Termoformowanie jest przemysłowym procesem, w którym sztuczne tworzywo termoplastyczne, najczęściej w postaci płyty, folii sztywnej lub folii giętkiej, jest kształtowane pod wpływem ciepła i siły.
Po podgrzaniu do odpowiedniej tempera-tury, w której staje się plastyczne, pod wpływem ciśnienia różnicowego jest wtłaczane do chłodzonej formy, gdzie po ostudzeniu przyjmuje jej kształt. Różnicę ciśnień nad i pod folią, niezbędną do procesu, uzyskuje się dzięki działaniu próżni lub/i nadciśnienia. Wyroby wytworzone metodą termoformowania można spotkać w wielu zastosowaniach w szerokim zakresie wymiarów, np. od małych opakowań do tabletek do ścianek chłodziarek.
Etapy procesu termoformowania
Istnieje wiele metod i kombinacji procesu formowania, który może się odbywać w formach negatywowych i pozytywowych. Można wyróżnić m.in. takie odmiany formowania, jak: formowanie próżniowe, formowanie ciśnieniowe, formowanie próżniowo-ciśnieniowe, formowanie z rozciąganiem wstępnym stemplem, formowanie na stemplu, formowanie na stemplu po rozciąganiu nadmuchem, formowanie dwóch arkuszy tworzywa i wiele innych kombinacji. Niezależnie od przeznaczenia maszyny termoformującej i rodzaju wytwarzanych opakowań, każdy proces termoformowania składa się z pewnych etapów, które są realizowane kolejno na jednym bądź kilku stanowiskach maszyny. Należą do nich: nagrzewanie tworzywa, formowanie, chłodzenie i odcinanie. Podstawowe etapy procesu termoformowania na przykładzie formowania negatywowego przedstawiono na rys. 1.
Proces odcinania może również występować oddzielnie, poza stacją formowania lub poza maszyną. Oprócz wymienionych etapów procesu termoformowania często występują dodatkowe, np. nagrzewanie wstępne, rozciąganie wstępne folii stemplami czy rozciąganie wstępne nadmuchem lub pod ciśnieniem. W przypadku formowania głębszych pojemników, zastosowanie wstępnego tłoczenia stemplami powoduje poprawę rozkładu grubości ścianek opakowania, a tym samym umożliwia formowanie na większą głębokość.
Nagrzewanie tworzywa
Proces nagrzewania tworzywa może być jednym z najbardziej czasochłonnych etapów cyklu termoformowania. Czas nagrze-wania zależny jest od sposobu dostarczania ciepła do materiału, który może się odbywać metodą przewodzenia, konwekcji lub promieniowania. Przy wyborze metody nagrzewania tworzyw sztucznych należy uwzględnić ich własności cieplne oraz wymagania co do czasu ich nagrzewania. Grzanie folii z obu stron pomaga skrócić czas nagrzewania. Ponadto o czasie nagrzewania decyduje struktura tworzywa. Aby podgrzać tworzywo krystaliczne z temperatury pokojowej do temperatury topnienia krystalitów potrzeba dużo więcej energii niż dla tworzywa amorficznego przy grzaniu do tej samej temperatury. Często w przypadkach, gdy czas nagrzewania w znacznej mierze decyduje o czasie całego cyklu termoformowania, można go skrócić przez zastosowanie grzania wstępnego. Nagrzewanie wstępne może odbywać się w jednej lub kilku stacjach w odległościach równych całkowitej krotności przesuwu folii od stacji formowania. Dzięki temu temperatura formowanego tworzywa jest zwiększana z każdym taktem aż do osiągnięcia wymaganej temperatury formowania przy wprowadzaniu folii do stacji formowania (rys. 2). W nagrzewaniu kontaktowym (rys. 3) wykorzystuje się zjawisko przewodzenia ciepła od nagrzewanej oporowo płyty grzejnej do będącego z nią w kontakcie tworzywa. Formowane tworzywo w postaci folii dociskane jest do gorącej płyty sprężonym powietrzem lub próżnią. Nagrzewanie kontaktowe zapewnia najbardziej jednorodny rozkład temperatury, a stosuje się je szczególnie przy dużych produkcjach małych cienkościennych wyrobów oraz w automatycznych maszynach termoformująco-pakujących. W wysokowydajnych termoformierkach w stacjach nagrzewania folii najczęściej stosuje się promienniki podczerwieni, wykorzystujące fale elektromagnetyczne w celu dostarczenia energii do tworzywa. Promieniowanie obejmuje zakres podczerwieni, czyli fal o długości od 0,8 do 1000 µm. Czas, w którym nagrzewane tworzywo osiągnie wymaganą temperaturę formowania zależy od czasu ekspozycji, od gatunku formowanego tworzywa, jego koloru, grubości, odległości od promiennika, ugięcia podczas nagrzewania. Najkrótszy czas nagrzewania może być osiągnięty wtedy, kiedy obie powierzchnie arkusza są ogrzewane z największą intensywnością, do możliwie najwyższej temperatury nie powodującej zniszczenia materiału.
