Термоформование

Термоформование — это технологический процесс переработки термопластичных полимерных материалов, при котором листовую или плёночную заготовку нагревают до температуры размягчения (выше температуры стеклования, но ниже температуры плавления), а затем формуют в изделие заданной конфигурации под действием сжатого воздуха, вакуума или механического усилия. Термоформование относится к методам вторичной переработки пластмасс и широко применяется в промышленности для производства упаковки, деталей интерьера, корпусов приборов, медицинских изделий и элементов автомобилей.

История

Первые упоминания о формовании размягчённых термопластов относятся к концу XIX века. В 1890-х годах в Германии и США были запатентованы способы изготовления пуговиц и игрушек из целлулоида путём нагрева и прессования. Однако промышленное развитие термоформования началось в 1930-х годах с появлением доступных листовых термопластов — полистирола и полиметилметакрилата (оргстекла).

В 1938 году американская компания DuPont освоила выпуск ацетата целлюлозы, что позволило наладить производство прозрачных упаковок методом вакуумного формования. Во время Второй мировой войны технология использовалась для изготовления карт, приборных панелей и защитных козырьков самолётов.

После войны, в 1950-1960-х годах, с развитием нефтехимии и появлением полиэтилена, полипропилена, АБС-пластика и поливинилхлорида, термоформование стало массовым. В СССР первые линии термоформования были запущены в 1960-х годах на предприятиях Министерства химической промышленности для выпуска тары и деталей бытовой техники.

В 1970-х годах были разработаны автоматические ротационные и ленточные машины, что позволило достичь производительности до 30-40 циклов в минуту для мелких изделий (стаканчиков, контейнеров). С 1990-х годов активно внедряются компьютерное моделирование процессов и роботизированные комплексы.

Классификация методов термоформования

По способу создания формующего усилия различают три основных метода:

Вакуумное формование

Заготовка нагревается и прижимается к поверхности формы за счёт разрежения (вакуума) в полости формы. Давление обычно составляет 0,5–0,9 атм. Метод применяется для изготовления изделий с неглубокой вытяжкой (лотки, поддоны, блистеры). Преимущества: низкая стоимость оснастки, возможность формования крупногабаритных деталей (до 3–4 м). Недостатки: ограниченная глубина вытяжки (обычно не более 1:1 относительно диаметра) и невысокая чёткость мелких деталей.

Пневматическое формование (позитивное формование)

Нагретый лист формуется сжатым воздухом (давление 2–8 атм) в направлении, противоположном вакуумному. Часто используется в комбинации с механическим прижимом. Позволяет получать изделия с более глубокой вытяжкой и чёткими углами. Применяется для изготовления ванн, корпусов, крупных деталей интерьера.

Механическое (штамповое) формование

Нагретая заготовка деформируется между двумя половинами формы (пуансоном и матрицей) под действием механического усилия пресса. Этот метод даёт наилучшую точность размеров и воспроизводимость, но требует дорогой оснастки. Используется для серийного производства небольших деталей (например, колпачков, ручек, вкладышей).

По типу подачи материала различают:

• Листовое термоформование — из заготовок, нарезанных из листа или рулона.
• Рулонное (ленточное) термоформование — из непрерывной ленты, подаваемой с рулона; характерно для высокопроизводительного производства упаковки.

Оборудование и оснастка

Основные элементы термоформовочной машины:

• Нагревательное устройство — инфракрасные (ИК) керамические, кварцевые или галогенные нагреватели, расположенные с одной или обеих сторон заготовки. Температура нагрева регулируется в диапазоне 120–250 °C в зависимости от материала.
• Формовочный узел — включает стол с прижимной рамой, вакуумную камеру или пневмосистему, а также механизм перемещения формы.
• Форма (штамп) — изготавливается из алюминия, стали, эпоксидных смол или гипса (для опытных образцов). Для массового производства применяют литые алюминиевые формы с каналами охлаждения.
• Система охлаждения — вентиляторы, водяные или воздушные радиаторы, обеспечивающие затвердевание изделия перед извлечением.
• Устройство вырубки или обрезки — гильотина, ротационный нож или штамп для отделения готового изделия от отходов (облоя).

Современные автоматические линии (например, ILLIG, Kiefel, GN Thermoforming) оснащаются сервоприводами, системами ЧПУ и роботами-манипуляторами, что позволяет достигать производительности до 1000–1500 изделий в час для мелкой упаковки.

Материалы

Для термоформования пригодны практически все термопласты, выпускаемые в виде листов или плёнок. Наиболее распространённые:

Толщина заготовок варьируется от 0,1 мм (гибкая упаковка) до 10–12 мм (крупные детали). Для многослойных изделий используются соэкструзионные листы (например, ПЭТ/ПЭ/ПЭТ).

Применение

Упаковка

Крупнейшая область применения (около 60–70 % мирового рынка термоформования). Изготовление:

• блистерной упаковки для таблеток, батареек, игрушек;
• лотков и контейнеров для мясных, молочных и кондитерских изделий;
• стаканчиков для напитков и йогуртов;
• подложек для овощей и фруктов.

Автомобильная промышленность

• Панели приборов, дверные карты, обшивка потолка;
• воздуховоды, корпуса фильтров;
• шумоизоляционные накладки.

Медицина

• Одноразовые шприцы, капельницы, контейнеры для анализов;
• упаковка для стерильных инструментов (блистеры);
• корпуса диагностических приборов.

Строительство и реклама

• Световые короба, объёмные буквы, витрины;
• облицовочные панели, подоконники, ванны;
• защитные кожухи для оборудования.

Бытовая техника и электроника

• Корпуса пылесосов, кофемашин, фенов;
• поддоны для холодильников, внутренние вставки.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Низкая стоимость оснастки по сравнению с литьём под давлением (в 5–10 раз дешевле);
• быстрая переналадка на другое изделие (смена формы занимает 15–30 минут);
• возможность изготовления крупногабаритных изделий (до 4×2 м);
• малый процент брака при отработке режима;
• пригодность для мелкосерийного и опытного производства.

Недостатки:

• Ограниченная сложность геометрии (нельзя получить поднутрения без дополнительных операций);
• неравномерность толщины стенки (утонение в углах и на дне);
• образование облоя (отходы составляют 10–30 % материала);
• меньшая механическая прочность по сравнению с литьевыми изделиями той же толщины;
• необходимость последующей обрезки и финишной обработки.

Интересные факты

• Первое в мире серийное термоформованное изделие — прозрачная коробка для шоколадных конфет, выпущенная в 1938 году компанией DuPont.
• В СССР в 1970-х годах термоформование использовали для изготовления корпусов телевизоров «Рубин» и «Горизонт».
• Современные машины для термоформования могут работать с листами шириной до 2,5 м и толщиной до 15 мм.
• В пищевой упаковке всё чаще применяют биопластики (PLA, PHA), которые также поддаются термоформованию.
• Технология позволяет изготавливать изделия с тиснением, логотипами и текстурой поверхности непосредственно в процессе формования.

Источники

• Шварцман А. С. «Технология переработки пластмасс». — М.: Химия, 1989.
• Калинчев Э. Л., Саковцева М. Б. «Свойства и переработка термопластов». — Л.: Химия, 1983.
• Throne J. L. «Thermoforming». — Hanser Publishers, 1996.
• ГОСТ 25346-89 «Термоформование. Термины и определения».
• Материалы отраслевых журналов «Пластикс» и «Полимерные материалы» (2010–2023 гг.).