na inną bez dostosowania wymiarów. Kupujący planujący obróbkę wielu materiałów na tym samym narzędziu, powinni określić to na etapie projektowania, a nie po wycięciu formy.

Ocena producenta form do pojemników na żywność

Pozyskiwanie niestandardowych form do opakowań z tworzyw sztucznych do zastosowań mających kontakt z żywnością wymaga czegoś więcej niż tylko porównywania cen narzędzi. Kilka kryteriów konsekwentnie oddziela niezawodnych dostawców od tych, którzy stwarzają problemy na dalszym etapie produkcji.

Zażądanie próbki pierwszego artykułu utworzonej na rzeczywistym narzędziu, zamiast polegać wyłącznie na raporcie obróbki, pozostaje najbardziej niezawodnym sposobem potwierdzenia, że forma będzie działać po osiągnięciu prędkości produkcyjnej.

Proces projektowania niestandardowej formy, od początku do końca

Typowe narzędzie niestandardowe przechodzi przez przegląd części, układ wnęki, obróbkę i formowanie próbne przed ostatecznym zatwierdzeniem. Na etapie prób odbywa się większość regulacji, zwykle w celu rozmieszczenia otworów wentylacyjnych lub równowagi chłodzenia, ponieważ trudno je przewidzieć z pełną dokładnością na podstawie samych rysunków. Budowanie czasu na co najmniej jedną iterację próbną przed zablokowaniem harmonogramu produkcji pozwala uniknąć późniejszych pośpiesznych zmian.

Typowe wady i ich przyczyny

Często zadawane pytania

P1: Jaka jest różnica między formowaniem próżniowym a termoformowaniem ze wspomaganiem wtyczki?

Formowanie próżniowe opiera się wyłącznie na różnicy ciśnień powietrza w celu dociągnięcia arkusza do formy, podczas gdy termoformowanie ze wspomaganiem wtyczki wykorzystuje korek mechaniczny w celu wstępnego rozciągnięcia arkusza. Wspomaganie wtyczki jest zwykle stosowane w przypadku głębszych lub bardziej szczegółowych części, gdzie samo podciśnienie spowodowałoby nierówną grubość ścianki.

P2: Jak cienka może być realistycznie wykonana ściana termoformowana?

Produkcyjne opakowania cienkościenne zwykle mają grubość od 0,15 do 0,4 milimetra, w zależności od żywicy, głębokości części i poziomu wstępnego rozciągnięcia wbudowanego w formę i proces. Cieńsze niż materiał i konstrukcja mogą wytrzymać, zazwyczaj powodują rozdarcie lub nadmierne wygięcie gotowej części.

P3: Dlaczego formy pokryw i pojemników muszą być projektowane razem?

Ponieważ uszczelnienie pomiędzy pokrywką a pojemnikiem zależy od dopasowania obu części w ramach tolerancji, projektowanie ich osobno zwiększa ryzyko problemów z dopasowaniem, które pojawiają się dopiero wtedy, gdy oba narzędzia są w pełnej produkcji, a nie podczas kontroli poszczególnych próbek.

P4: Ile czasu zajmuje zazwyczaj opracowanie niestandardowej formy do termoformowania?

Harmonogramy różnią się w zależności od złożoności, ale proste narzędzie jednogniazdowe często przechodzi od zatwierdzonego rysunku do próbnego formowania w ciągu kilku tygodni, podczas gdy oprzyrządowanie wielogniazdowe lub wspomagane wtyczką zwykle trwa dłużej ze względu na dodatkowe etapy prób i wyważania.

P5: Czy w jednej formie można zastosować więcej niż jeden rodzaj żywicy plastikowej?

W niektórych przypadkach jest to możliwe, ale ponieważ współczynniki skurczu różnią się w przypadku żywic takich jak PET i PP, wymiary wycięte dla jednego materiału mogą nie wykazywać tolerancji w przypadku innego. Przed obróbką należy określić zastosowanie wielu materiałów, aby można było odpowiednio dobrać rozmiar wgłębienia.