Formowanie
Po wprowadzeniu nagrzanego tworzywa do formy następuje jego rozciąganie (formowanie) w wyniku działania ciśnienia różnicowego na powierzchnię arkusza tworzywa. Rozciąganie folii rozpoczyna się od kontaktu z brzegiem formy, przy jednoczesnym zmniejszaniu grubości. W miarę zagłębiania się tworzywa w formie, w wyniku występującego tarcia między folią a ściankami bocznymi formy oraz ochładzania i umacniania tworzywa w tych miejscach, folia będąca w kontakcie z formą nie podlega dalszemu rozciąganiu. Dalszemu wydłużaniu będą ulegały obszary folii nie stykające się z formą, a postępujące pocienienie folii będzie rosło w miarę zagłębiania się jej w formie. Będzie ono największe w miejscach, w których tworzywo w końcowym etapie będzie miało kontakt z formą. W zależności od tego, która strona formowanej folii ma kontakt z narzędziem (formą), czyli w zależności od podziału na formowanie pozytywowe i negatywowe, powstaną odmienne rozkłady grubości folii w wyrobie (rys. 4). W formowaniu negatywowym miejscami największych przewężeń są zazwyczaj dolne naroża i krawędzie wyrobu (rys. 5). Aby formowane tworzywo dokładnie wypełniło formę musi mieć właściwą temperaturę, a na jego powierzchnię musi działać odpowiednie ciśnienie. W przeciwnym razie powstanie produkt o małej dokładności odwzorowania formy. Zastosowanie wyższego ciśnienia pozwala uzyskać większą dokładność oraz możliwość formowania tworzyw w niższych temperaturach niż w przypadku formowania próżniowego. Przy formowaniu ciśnieniem do 0,7MPa stopień odwzorowania formy jest na tyle duży, że w celu uniknięcia odciśnięcia otworów odpowietrzających formy w opakowaniu muszą one mieć średnice mniejsze od lokalnej grubości folii.
Chłodzenie
Chłodzenie jest obok nagrzewania tworzywa jednym z najbardziej czasochłonnych etapów procesu termoformowania. Tym samym decyduje o jego wydajności. Tworzywo ulega chłodzeniu już w momencie zakończenia procesu jego nagrzewania. Wszystkie procesy występujące między grzaniem a formowaniem, np. przesuw folii, rozciąganie stemplami, muszą odbywać się możliwie szybko. Chłodzenie formowanego tworzywa rozpoczyna się w momencie jego formowania, które trwa dziesiętne części sekundy w przypadku folii cienkich lub kilku sekund w przypadku grubszych wyrobów z płyt. W tym czasie temperatura tworzywa nie może spaść poniżej dolnej temperatury formowania. Właściwy czas chłodzenia rozpoczyna się z końcem formowania, kiedy cały uformowany wyrób ma kontakt ze ściankami formy. Ciepło odebrane od formowanego wyrobu podczas chłodzenia w formie powoduje jego powrót ze stanu wysokoelastycznego do stanu sztywnego sprzed nagrzewania. W automatycznych termoformierkach najczęściej stosuje się chłodzone wodą formy wykonane z aluminium z powodu dobrej przewodności cieplnej tego metalu.
