Podczas chłodzenia uformowanego wyrobu w formie, wskutek zachodzącego skurczu po ochłodzeniu, w formach pozytywowych tworzywo przylega do ścianek, natomiast w formach negatywowych od nich odchodzi. W przypadku form negatywowych, zjawisko to jest korzystne jedynie w formach jednogniazdowych. W formach wielokrotnych tworzywo przywiera do żeber między sąsiednimi gniazdami podobnie jak w formie pozytywowej. W celu ułatwienia, a w niektórych przypadkach umożliwienia wydobycia wyrobu z formy, wykonuje się pochylone ścianki boczne (rys. 3).
Kąt pochylenia powinien być w miarę możliwości jak największy. Pozwala to skrócić czas opuszczania formy przez wyrób, a tym samym zminimalizować długość cyklu termoformowania. Ponadto maleje ryzyko deformacji wyrobu podczas wyciągania z formy. Zalecane wartości pochyleń ścianek form pozytywowych i negatywowych w celu ułatwienia wyciągnięcia wyrobu z formy wynoszą =3°÷5°. Dodatkową zaletą form z pochylonymi ściankami jest zmniejszenie objętości przy ich składowaniu jedna w drugiej (rys. 4). Niektóre formy negatywowe pojedyncze mogą mieć pochylenie 0°, lecz jest ono stosowane dla wyrobów o małej pojemności, zazwyczaj <1 litra. W formach z zerowym kątem pochylenia ścianek często stosuje się denka formujące w postaci osobnego elementu wkładanego do gniazda formy. Denko stanowi dolną część gniazda formy i dzięki wkładom dystansowym może być umieszczone na dowolnej głębokości w gnieździe, umożliwiając tym samym zmianę głębokości formowanego wyrobu. Rozwiązania takie (rys. 5) są powszechnie stosowane w formach automatycznych maszyn termoformująco-pakujących.
Promienie zaokrąglenia krawędzi formy
Promień zaokrąglenia wewnętrznych ścianek formy powinien być tak dobrany, aby w trakcie formowania kontakt tworzywa miał miejsce z całą powierzchnią formy (rys. 6). Obszary formowanego wyrobu nie będące w kontakcie z formą będą wolniej stygły, co prowadzi do wydłużenia czasu chłodzenia. Dodatkowo wyrób może ulec deformacji z powodu różnic w prędkości skurczu obszarów tworzywa chłodzonych intensywnie i obszarów, gdzie chłodzenie przebiega dużo wolniej. Minimalny promień zaokrąglenia krawędzi wewnętrznych ścianek wynosi ok. 0,2 do 0,5 mm. Dodatkowo z wartością promienia zaokrąglenia ścianek, szczególnie dna formowanego wyrobu związana jest wartość największego przewężenia folii. Im mniejszy promień, tym dłuższa droga rozciągania tworzywa, a tym samym cieńsza staje się ścianka. Największe wartości przewężeń, powstałe wskutek dwuosiowego rozciągania wystąpią w dolnych narożach wyrobu. Z tego powodu konstruktorzy zawsze stosują w tych miejscach zaokrąglenia o określonych promieniach.
Promienie mogą być dwuwymiarowe (2D – krawędź łącząca dwie ścianki formy) lub trójwymiarowe (3D – naroże formy łączące trzy ścianki). Pocienienia ścianek w miejscach zaokrągleń powodują, że miejsca te są najsłabszymi miejscami w wyrobach cienkościennych. Często w celu utrzymania odpowiedniej sztywności w narożach wyrobu i ograniczenia przewężeń folii stosuje się również fazowania (rys. 7), przeważnie o kącie 45°.
