Płaski arkusz folii polimerowej może zostać przekształcony w opakowanie wieloma różnymi metodami, które można określić wspólną nazwą: termoformowanie. We wszystkich tych metodach płaski arkusz jest zaciskany na obrysie formy, nagrzewany do temperatury uplastycznienia, a następnie formowany. Istnieje wiele metod, odmian i kombinacji procesu termoformowania, które może być zarówno negatywowe (forma z gniazdem), jak i pozytywowe, a odbywa się dzięki wywołanej różnicy ciśnień nad i pod powierzchnią kształtowanego arkusza tworzywa.
Profil grubości
Mechanizm kształtowania się opakowania na przykładzie formy negatywowej przedstawiono na rys. 1. Ciśnienie atmosferyczne powoduje odkształcenie uplastycznionej folii, która stopniowo wypełnia gniazdo formy, jednocześnie doznając kontaktu z jej chłodzonymi ściankami. Kontakt tworzywa ze ścianką powoduje szybkie odebranie ciepła, co skutkuje powrotem ze stanu wysoko elastycznego do stanu szklistego wymuszonej elastyczności. To powoduje, że obszary te nie będą ulegały dalszemu odkształcaniu, a co za tym idzie zmianie grubości. Rezultatem takiego mechanizmu jest powstawanie znacznych przewężeń w miejscach, gdzie kontakt tworzywa ze ściankami formy następuje najpóźniej. Z reguły są to dolne krawędzie i narożniki opakowania. Tak zróżnicowana grubość ścianek jest jednym z najważniejszych ograniczeń kształtowalności wyrobów metodą termoformowania. Na rys. 2 przedstawiono przykład rozkładu grubości w wyformowanym okrągłym kubku. Widać, że grubość w dolnych obszarach w pojemniku stanowi zaledwie 10% grubości materiału wyjściowego. W celu uzyskania lepszego rozkładu grubości czy minimalizacji lokalnych przewężeń stosuje się odpowiednie techniki, m.in. wstępne rozciąganie stemplami lub nadmuchem, nagrzewanie strefowe i wiele innych.
Istnieje kilka metod oszacowania profili grubości w termoformowanych produktach. Najczęściej stosowane to: modelowanie z wykorzystaniem elementów skończonych MES, FEA (finite element analysis) lub GEA (geometric element analysis) [6], które jest podejściem analitycznym. Analiza geometryczna rozciągania tworzywa wymaga przyjęcia pewnych założeń i wynikających z nich uproszczeń, z których najważniejsze to:
n Termoformowany materiał jest izotropowy
n Chwilowy kształt rozciąganej folii niebędącej w kontakcie ze ściankami formy jest kulisty, a jej grubość jest jednakowa
n Temperatura folii niebędącej w kontakcie ze ściankami formy jest stała w czasie formowania
n Część tworzywa stykająca się ze ściankami formy nie podlega dalszemu rozciąganiu
n Termoformowany materiał polimerowy jest nieściśliwy i charakteryzuje się wsp. Poissona = 0,5
n Gniazdo formy jest osiowosymetryczne
Profil grubości ścianki bocznej
Rozpatrując rozciąganie folii o wyjściowej grubości gw w formie negatywowej, z gniazdem w kształcie ściętego stożka, w danej chwili czasu ma ona kontakt jedynie z brzegiem gniazda (rys. 3). Objętość wyjściowa tego wycinka kuli o promieniu R wynosi:
W kolejnym kroku część tworzywa o objętości Vst odłoży się na ściance bocznej (powierzchni stożkowej):
Natomiast pozostała objętość V1 wycinka kuli po rozciągnięciu o ds wyniesie:
Objętość tworzywa w trakcie rozciągania jest stała, zatem bilans wyniesie: V0 = Vst + V1, który po rozwiązaniu i scałkowaniu w granicach 0-s daje nam zależność na grubość folii w postaci [4]:
Profil grubości dna i narożników
Grubość wyrobu wyznaczana wg zależności (4) jest poprawna do momentu, kiedy nie nastąpi kontakt tworzywa z dnem formy. Wtedy grubość jest wyznaczana według nieco innego mechanizmu, co jest związane z odkładaniem się tworzywa nieulegającego dalszemu rozciąganiu jednocześnie na elementarnym pierścieniu na dnie i powierzchni stożkowej ścianki bocznej (rys. 4). Po elementarnym przyroście długości s, mierzonej wzdłuż tworzącej stożka o wartość ds, na ściance bocznej odkłada się tworzywo na powierzchni Ast, natomiast na dnie na powierzchni Adna. Objętość tworzywa podczas rozciągania jest stała, więc grubość ścianki wynosi:
O ile Ast i Adna można łatwo wyznaczyć, o tyle obliczenie powierzchni A1 będącej częścią pola powierzchni torusa o promieniach R1 i Xt jest bardziej skomplikowane. Wykorzystując zależność wyprowadzoną przez [4], grubość wynosi:
gdzie: – F”x – zależność między XT, , H i D–2 [4].
