Termoformowanie jest jedną z najczęściej używanych metod do wytwarzania opakowań z tworzyw sztucznych. Szerokie zastosowanie tej techniki wytwarzania spowodowane jest niskimi kosztami produkcji wyrobu. Wynika to m.in. z niedużych kosztów maszyn do produkcji opakowań (termoformierek) oraz ich oprzyrządowania w porównaniu do innych technik wytwarzania, np. technologii wtrysku. Ponadto termoformowanie charakteryzuje się wysoką wydajnością procesu, ekonomicznością produkcji małoseryjnej oraz krótkim czasem wprowadzenia nowego wyrobu, od projektu do prototypu.
Termoformowanie jest procesem, w którym tworzywo termoplastyczne w postaci płaskiego arkusza, np. folii lub płyty jest nagrzewane do odpowiedniego dla danego gatunku tworzywa, zakresu temperatury, a następnie formowane w celu uzyskania wymaganego kształtu. Tworzywo nagrzane powyżej temperatury mięknięcia i mające już odpowiednią temperaturę formowania jest następnie rozciągane w formie w wyniku działania na jego powierzchnię ciśnienia różnicowego. W ten sposób wtłoczony do formy arkusz ulega schłodzeniu w wyniku kontaktu ze ściankami formy, a jego kształt zostaje utrwalony. Siłę formującą uzyskuje się dzięki różnicy ciśnień nad i pod arkuszem tworzywa (folii lub płyty), dzięki działaniu próżni, nadciśnienia lub próżni i nadciśnienia. Temperatura formowania podczas procesu zależna jest od jego parametrów, jak i kształtowanego tworzywa, dlatego musi byś ściśle kontrolowana. Główną wadą procesu jest zmienny rozkład grubości ścianek formowanego opakowania. W formowaniu próżniowym grubość ścianki wyrobu spada 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 rozkład grubości ścianek narzucają ograniczenia maksymalnej głębokości formowania.
Cel i zakres badań
Aby ustalić, czy dany czynnik wejściowy wpływa w sposób istotny na wynik przeprowadzono badanie rozpoznawcze. Jakość i parametry opakowania uzyskanego metodą termoformowania zależą od dużej liczby czynników wejściowych i parametrów procesu. Celem badań rozpoznawczych było określenie, czy parametry wejściowe procesu, takie jak temperatura formowania i ciśnienie formowania wpływają w sposób istotny na rozkład grubości ścianek powstałego opakowania, w tym na wartość minimalnej grubości folii i dokładność kształtu opakowania.
Przedmiot badań
Przemiotem badań rozpoznawczych jest proces termoformowania folii twardej z tworzywa sztucznego PVC/PE. Termoformowaniu poddano folię o grubości 380 µm, odwijaną ze szpuli o szerokości 420 mm. Badania przeprowadzono na automatycznej maszynie termoformująco-pakującej LPP420x30 produkcji Tepro Koszalin. W wyniku tego wytworzono opakowania o wymiarach 108x282 oraz głębokości 35 mm.
Warunki realizacji badań
Termoformowanie przeprowadzono na automatycznej linii termoformujacej, wyposażonej w formę negatywową o podziale 3x1, tj. z trzema gniazdami formującymi. W jednym takcie pracy wytwarza ona trzy opakowania o wymiarach podanych wyżej. Nagrzewanie folii odbywa się kontaktowo, przez przewodzenie ciepła od gorącej płyty grzejnej w tej samej pozycji w maszynie, w której następnie odbywa się formowanie. Badania przeprowadzono w następujących warunkach:
n maszyna termoformująca LPP420x30 typ 3579-00.00.00A/mod01,
n forma F3x1 108x282x35 mm,
n formowana folia twarda PVC/PE gr. 380 µm,
n formowanie ciśnieniowe,
n czas nagrzewania 3,5 s,
n ciśnienie nagrzewania 0,09 MPa,
n czas formowania 4 s,
n czas odpowietrzania formy 0,6 s.
Program badań
Badania rozpoznawcze podzielono na dwie części. Pierwsza część dotyczyła oceny istotności wpływu ciśnienia i temperatury formowania na dokładność kształtu uzyskanego opakowania. Druga dotyczyła wpływu tych samych parametrów na rozkład grubości ścianek opakowania, w tym na wartość minimalnej grubości folii. Badania zrealizowano zgodnie z programem statycznym randomizowanym blokowym kompletnym [4]. Program ten pozwala na ocenę wpływu dwóch czynników badanych na wyniki. Założono, że badane czynniki x1 i x2 będą przyjmowały K1 i K2 poziomów. Dla każdego zestawu wartości czynników x1 i x2 przeprowadzono tylko jeden pomiar. Przyjęto następujące poziomy czynników wejściowych:
a) badanie wpływu temperatury i ciśnienia formowania na dokładność kształtu wyrobu,
- x1: ciśnienie formowania p, K1=5 (0,02 0,05 0,1 0,15 0,2) MPa,
- x2: temperatura formowania T, K2=2 (75 85)°C,
b) badanie wpływu temperatury i ciśnienia formowania na rozkład grubości ścianek opakowania i minimalną grubość folii,
- x1: ciśnienie formowania p, K1=5 (0,02 0,05 0,1 0,15 0,2) MPa,
- x2: temperatura formowania T, K2=5 (95 105 115 125 135)°C.