Stan powierzchni ścianek formy
Dla różnych metod formowania i różnych gatunków formowanych tworzyw wymagania co do określonego stanu powierzchni formy mogą być całkiem odmienne. Najlepsze rezultaty w formowaniu wyrobów uzyskuje się przy zastosowaniu lekkiego piaskowania tych powierzchni formy, które mają kontakt z tworzywem. Zbyt gładka powierzchnia utrudnia ewakuację powietrza z obszarów między folią a ścianką formy. Powoduje to uwięzienie powietrza w tych obszarach, a w rezultacie wolniejsze chłodzenie i gorsze odwzorowywanie kształtu formy. Natomiast zbyt duża chropowatość powierzchni powoduje powstanie wyrobu o gorszej przezroczystości, a z drugiej strony zwiększa współczynnik tarcia między tworzywem a powierzchnią formy dodatkowo utrudniając poślizg tworzywa (rys. 8). Zakładając daną chropowatość powierzchni formy podczas jej projektowania należy uwzględnić także ciśnienie i zakres temperatur formowania danego tworzywa. Przy zachowaniu jednakowej tekstury, termoformowanie tworzyw przy użyciu większych ciśnień wymusza wykonanie form z mniejszą chropowatością powierzchni.
Chłodzenie formy
Uformowany produkt może opuścić formę jedynie wtedy, gdy zostanie ochłodzony do odpowiedniej temperatury, w której będzie wystarczająco sztywny i stabilny wymiarowo. W przeciwnym razie wyciągnięcie jeszcze zbyt gorącego wyrobu z formy może doprowadzić do jego deformacji. Natomiast zwiększenie czasu przebywania produktu w formie w celu jego schłodzenia powoduje wydłużenie czasu cyklu termoformowania. Konstrukcja formy powinna zatem umożliwić intensywne odebranie ciepła z tworzywa, a tym samym skrócenie czasu przebywania wyrobu w formie, co bezpośrednio przekłada się na wydajność procesu termoformowania. Chłodzenie form produkcyjnych najczęściej realizowane jest przez system długich otworów, którymi przepływa woda chłodząca (rys. 9). Lokalizacja, średnica i liczba kanałów chłodzących w formie zależą m.in. od jej wielkości, stopnia złożenia, od wymaganej ilości ciepła do odebrania z formowanego tworzywa. Prawidłowo zaprojektowany układ chłodzący formę pozwala na utrzymanie jej temperatury na stałym poziomie, przy dopuszczalnym odchyleniu temperatury na powierzchni formy nie przekraczającym 3°C. Dodatkowo różnica temperatur wody chłodzącej przy wejściu i wyjściu z formy nie powinna przekraczać 3°C. Chłodzenie może odbywać się w obiegu zamkniętym z urządzeniem chłodniczym lub otwartym przy zasilaniu z sieci wodociągowej. Obecnie skomplikowane formy wysokowydajnych termoformierek często mają po kilka obiegów chłodzenia, do części górnej formy, do miejsc w pobliżu gniazd formujących i do dolnej części formy i wypychaczy. Każdy z obiegów może mieć osobny układ kontroli temperatury. Zastosowanie kanałów chłodzących w bezpośrednim sąsiedztwie gniazd formujących (rys. 10) pozwala na bardzo szybkie odebranie ciepła od tworzywa, co przekłada się na zwiększenie wydajności maszyny i możliwość stosowania wyższej temperatury wody chłodzącej, czasami nawet do 18°C.