Część eksperymentalna
Na podstawie wyprowadzonych zależności na grubość rozciąganego w formie tworzywa napisano aplikację i przeprowadzono symulację dla pojemnika w formie negatywowej o następujących wymiarach: D = 90 mm, β = 88°, H = 80 mm i 45 mm, dla grubości wyjściowej go = 550 µm. W kolejnym etapie przeprowadzono próby termoformowania próżniowego sztywnej folii APET o grubości 550 µm na stanowisku badawczym SB420 (prod. TEPRO SA Koszalin) w formie z dwoma gniazdami osiowosymetrycznymi (rys. 5). Formowanie przeprowadzono dla dwóch zakresów głębokości, płytkiego i głębokiego. Zastosowano tu następujące rozróżnienie [4]: dla formowania głębokiego H > D–2 , dla formowania płytkiego H < D–2. Po nagrzaniu folii do temperatury 110°C, w każdym cyklu, wyformowano po dwa kubki o średnicy 90 i głębokościach 80 i 45 mm. Rysunek 6 przedstawia kolejne etapy kształtowania się formowanych pojemników w gniazdach formy. Czas pełnego wypełnienia gniazd formy przez folię wyniósł około 0,7 s. Następnie dokonano szeregu pomiarów grubości w przekroju uzyskanych opakowań (rys. 7) w 60 równo oddalonych punktach dla głębokości 80 mm i 43 dla głębokości 45 mm. W wyniku tego uzyskano rozkłady grubości, które następnie porównano z grubościami uzyskanymi metodą analityczną (rys. 8).
Podsumowanie
Geometryczny model kształtowania profilu grubości został oparty na ośmiu założeniach upraszczających i nie zależy od właściwości materiału oraz parametrów termoformowania. Model ten pozwala z pewną dokładnością przewidzieć rozkład grubości (rys. 8) w termoformowanych wyrobach. Dla przeprowadzonych eksperymentów maksymalna różnica między modelem teoretycznym a eksperymentem wyniosła około 25%, co biorąc pod uwagę przyjęte założenia upraszczające jest dobrym wynikiem. Wynikające różnice mogą być rezultatem m.in. nieuwzględnienia w modelu faktycznych zjawisk występujących w czasie rozciągania folii, jak jej poślizg na ściankach formy, czy przedostawania się pewnej objętości materiału spoza powierzchni wyjściowej gniazda formy do jej wnętrza, różnic w prędkości chłodzenia obszarów o większej i mniejszej grubości, jak również wpływu temperatury i prędkości odkształcania. W celu uzyskania dokładniejszych wyników należałoby w modelu uwzględnić ww. zjawiska ze szczególnym uwzględnieniem właściwości lepko-sprężystych kształtowanych folii polimerowych, co obecnie umożliwiają specjalistyczne oprogramowania do modelowania i symulacji procesów termoformowania wykorzystujące metody elementów skończonych (m.in. T-SIM, T-FORMCAD, ANSYS Polyflow).
Literatura:
[1] Gruenwald G.: Thermoforming. A Plastics Procesing Guide. Technomic Publishing Company, Inc. Pensylvania 1998
[2] Illig A.: Thermoforming. A Practical Guide. Carl Hanser Verlag, Munich 2001
[3] Klein P. W.: Fundamentals of Plastics Thermoforming. Morgan & Claypool, Ohio University 2009
[4] Rozenweig N.: Wall thickness distribution in thermoforming. Polymer Engineering and Science, 1979, Vol. 19, No 13
[5] Sikora R: Obróbka tworzyw wielkocząsteczkowych. Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Lubelskiej. Lublin 1992
[6] Throne J. L.: Understanding Thermoforming. Carl Hanser Verlag, Munich 2008
[7] Materiały wewnętrzne firmy TEPRO SA