Wyniki badań i ich analiza
Metody przeprowadzenia pomiarów
We wszystkich wytworzonych opakowaniach wycięto paski folii w celu dokonania pomiarów grubości ścianek i oceny dokładności formowania. Paski wycięto ze środka opakowania, w przekroju S przez dłuższy bok (rys. 1). W celu wyznaczenia dokładności kształtu uzyskanej wytłoczki zmierzono długość L1 rozwinięcia uformowanej folii i porównano z długością przekroju formy L2 (rys. 2). Dokładność formowania Fa określono jako: Fa = L1 – a x 100%
L0 – a
W celu wyznaczenia rozkładu grubości folii w ściankach opakowania, a tym samym wartości minimalnej grubości ścianki, dokonano kilkudziesięciu pomiarów w tym samym przekroju S. Do pomiarów grubości wykorzystano przyrząd pomiarowy (rys. 3). Przesuw zamocowanej próbki pod końcówką grubościomierza czujnikowego pozwala odczytać wartość grubości praktycznie w dowolnej liczbie punktów pomiarowych na całej długości próbki.
Wyniki doświadczeń
Dla każdego zestawu wartości ciśnienia i temperatury formowania przeprowadzono tylko jeden pomiar. Ze wszystkich uformowanych opakowań wycięto próbki, które następnie zmierzono pod kątem grubości i dokładności kształtu.
W wyniku pomiarów grubości wzdłuż każdej wyciętej próbki uzyskano rozkłady grubości ścianek, z których następnie odczytano wartości minimalne i ich lokalizację w próbce (rys. 4).
Największe przewężenia folii powstają w dolnych krawędziach opakowania. Ich wartości dla poszczególnych doświadczeń zanotowano w tabeli wyników (tab. I). Następnie zmierzono długości rozwinięcia każdej próbki w celu obliczenia dokładności formowania. Przykładową różnice w dokładności formowania dla opakowań uzyskanych przy różnych parametrach przedstawiono na rys. 5.
Wyniki doświadczeń dla dwóch części badań, tj. dla określenia wpływu parametrów na minimalną grubość ścianki opakowania i na dokładność formowania, zestawiono w tabl. I-IV.
Wartości krytyczne testu F Fishera-Snedecora przyjęto dla poziomu aα= 0,05.
Wnioski
W celu określenia wpływu temperatury i ciśnienia termoformowania na grubość minimalną i dokładność formowania opakowania przeprowadzono badania rozpoznawcze. Zastosowany program statyczny randomizowany blokowy przeznaczony jest do jednoczesnej oceny wpływu dwóch czynników wejściowych na czynnik wynikowy. Analizę i opracowanie wyników pomiarów przeprowadzono w programie Experiment Planner 1.0.1 [5].
W przypadku badania wpływu parametrów na minimalną grubość folii w przekroju opakowania, wartość krytyczna testu F Fishera-Snedecora dla aα= 0,05, r1 = 4 i r2 = 16 wyniosła F0,05;4;16 = 3,01, natomiast obliczona wartość testu F = 0,0104. Ponieważ F0,05;4;16 > F, należy stwierdzić, że zarówno ciśnienie, jak i temperatura formowania nie mają istotnego wpływu na zmianę wartości minimalnej grubości ścianki w opakowaniu.
W przypadku badania wpływu parametrów na dokładność formowania, wartości krytyczne testu F Fishera-Snedecora wyniosły:
n dla czynnika x1 (ciśnienie), aα= 0,05, r1 = 4, r2 = 4 F0,05;4;4 = 7,71,
n dla czynnika x2 (temperatury), aα= 0,05, r1 = 1, r2 = 4 F0,05;1;4 = 6,39.
Natomiast obliczone wartości testu F wynoszą odpowiednio: F = 11,03 i F = 20,25. Ponieważ F0,05;4;4 < F = 11,03 i F0,05;1;4 < F = 20,25, należy stwierdzić, że zarówno ciśnienie, jak i temperatura formowania mają istotny wpływ na dokładność termoformowanego wyrobu.
LITERATURA
[1] Illig Adolf.: Thermoforming. A Practical Guide. Carl Hanser Verlag, Munich 2001.
[2] Klein Peter W.: Fundamentals of Plastics Thermoforming. Morgan & Claypool, Ohio Uniwersity 2009.
[3] Harron G. W., Harkin-Jones E. M. A., Martin P. J.: Influence of thermoforming parameters on final part properties. Thermoforming Research Group, The Queen’s University of Belfast, Northern Ireland.
[4] Kukiełka L.: Podstawy Badań Inżynierskich PWN, Warszawa 2002.
[5] Kukiełka S.: Experiment Planner 1.0 – Komputerowy program planowania eksperymentów rozpoznawczych i właściwych oraz identyfikacji i analizy modelu matematycznego obiektu badań. Podręcznik użytkowania programu.
[6] Throne James L.: Understanding Thermoforming. Carl Hanser Verlag, Munich 2008.