Otwory odpowietrzające
W trakcie formowania powietrze spod powierzchni folii musi być odprowadzone z formy. W tym celu w gniazdach formy wykonuje się małe otwory w miejscach, w których ostatnie obszary tworzywa mają kontakt z formą. Otwory odpowietrzające mogą służyć zarówno do ewakuacji powietrza z formy za pomocą pompy próżniowej (przy formowaniu próżniowym), jak i do odprowadzania sprężonego powietrza spod powierzchni folii do atmosfery (przy formowaniu nadciśnieniem). Liczba, średnice i rozlokowanie otworów odpowietrzających ściśle zależą od konstrukcji formy. W przypadku, gdy średnica otworów jest za duża, to w wyrobie końcowym mogą powstać wszelkiego typu odciśnięcia, przewężenia, a nawet pęknięcia tworzywa. Zbyt mała liczba otworów oznacza małą powierzchnię odpowietrzania, a tym samym uzależnia szybkość formowania od czasu ewakuacji powietrza spod powierzchni formowanego arkusza. W przypadku sterowania formowaniem na czas, oznaczać to będzie, że formowany materiał nie zdąży rozłożyć się we wszystkich miejscach formy, powodując powstanie wyrobu o małej dokładności odwzorowania formy. Średnice otworów odpowietrzających ściśle zależą od aplikacji formy oraz wymagań odnośnie do jakości powierzchni gotowego wyrobu, najczęściej zawierają się one w zakresie od 0,4 do 1,5 mm. Przykładowe średnice otworów odpowietrzających przy formowaniu folii PP i PE w formach negatywowych wynoszą dla:
n formowania nadciśnieniem 0,4÷0,5 mm,
n formowania próżniowego 0,5÷0,6 mm
W przypadku miękkich tworzyw porowatych średnice otworów mogą wynosić nawet 1,5 mm. W celu zmniejszenia oporów przepływu powietrza przez otwory najczęściej stosuje się pogłębienia o większej średnicy, przeważnie 4÷10 mm (rys. 11). W dobrze zaprojektowanej formie suma powierzchni przekrojów poprzecznych wszystkich otworów odpowietrzających powinna być większa od pola przekroju poprzecznego przyłącza próżniowego formy. Lokalizacja otworów odpowietrzających zawsze występuje w miejscach, gdzie kontakt tworzywa ze ściankami następuje najpóźniej. W formach negatywowych są to zazwyczaj zaokrąglenia dwuwymiarowe dolnych krawędzi i trójwymiarowe narożników wyrobu. Dlatego przy formowaniu próżniowym w formach negatywowych można uzyskać zadowalający wyrób przy rozmieszczeniu otworów tylko w czterech dolnych narożnikach formy. Rozlokowanie otworów w pozostałych miejscach może wynikać z konieczności uzyskania określonych efektów w dalszym etapie procesu formowania. Otwory na dużej płaskiej powierzchni dna formy stosuje się w celu „odklejenia” schłodzonego już wyrobu od formy podczas jego wyciągania. Rozmieszczenie otworów odpowietrzających w bocznych ściankach lub zaokrągleniach stosuje się w celu zwiększenia tarcia między tworzywem a formą dla zminimalizowania poślizgów tworzywa na ściankach formy podczas rozciągania. Natomiast w przypadku, gdy nie wiadomo, w których miejscach kolejno będzie następował kontakt tworzywa z formą w trakcie formowania, zaleca się rozmieszczenie otworów w dolnych krawędziach w regularnych odstępach od siebie.
Projektując formę do termoformowania opakowań często należy uwzględnić również wiele innych czynników oprócz wymienionych powyżej. Na przykład rozmieszczenie gniazd formujących w formie, wyposażenie formy w dodatkowe podzespoły odcinające, perforujące, wypychające, umożliwienie łatwej wymiany formy lub zmiany głębokości formowania czy uwzględnienie wstępnego rozciągania folii. W wysokowydajnych maszynach termoformujących wymagania dotyczące krótkich czasów cyklu termoformowania wymuszają zastosowanie skomplikowanych, a przez to drogich form. Natomiast poprawnie zaprojektowana i wykonana forma będzie miała decydujący wpływ na jakość powstałego wyrobu. n
Literatura
[1] ILLIG A.: Thermoforming. A Practical Guide. Carl Hanser Verlag Munich 2001.
[2] KLEIN P. W.: Fundamentals of Plastics Thermoforming. Morgan & Claypool Ohio Uniwersity 2009.
[3] ROSEN S. R.: Thermoforming. Improving Process Performance. Society of Manufacturing Engineers Michigan 2002.
[4] THRONE J. L.: Understanding Thermoforming. Carl Hanser Verlag Munich 2008.
[5] Materiały reklamowe firmy ILLIG www.illig.de
[6] Materiały reklamowe firmy ILLIG www.meaf.nl
[7] Materiały reklamowe firmy TEPRO S.A. www.tepro.com.pl
