Ротационное формование

Ротационное формование (ротационное литьё, ротолитьё, ротомолдинг) — это технологический процесс изготовления полых изделий из термопластичных полимеров, основанный на вращении формы вокруг нескольких осей в нагретой камере. Метод позволяет получать бесшовные, сложнопрофильные детали с равномерной толщиной стенки и минимальными внутренними напряжениями.

История

Первые упоминания о ротационном формовании относятся к началу XX века. В 1905 году в США был запатентован способ изготовления полых фигур из воска и гипса с использованием вращающейся формы. Однако промышленное применение метод получил лишь в 1950-х годах с развитием химии полимеров. В 1954 году компания Engel (США) разработала первую машину для ротационного формования полиэтилена. В СССР технология начала внедряться в 1960-х годах для производства ёмкостей, игрушек и деталей машин. К 1970-м годам ротационное формование стало одним из основных методов переработки пластмасс, особенно для крупногабаритных изделий.

Технологический процесс

Ротационное формование состоит из четырёх основных этапов:

Загрузка формы. В разъёмную металлическую форму (обычно из алюминия или стали) загружается точное количество полимерного порошка или гранулята. Форма герметично закрывается.
Нагрев и вращение. Форма помещается в термокамеру и начинает вращаться вокруг двух (реже трёх) взаимно перпендикулярных осей с регулируемой скоростью (обычно 2–20 об/мин). Одновременно происходит нагрев до температуры плавления полимера (160–300 °C в зависимости от материала). Под действием центробежных сил и силы тяжести расплавленный материал равномерно распределяется по внутренним стенкам формы.
Охлаждение. После завершения нагрева форма переносится в камеру охлаждения, где продолжает вращаться. Охлаждение может быть воздушным, водяным (распылением) или комбинированным. Скорость охлаждения влияет на кристалличность и усадку полимера.
Извлечение изделия. После полного застывания форма открывается, и готовое изделие извлекается вручную или с помощью съёмников. Цикл длится от 10 минут до нескольких часов в зависимости от толщины стенки и размера детали.

Особенности процесса

Низкое давление. В отличие от литья под давлением или экструзии, ротационное формование происходит при атмосферном давлении (или небольшом вакууме для удаления газов). Это снижает требования к прочности оснастки и позволяет изготавливать крупные изделия (до 20–30 м³) на относительно дешёвом оборудовании.
Равномерность стенки. Толщина стенки регулируется количеством загружаемого материала и скоростью вращения. Отклонения обычно не превышают 10–15 %.
Бесшовность. Изделие формируется как единое целое без сварных швов и линий разъёма, что повышает его герметичность и прочность.

Оборудование

Основной элемент — ротационная машина (ротомолдинг-машина). По конструкции различают:

Карусельные машины. Наиболее распространённый тип. Имеют 3–6 плеч (рукавов), на каждом из которых закреплена форма. Плечи поочерёдно проходят зоны загрузки, нагрева, охлаждения и выгрузки. Обеспечивают непрерывный цикл.
Шаттловые (челночные) машины. Форма перемещается по рельсам между неподвижными зонами нагрева и охлаждения. Используются для крупногабаритных изделий.
Машины с независимым вращением. Каждая форма имеет собственный привод вращения, что позволяет задавать разные скорости для разных осей. Применяются для сложных профилей.

Формы для ротационного формования изготавливают из алюминиевых сплавов (литьём или фрезерованием) или из стали (для серийного производства). Алюминиевые формы дешевле, но менее износостойки. Для улучшения теплоотдачи на формах часто делают рёбра жёсткости.

Материалы

Наиболее распространённые полимеры для ротационного формования:

Полиэтилен низкого давления (ПНД, HDPE). Составляет до 80–90 % всех изделий. Обладает высокой химической стойкостью, ударной вязкостью и морозостойкостью (до –50 °C). Используется для ёмкостей, канистр, баков.
Полиэтилен высокого давления (ПВД, LDPE). Мягче, эластичнее, применяется для игрушек, уплотнителей.
Полипропилен (ПП, PP). Более жёсткий и термостойкий (до 120 °C), но требует более точного контроля температуры. Используется для деталей автомобилей, химического оборудования.
Полиамиды (ПА-6, ПА-12). Высокая износостойкость, маслостойкость. Применяются для топливных баков, подшипников скольжения.
Поливинилхлорид (ПВХ, PVC). Пластифицированный ПВХ используется для мягких изделий (чехлы, мячи). Жёсткий ПВХ — для труб и фитингов.
Поликарбонат (ПК, PC). Прозрачные, ударопрочные изделия (светильники, купола).
Фторопласты (ПТФЭ, PTFE). Химически инертны, термостойки до 260 °C, но дороги и сложны в переработке.

