1. Wprowadzenie
Jedną z najczęstszych technik wytwarzania opakowań z tworzyw polimerowych jest termoformowanie. W metodzie tej z płaskiego arkusza folii lub płyty z tworzywa termoplastycznego kształtuje się wyroby zarówno o prostych, jak i bardzo skomplikowanych kształtach. Aby powstał wyrób o wymaganej geometrii, materiał musi zostać nagrzany do temperatury plastyczności, a następnie na powierzchni kształtowanego arkusza musi zostać wytworzone odpowiednie ciśnienie. W ten sposób uplastyczniony materiał ulegając rozciąganiu zostaje wtłoczony do formy, gdzie po ochłodzeniu przyjmuje jej kształt. Jednym z podstawowych ograniczeń procesu termoformowania jest zmienny rozkład grubości ścianek formowanego opakowania. W formach negatywowych grubość ścianki wyrobu maleje wraz z zagłębianiem się tworzywa w formie, a największe pocienienie występuje w miejscach, w których kontakt rozciąganego tworzywa z chłodzoną formą następuje najpóźniej. Powstające przewężenia oraz charakterystyczny dla danego wyrobu, w określonych warunkach formowania, rozkład grubości ścianek ograniczają maksymalną głębokość kształtowanego wyrobu. W celu określenia stopnia rozciągnięcia tworzywa w formie dla danego wyrobu stosuje się współczynniki głębokości formowania (lub rozciągania).
2. Współczynniki głębokości formowania
Współczynnik głębokości formowania jest powszechnie używanym wskaźnikiem termoformowalności danego tworzywa. Jest on miarą całkowitego zwiększenia wyjściowej powierzchni arkusza tworzywa w wyniku rozłożenia materiału na ściankach bocznych oraz dnie formy. W zależności od kształtu i wymiarów wyrobu najczęściej stosuje się następujące współczynniki:
– powierzchniowy Adr (areal draw ratio),
– liniowy Ldr (linear draw ratio),
– H:D (height to dimension, or diameter).
Współczynnik Adr
W celu uzyskania wyrobu o określonym kształcie początkowy arkusz o powierzchni A0 i grubości g0 zostaje rozciągnięty, dostarczając wyrób o powierzchni A1 i średniej grubości g1.
Powierzchniowy współczynnik głębokości formowania wynosi:
i jest on najprostszą miarą rozciągnięcia tworzywa podczas formowania, a także dwuosiowego stanu odkształcenia. Jego wartość jest zawsze większa od jedności.
Współczynnik Ldr
Porównanie długości odcinka L0 arkusza przed jego wyformowaniem z długością tego samego odcinka L1 po formowaniu pozwala wyznaczyć liniowy współczynnik głębokości formowania, który jest określany zależnością:
W przypadku niesymetrycznego pojemnika, w zależności od miejsca przeprowadzonego pomiaru, można wyznaczyć kilka wartości Ldr (rys. 2). Zazwyczaj jest używana największa wartość Ldr obliczana w przekroju przechodzącym przez największą głębokość pojemnika i przecinającym dłuższe boki opakowania (przekrój A’B’C’D’ na rys. 2).
Współczynnik H:D
Jest to stosunek głębokości formowania H i najmniejszego liniowego wymiaru D niewyformowanego arkusza lub średnicy w przypadku wyrobów kołowo symetrycznych. Z wyjątkiem wyrobów o prostych kształtach, wyznaczenie współczynnika H:D może być niejednoznaczne. Dla prostego cylindra z rys. 1 występuje następująca zależność miedzy współczynnikami Ldr i H:D:
Ldr = 1+2 (H:D).
3. Współczynnik głębokości formowania jako parametr opakowania
Pomiędzy współczynnikami głębokości formowania, liniowym i powierzchniowym – z wyjątkiem wyrobów o prostej geometrii – nie występuje żadna zależność. Obie wielkości informują jedynie o średnim przewężeniu ścianek wyrobu, podczas gdy rzeczywiste lokalne wartości grubości mogą odbiegać od średniej o ±30%. Natomiast samo opakowanie charakteryzuje się zmiennym rozkładem grubości ścianek, który jest wynikiem rozciągania materiału i pocieniania ścianek kształtowanego wyrobu w formie, które rośnie w miarę postępowania formowania. Różnica między jednoosiowym i dwuosiowym stanem odkształcenia jest najlepiej widoczna na przykładzie pojemnika, którego długość jest znacznie większa od szerokości (np. pojemnik w kształcie długiego korytka). Środkowa część będzie formowana jedynie jednoosiowo, chociaż pozostałe obszary ulegną rozciąganiu dwuosiowemu. Powoduje to różnice w grubości ścianek wzdłuż długości dna pojemnika. Dlatego też dla opakowań z dominującymi odkształceniami dwuosiowymi najczęściej stosuje się współczynnik powierzchniowy Adr, podczas gdy wyroby, w których dominuje jednoosiowe rozciąganie, można lepiej opisać współczynnikiem liniowym Ldr lub H:D. Praktyczne zastosowanie współczynnika H:D najczęściej ogranicza się do wyrobów kołowo symetrycznych takich jak kubki, okrągłe pojemniki itp., wytwarzanych w formach negatywowych.