Maszyny termoformujące do produkcji opakowań
Termoformowanie ze względu na kształtowane tworzywa można podzielić na dwie kategorie. W pierwszej (thin-gauge), formowane są tworzywa o grubości do 1,5 mm, występujące najczęściej w postaci folii odwijanych z rolek (zwojów). Stąd
maszyny kształtujące takie tworzywa popularnie są nazywane maszynami lub liniami rolowymi (RF roll-fed). Natomiast druga kategoria formowanych materiałów (heavy lub thick-gauge) obejmuje tworzywa o grubościach 3 mm i większych, występujące najczęściej w postaci arkuszy lub płyt (SF sheet-fed). Istnieje jeszcze pośredni zakres formowanych tworzyw o grubości od 1,5 do 3 mm, lecz udział ich jest niewielki w stosunku do wyżej wymienionych. Często specjalne termoformierki, oprócz wytwarzania opakowań, jednocześnie pakują do nich produkty próżniowo lub w atmosferze modyfikowanej. Do tej grupy należą automatyczne linie termoformująco-pakujące (TFFS thermoform-fill-seal = termoformujące, napełniające produktem i zamykające opakowania). Około 75% wszystkich termoformowanych wyrobów jest wytwarzanych z materiałów o grubości do 1,5 mm. Są nimi w większości sztywne opakowania jednorazowego użytku. Każda kategoria formowanych wyrobów wymaga zastosowania różnych metod i oprzyrządowania.
Rolowe maszyny do produkcji opakowań
Obecnie na rynku istnieje wielu producentów maszyn do termoformowania opakowań z tworzyw sztucznych w zależności od potrzeb i wymagań klienta. Najczęściej w skład maszyny wchodzą następujące moduły lub zespoły: odwijania folii, nagrzewania promiennikami, nagrzewania kontaktowego, formowania, odcinania, zwijania ażuru, czyli pozostałości po wy-ciętych opakowaniach. Dodatkowo mogą występować stacje: nagrzewania wstępnego, odkładania i układania w stosy gotowych opakowań, mielenia pozostałości folii, tłoczenia wstępnego. W zależności od wytwarzanego produktu, maszyny realizują formowanie próżniowe lub ciśnieniowe. Odcinanie gotowych opakowań może być wykonywane w jednej stacji razem z formowaniem, w kolejnej stacji odcinania lub poza maszyną, gdzie podawana wstęga uformowanych opakowań trafia do specjalnego urządzenia wycinającego wyroby. Przeważnie zakres grubości formowanych folii, w zależności od maszyny, wynosi od kilkuset µm do 3 mm. Zastosowanie szybkich mechanizmów zamykania narzędzi z serwonapędami pozwala uzyskać wydajności od kilkunastu do nawet 70 cykli na minutę. Zazwyczaj w większych maszynach termoformujących nagrzewanie folii odbywa się bezkontaktowo za pomocą promienników podczerwieni. Ta metoda pozwala na bardzo szybkie nagrzanie tworzywa do temperatury formowania, co bezpośrednio przekłada się na czas jednego cyklu termoformowania, a więc na wydajność maszyny. W zależności od typu i konfiguracji termoformierki, może ona być wyposażona w formy wykonane w kilku do nawet kilkudziesięciu wariantów, w których mogą być realizowane procesy formowania negatywowego, formowania pozytywowego, rozciągania wstępnego stemplami, odcinania gotowych opakowań, perforowania opakowań itd. W celu przezbrojenia, czyli przejścia na inne wymiary opakowań czy wymiany form, niektóre maszyny często mają systemy szybkich zmian. Takie rozwiązania konstrukcyjne pozwalają na zminimalizowanie czasu przezbrajania, a tym samym zmniejszenia przestojów produkcyjnych. Czasami w zakładach produkujących opakowania z tworzyw sztucznych można spotkać linie produkcyjne, w skład których wchodzą bezpośrednio połączone ze sobą wytłaczarka produkująca folię oraz maszyna termoformująca. W ten sposób do termoformierki podawana jest folia wstępnie nagrzana, a folia resztkowa po odcięciu opakowań (ażur) jest mielona i z powrotem