Также применяются композиционные материалы с наполнителями (стекловолокно, тальк, древесная мука) для улучшения механических свойств или снижения стоимости.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Возможность изготовления крупногабаритных изделий (до 20–30 м³) без сварных швов.
Низкая стоимость оснастки по сравнению с литьём под давлением или выдувным формованием. Формы для ротационного формования в 5–10 раз дешевле пресс-форм.
Отсутствие внутренних напряжений и ориентации макромолекул, что повышает стойкость к растрескиванию.
Равномерная толщина стенки даже на сложных участках (углы, рёбра).
Возможность встраивания закладных деталей (резьбовых втулок, металлических элементов) непосредственно в процессе формования.
Экологичность. Отходы (облой, брак) могут быть переработаны в гранулят.

Недостатки

Длительный цикл. Один цикл может занимать от 20 минут до 2–3 часов, что ограничивает производительность (обычно 100–500 изделий в смену).
Ограничения по материалам. Не все термопласты пригодны для ротационного формования (например, полистирол даёт сильную усадку, ПЭТФ склонен к деструкции).
Неравномерность толщины при неправильном подборе скорости вращения или температуры.
Высокая энергоёмкость (нагрев и охлаждение крупных форм требуют значительных затрат энергии).
Сложность контроля качества. Трудно обнаружить внутренние дефекты (пустоты, непроплавы) без разрушающего контроля.

Применение

Ротационное формование используется в различных отраслях промышленности:

Ёмкости и резервуары. Баки для воды, топливные баки, химические реакторы, септики, цистерны. В России такие изделия производят, например, компании «Полимерные технологии» и «Ротопласт».
Автомобильная промышленность. Топливные баки, воздушные фильтры, панели приборов, подкрылки, бамперы (для грузовиков и спецтехники).
Строительство. Канализационные колодцы, люки, септики, резервуары для ливневой канализации, звукоизоляционные панели.
Спорт и отдых. Каяки, лодки, сноуборды, защитные шлемы, мячи, игрушки (например, знаменитые «яйца» от Kinder Surprise).
Медицина. Контейнеры для биологических отходов, корпуса медицинских приборов, манекены для обучения.
Сельское хозяйство. Кормушки, поилки, ёмкости для удобрений, баки для полива.
Мебель. Стулья, столы, кресла (особенно для уличной мебели из полиэтилена).
Оборудование для химической промышленности. Реакторы, ёмкости для агрессивных сред, футеровка труб.

Примеры изделий

Каяк «Пеликан» (производство — США, компания Pelican International). Изготавливается из полиэтилена методом ротационного формования. Отличается лёгкостью (около 25 кг) и высокой ударной стойкостью.
Топливный бак для грузовика КАМАЗ. Изготавливается из полиэтилена низкого давления. Вместимость — 200–400 литров. Бесшовная конструкция исключает утечки.
Септик «Танк» (Россия, компания «Тритон-Пластик»). Изготавливается из полиэтилена методом ротационного формования. Объём — от 1 до 10 м³. Срок службы — до 50 лет.
Игрушка «Погремушка» (СССР, 1970-е годы). Классический пример — полый шар из полиэтилена с гранулами внутри, изготовленный ротационным формованием.

Источники

Бортников В. Г. Основы технологии переработки пластмасс. — М.: Химия, 2004. — 480 с.
Калинчев Э. Л., Саковцева М. Б. Свойства и переработка термопластов. — Л.: Химия, 1983. — 288 с.
Шварц О., Эбелинг Ф., Фурт Б. Переработка пластмасс. — СПб.: Профессия, 2005. — 320 с.
Crawford R. J., Throne J. L. Rotational Molding Technology. — Norwich: William Andrew Publishing, 2002. — 400 p.
Beall G. L. Rotational Molding: Design, Materials, Tooling, and Processing. — Munich: Hanser Publishers, 1998. — 250 p.
ГОСТ 16338-85 (Полиэтилен низкого давления. Технические условия).
Технологическая инструкция по ротационному формованию изделий из полиэтилена (ООО «Ротопласт», 2018).

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →