VARMFORMNING: Från bägare till badkar

Bearbetning från A–Ö
Från bägare till badkar
VARMFORMNING
I nästa nummer: Limning
Varmformning eller thermoforming,
har ett brett tilllämpningsområde
från tillverkning av engångsbägare
till kylskåpsinredningar, badkar och
swimmingpooler. Produkterna formas av extruderade halvfabrikat,
som blivit mjuka genom uppvärmning. Det förkommer även att gjutna PMMA-skivor varmformas.
˘ Processen sker i ett temperaturområde
där plasten är termoelastisk och gummiliknande till skillnad från extrudering och
formsprutning där formningen sker av ett
smält material. Skivornas kanter spänns
in i en ram varefter skivan värms upp vanligen med IR-strålning.
Formning sker med hjälp av tryck eller vakuum mot en hanform (positiv formning)
eller honform (negativ formning). Plastskivor kan formas enligt flera metoder –
en efter en eller i automatiska anläggningar.
Varmformningens fördelar är låga
formningstryck och billiga formar. Massgods som engångsbägare tillverkas av
Varmformning används bland annat för tillverkning av livsmedelsförpackningar.
plastfolier på tiondels millimetrar, som levereras i form av rullar. Plastfolien formas
i flera kaviteter och trimmas i automatiska
anläggningar till låga kostnader och i kvantiteter av upp till 100 000 enheter per timme.
som varmformas är amorfa plaster, som är termo-
D E VA N LI G A STE M ATE R I A LE N
elastiska i breda temperaturintervall över
glastemperaturen; Tg. Delkristallina plaster är besvärligare att hantera men går att
forma i ett smalt svårkontrollerat område
kring smälttemperaturen; Tm. De representeras främst av polyolefiner som PP
och PE, som visserligen är svåra att forma
men är å andra sidan billiga material.
lars-erik edshammar
Grundprinciper
˘ I de två figurerna på nästa sida framgår
hur draghållfastheten och brottförlängningen varierar med temperaturen för
amorfa respektive delkristallina material.
Varmformning är möjlig vid de temperaturer där plasten visar ett gummiliknande
beteende och är termoelastisk, det vill säga
i temperaturintervall där brottförlängningen är hög men varmhållfastheten är tillräcklig.
Semikristallina plaster varmformas inom ett betydligt snävare intervall än amorfa plaster. För icke modifierad polypropen
gäller ett intervall av endast 2°C till 5°C.
Delkristallina plaster varmformas därför
med noggrann temperaturkontroll. Endast
termoplaster kan varmformas eftersom
härdplaster inte blir tillräckligt termoelastiska vid uppvärmning.
vid rumstemperatur eftersom de intermolekylära krafterna
är höga och molekylerna har begränsad
rörlighet i förhållande till varandra. Då
temperaturen höjs blir rörligheten allt intensivare. Materialets styrka (draghållfasthet) minskar och brottförlängningen och
därmed duktiliteten ökar.
Då temperaturen närmar sig den amorfa plastens glastemperatur (Tg) börjar de
intermolekylära krafterna försvagas successivt och makromolekylerna börjar glida
E N A M O R F P L A ST Ä R ST Y V
förbi varandra. Materialets styrka avtar
drastiskt vid Tg och brottförlängningen gör
ett skutt uppåt mot ett område där termoplasten är termoelastisk och når ett maximum där materialet börjar bli varmformbart. Varmformbarheten gäller ytterligare
några grader på grund av materialets låga
styrka men upphör då det börjar smälta.
Det markerade temperaturområdet under Tf är ett lämpligt intervall för varmformning av amorfa plaster. Höjs temperaturen ytterligare elimineras praktiskt taget
de intermolekylära krafterna och plasten
blir flytande.
Eftersom smältningen sker successivt
kan inte Tf anges med ett exakt tal. Ökar
plastforum 2 2006
65
Bearbetning från A–Ö
Grundprinciper
(fortsättning)
temperaturen ytterligare bryts plastmolekylerna ned och materialet förstörs vid
Ts, som inte heller kan anges med ett
exakt tal.
En plast som är lätt att varmforma bör
ha en brottförlängning som är 550 till 600
procent inom intervallet för varmformning.
består av både
amorfa och kristallina områden och egenskaperna beroende på temperaturen är
mer komplicerade än för det rent amorfa
materialet.
Kristallina områden består av molekyler, som är tätt packade med starka intermolekylära krafter. Dessa kristallina områdena ger plasten styrka och styvhet medan
amorfa områden med sin oordnade struktur bidrar till att materialet har en viss
brottförlängning och duktilitet.
Under Tg blir amorfa områden vanligen
glasartade och spröda och materialet är
odugligt som plast. PE-HD är således
odugligt som plast under Tg=–110 °C och
PP (homopolymer) blir sprött kring 0 °C.
(Nylon är undantag och användbart under
ett Tg , som infaller vid 50 °C).
Över Tg finner vi i figuren ett temperaturområde där delkristallin plast uppträder som både styv och duktil. De intermolekylära krafterna inom amorfa områden minskar och styrkan avtar medan
duktiliteten ökar.