trafia do wytłaczarki. Dzięki takiemu rozwiązaniu proces produkcji opakowań jest dużo wydajniejszy niż przy tradycyjnym formowaniu folii z rolek; dodatkowo unika się magazynowania rolek z folią i praktycznie nie ma żadnych odpadów z folii. W przypadku, gdy nie ma wygórowanych wymagań co do wydajności procesu termoformowania, a kształtowane są tworzywa mające dobrą termoformowalność, to można zastosować mniejsze maszyny mające tańszy od nagrzewania promiennikami, system nagrzewania kontaktowego folii. Przy tej metodzie nagrzewanie folii do temperatury formowania wymaga dłuższego czasu, ale za to zapewnia jednorodną temperaturę na całej powierzchni formowanego arkusza. Na rys. 6 przedstawiono kompaktową maszynę termoformującą TES806 produkcji Tepro Koszalin, wykonującą formowanie ciśnieniowe w formie negatywowej z jednoczesnym odcinaniem opakowań w jednej stacji. Formowana folia jest nagrzewana kontaktowo do temperatury formowania w formie lub też może być wcześniej, przed
wprowadzeniem do formy, podgrzana w piecu grzania wstępnego. Uszczelnienie formy odbywa się przez docisk specjalnego noża, który stanowi jednocześnie obrys opakowania. Po uformowaniu wyrobów nóż zagłębia się w folię odpowiednio ją nacinając. Oddzielenie gotowych opakowań następuje w momencie, gdy folia otaczająca nacięte opakowania, tzw. ażur przechodzi przez rolkę zwrotną do zespołu zwijającego. Natomiast oddzielone od wstęgi folii wyroby spadają na stół odbiorczy.
Rolowe linie termoformująco-pakujące
Powszechną tendencją w dziedzinie opakowań i maszyn pakujących jest dążenie do uzyskania wysokiej wydajności i automatyzacji procesów pakowania. Z tego powodu, szczególnie w ostatniej dekadzie, popularność zyskały automatyczne linie termoformująco-pakujące (TFFS = thermoform-fill-seal, czyli termoformujące, napełniające produktem i zamykające opakowania). Mają one bardzo wiele zastosowań. Można na nich wytwarzać opakowania zarówno z folii giętkich, jak i sztywnych (twardych) oraz pakować produkty żywnościowe, techniczne, medyczne i wszelkie inne. Pakować można w próżni, w atmosferze modyfikowanej (MAP) lub metodą SKIN (obciągania folii na produkcie lub zestawie produktów). Proces wytwarzania opakowania (rys. 7) rozpoczyna się od wprowadzenia folii odwijanej z rolki dolnej, do stacji nagrzewania kontaktowego, podobnie jak w termoformierkach z tym typem nagrzewania. Różnicą jest natomiast sposób transportu folii. W rolowych liniach pakujących folia transportowana jest w specjalnych łańcuchach prowadzących. Boczne krawędzie folii są łapane klamerkami łańcucha już w momencie wprowadzania folii do maszyny, a zwalniane przy wyprowadzaniu ażuru folii lub pasków brzegowych. Następnie po nagrzaniu folii do odpowiedniej temperatury następuje jej formowanie, a otrzymane w ten sposób opakowania, znajdujące się cały czas we wstędze folii, przesuwane są do strefy napełniania. Tam odbywa się napełnianie opakowań produktem, które może być realizowane ręcznie bądź automatycznie przez wszelkiego typu dozowniki, podajniki lub taśmy transportujące. Uformowane opakowania ze znajdującym się w nich produktem zostają następnie zakryte folią górną (wieczkową, czyli pokrywkową), odwijaną z drugiej szpuli i trafiają do stacji zgrzewania. Tam, po odpompowaniu powietrza z opakowań oraz często po dozowaniu odpowiedniej mieszanki gazowej, odbywa się zgrzewanie obrzeży uformowanych opakowań we wstędze folii dolnej z górną zakrywającą folią wieczkową. W ten sposób powstają szczelne opakowania z zawartym w nich produktem, które są dalej transportowane do zespołów ciecia poprzecznego i wzdłużnego w celu odcięcia od wstęgi folii. Odcięte gotowe