Tworzywa termoplastyczne generalnie mogą być formowane na dowolną głębokość, przy której jeszcze nie nastąpi ich uszkodzenie związane z rozerwaniem czy nadmiernym pocienieniem. Współczynniki głębokości formowania nie dają informacji o rozkładzie grubości ścianek w przekroju wyrobu, a odnoszą się jedynie do geometrii formy. Ich wartości będą takie same zarówno dla wyrobów formowanych ze wstępnym tłoczeniem stemplami, jak i bez niego. Podobnie wartości będą identyczne dla różnych tworzyw formowanych w różnych temperaturach. Zatem powstaje pytanie, dlaczego je stosować? Mianowicie na
podstawie informacji o współczynniku głębokości formowa-
nia projektowanego opakowania można z pewną dokładnością określić średnią grubość ścianek w termoformowanym opakowaniu. Znając grubość materiału wyjściowego i wymiary formy, można z pewną dokładnością oszacować parametry kształtowanego wyrobu, co przeprowadzono poniżej.
4. Część doświadczalna
W celu porównania grubości średnich, obliczonych na podstawie współczynnika głębokości formowania, z wartościami faktycznie uzyskanymi, wyformowano 3 opakowania o różnych głębokościach. Próby przeprowadzono na stanowisku badawczym termoformowania SB420 produkcji TEPRO SA w Koszalinie. Termoformowaniu próżniowemu poddano półsztywną folię polipropylenową o grubości 400 µm w formie negatywowej. W wyniku tego uzyskano opakowania o wymiarach 108x165 mm (rys. 3 i 4) oraz głębokościach 30, 45 i 55 mm. Dla każdego z opakowań dokonano przekroju przez dłuższy bok i zmierzono grubość ścianek w kilkudziesięciu równo oddalonych punktach, od górnego brzegu do środka opakowania. Powstałe rozkłady grubości przedstawiono na rys. 5. Dla każdego opakowania obliczono wartości średnie grubości w celu porównania ich ze średnimi grubościami szacowanymi na podstawie współczynnika Adr. Do oszacowania średniej grubości w przekroju opakowania wykorzystano następującą zależność:
, gdzie:
g0 – grubość początkowa folii,
Adr – powierzchniowy współczynnik głębokości formowania,
k – współczynnik uwzględniający szerokość a i długość b
opakowania, który wnosi informację o charakterze
dominujących odkształceń (jednoosiowe lud dwuosiowe),
k = ( 0,5 – a –– 2b).
Natomiast zestawienie wyników zamieszczono w tabeli 1.
Jak widać na rys. 5, grubość ścianek w opakowaniach jest bardzo zróżnicowana. Maleje ona w miarę oddalania się od brzegu opakowania i najmniejszą wartość osiąga w okolicach dolnych krawędzi opakowania (łączenie dna ze ścianami bocznymi). Następnie w miarę zbliżania się do środka dna opakowania grubość wzrasta. Wyznaczenie parametrów przyszłego opakowania takich jak rozkłady grubości czy lokalne przewężenia w sposób analityczny jest bardzo trudne. Do tego celu stosuje się specjalistyczne oprogramowanie komputerowe wykorzystujące metodę elementów skończonych, często zawierające modele lepkosprężyste wybranych tworzyw termoplastycznych. Natomiast w szybki sposób i nie popełniając znacznych błędów można wyznaczyć grubość średnią. Porównanie grubości wyliczonej z szacowaną przedstawiono na rys. 6, gdzie można zaobserwować, że nie ma istotnych różnic między tymi wartościami.
Współczynnik głębokości formowania często wykorzystuje się także jako kryterium stosowania dodatkowych zabiegów w celu poprawy rozkładów grubości ścianek. Jak podaje [2], w przypadku opakowań o współczynnikach głębokości formowania H:D>0,33 w formowaniu negatywowym niezbędne jest zastosowanie stempli tłoczenia wstępnego. Zatem w przypadku opakowania o wymiarach jak podczas badań, już przy głębokości opakowania równej H=40 mm, (H:D = 0,37), powinno się uzupełnić proces termoformowania o mechaniczne rozciąganie folii stemplami. Jest to związane ze znacznymi pocienieniami ścianek, szczególnie w narożach i w dolnych częściach opakowania, które powodują znaczną utratę sztywności opakowania. Dodatkowo lokalne pocienienia mogą powodować istotny spadek barierowości folii.
Znajomość współczynnika głębokości formowania dla danego wyrobu o określonych parametrach może również służyć do obliczenia grubości materiału wyjściowego w celu uzyskania wyrobu o zadanej grubości średniej.
5. Podsumowanie
Mimo iż na podstawie współczynników obliczonych dla termoformowanych wyrobów nie można dokładnie określić rozkładów grubości czy grubości minimalnych, to są one chętnie stosowane przez producentów i projektantów opakowań. Dzięki nim można szybko oszacować grubość średnią opakowania, dobrać grubość materiału wyjściowego czy też decydować o konieczności wprowadzenia dodatkowych etapów procesu termoformowania w celu poprawy rozkładów grubości, jak na przykład wstępne rozciąganie stemplami. Współczynnik głębokości rozciągania jest też dobrym wskaźnikiem termoformowalności poszczególnych gatunków polimerów. Dla różnych gatunków polimerów określone są różne jego wartości maksymalne, przy których można uzyskać niewybrakowany wyrób, np. Adr dla PS wynosi 8, natomiast dla PMMA jedynie 3,4 [5].
LITERATURA
[1] Gruenwald G.: Thermoforming. A Plastics Processing Guide. Technomic Publishing Company, Inc., Pensylvania 1998
[2] Illig Adolf.: Thermoforming. A Practical Guide. Carl Hanser Verlag, Munich 2001
[3] Klein Peter W.: Fundamentals of Plastics Thermoforming. Morgan & Claypool, Ohio University 2009
[4] Sikora R.: Obróbka tworzyw wielkocząsteczkowych. Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Lubelskiej. Lublin 1992
[5] Throne James L.: Understanding Thermoforming. Carl Hanser Verlag, Munich 2008