opakowania spadają na stolik rolkowy lub transporter taśmowy i opuszczają maszynę. W zależności od przeznaczenia i indywidualnych wymagań klienta linie pakujące mogą być praktycznie dowolnie konfigurowane. Wielu producentów maszyn termoformująco-pakujących oferuje różne typy, począwszy od małoga-barytowych maszyn o kompaktowej budowie przeznaczonych do pracy z foliami wąskimi (rys. 8) do kilkunastometrowych linii do pracy z foliami o dużej szerokości. Najczęściej średnie i większe maszyny mają budowę modułową. Dzięki temu jeden typ maszyny może być konfigurowany na wiele sposobów. Na przykład wstawienie dodatkowego modułu między stacjami formowania i zgrzewania pozwala zwiększyć strefę napełniania opakowań produktem, a wydłużenie strefy odcinania umożliwia montaż różnych dodatkowych urządzeń, jak dodatkowe noże poprzeczne, detektory metali, drukarki, etykieciarki itd. Obecnie prace rozwojowe nad maszynami tego typu dotyczą głównie zwiększania wydajności, zmniejszenia kosztów wykonania, podniesienia poziomu automatyzacji, w tym wprowadzania wielu systemów ekspertowych i diagnostycznych, minimalizacji zużycia energii, ułatwienia obsługi i wprowadzenia rozwiązań umożliwiających szybką zmianę narzędzi (form). Na rys. 9 przedstawiono modułową maszynę termoformujaco-pakującą nowej serii LPP typu 3618 produkcji Tepro Koszalin, która wejdzie do produkcji seryjnej na początku roku 2012.
Podsumowanie
Termoformowanie jest jedną z najczęściej używanych metod wytwarzania opakowań z tworzyw sztucznych. Wynika to miedzy innymi z niedużych kosztów termoformierek wraz z oprzyrządowaniem w porównaniu do innych technik, np. formowania wtryskowego czy przez wytłaczanie z rozdmuchiwaniem. Współczesne maszyny do wytwarzania opakowań metodą termoformowania umożliwiają uzyskanie opakowań z bardzo dużej liczby różnych tworzyw termoplastycznych oraz w szerokim zakresie wymiarów i kształtów opakowania. Rynek producentów maszyn do termoformowania pozwala klientowi na odpowiedni dobór maszyn do określonych zastosowań. W każdej maszynie termoformującej, niezależnie od tego, czy jest to mała maszyna o kompaktowej budowie, czy też większa linia modułowa, można wyróżnić podstawowe etapy procesu termoformowania,
takie jak nagrzewanie, formowanie, chłodzenie. Różnice mogą wystąpić jedynie w odmianach tych procesów oraz w zastosowanych rozwiązaniach konstrukcyjnych. Producenci maszyn do termoformowania cały czas prowadzą prace rozwojowe nad udoskonalaniem istniejących już maszyn lub opracowywaniem nowych modeli. Dzięki temu możliwe jest wytwarzanie opakowań o skomplikowanych kształtach oraz z materiałów o słabej termoformowalności z dużą wydajnością, co jeszcze kilkanaście lat temu sprawiało znaczne trudności.
Literatura
[1] A. ILLIG: Thermoforming. A Practical Guide. Munich 2001, Carl Hanser Verlag.
[2] P. W. KLEIN: Fundamentals of Plastics Thermoforming. Ohio Uniwersity 2009, Morgan & Claypool.
[3] S. R. ROSEN: Thermoforming. Improving Process Performance. Michigan 2002, Society of Manufacturing Engineers.
[4] J. L. THRONE: Understanding Thermoforming. Munich 2008, Carl Hanser Verlag.
[5] K. L. YAM: Encyclopedia of packaging technology. Third edition. United States of America 2009, Publication A John Wiley & Sons, Inc.
[6] Materiały reklamowe firmy ILLIG, www.illig.de
[7] Materiały reklamowe firmy KIEFEL, www.kiefel.de
[8] Materiały reklamowe firmy MULTIVAC, www.multivac.pl
[9] Materiały reklamowe firmy TEPRO S.A., www.tepro.com.pl
[10] Materiały reklamowe firmy ULMA, www.ulmapackaging.com
[11] Materiały reklamowe firmy WEBOMATIC, www.webomatic.de
[12] Materiały reklamowe firmy VARIOVAC, www.variovac.pl