Krafterna inom kristallina områden
minskar först då vi närmar oss Tm och
D E LK R I STA LLI N A P L A STE R
En amorf plasts förändring med temperaturen.
minskningen är drastisk i ett mycket snävt
intervall kring Tm. Inom detta snäva intervall finner vi förutsättningarna för varmformning, det vill säga materialet är termoelastiskt (styrkan avtar snabbt och brottförlängningen ökar).
Den kristallina smältpunkten, Tm, är
visserligen exakt men har sin motsvarighet i det amorfa materialets ungefärliga Tf.
Varmformningen av en delkristallin plast
sker således i ett snävt område kring Tm.
Det är därför lättare att kontrollera varmformning av amorfa än delkristallina plaster.
L ÄT TF O R M A D E A M O R FA TE R M O P L A STE R är
PS med sampolymerer, PMMA, cellulosaplaster, PC med sampolymerer, (PC+
PET)-legeringar, PVC, polyeterimid (PEI)
och PPE.
Bland delkristallina material varmformas lämpliga kvaliteter av polyolefiner och
nylon. Polyolefiner inkluderar material
som modifierats genom sampolymerisa-
En delkristallin plasts förändring med
temperaturen.
tion så att de får en gummiartad karaktär.
Efter formning inom det elastiska området sker avkylning och den tidigare formen hos produkten fryser inne. Produkten avformas då risken för deformation är
liten. För amorfa plaster är avformningstemperaturen (set temperature) 10°C till
20°C under Tg. Formens temperatur bör
ligga under denna temperatur men ändå
vara så hög att den ger produkten god
måttriktighet.
D E LK R I STA LLI N A P L A STE R har en längre kyltid än de amorfa på grund av sitt snäva stelningsintervall.
Produkten minns sin tidigare form vid
avsvalning och återtar den helt eller delvis
vid uppvärmning (elastiskt minne).
Produktens elastiskt minne kan
orsaka skevning om produkten blir för
varm då en annvänds. Den övre användningstemperaturen har således begränsningar och får under inga förhållanden
överskrida varmformningstemperaturen.
Olika uppvärmningsmetoder
˘ Filmer (folier) och skivor som varmformas har vanligen tjocklekar mellan 0,1
mm och 12 mm. Materialen förekommer
som halvfabrikat i form individuella ark
och skivor samt som rulle. Varmformningen sker i tre steg: uppvärmning, formning
och avkylning. Uppvärmningen sker genom konvektion, kontaktuppvärmning eller
infravärme. Skivor upphettas vanligen på
båda sidorna medan tunna folier ofta upphettas på en sida.
Konvektionsuppvärmning med forcerad
66
plastforum 2 2006
luftströmning tillämpas på mycket tjocka
skivor. Uppvärmningen är oberoende av
objektets yta men uppvärmningstiden är
proportionell mot skivans tjocklek. Plastens ringa värmeledningsförmåga gör att
mitten av skivan blir varm först efter en
tid.
och dessutom är kall nära spännramen är den svår att
forma på en gång eftersom det uppstår
restspänningar i den dragna produkten.
O M E N S K I VA Ä R K A LL I M IT TE N
Restspänningar kan orsaka deformation
och skevningar vid avformning och under
produktens användning. Denna olägenhet
elimineras om konvektionsuppvärmningen sker under lång tid, vilket är metodens
nackdel.
Kontaktmetoden innebär att objektet
uppvärms med varma plattor. Plattorna
har en temperatur av cirka 200 °C. Metoden används för tunna folier och ger en
snabb och jämn uppvärmning över hela
ytan. Värmeplattorna är belagda med
Bearbetning från A–Ö
Positiv och negativ
varmformning
˘ Varmformningen innebär att ett varmt
halvfabrikat inspänt i en ram sträcks med
hjälp av tryck eller vakuum.
Vid den enklaste formen av negativ
formning sugs den varma skivan mot en
honforms yta med hjälp av vakuum. Vid
positiv formning höjs en hanform mot den
varma skivan, som därefter sugs mot
formytan med hjälp av vakuum (vacuumassist drape forming).
I båda fallen får den yta, som kommer i
kontakt med formen hög måttnoggranhet.
Måttnoggranheten styr valet av metod
men hänsyn tas också till godstjocklekens
fördelning som är något olika vid negativ
och positiv formning. Formningsmetoderna illustreras i vidstående figurer.
Eftersom skivan är infäst i en ram och
dras mot honformen under den negativa
formningen får den dragna produkten
sidoväggar med en avtagande godstjocklek.
som plasten först kommer i kontakt med formen stelnar den.
Därefter stelnar plasten successivt under
det att väggen förtunnas. Ett liknande
fenomen uppstår vid positiv formning då
skivan dras mot en hanform. Godset blir
särskilt tunt i hörn och kanter, där materialet även kan skrynklas.
För tjocka skivor som dras djupt ska formen konstrueras med frikostiga radier.
För att minska variationen i väggtjocklek införs försträckning av den infästa skivan innan den slutligen formas. Försträck-
Negativ formning med vakuum.
Positiv formning med vakuum (vacuum-assist
drape forming).
Godstjockleken vid formning mot honform.
A. positiv formning med förblåsning
och försträckningmed hanform (plugg).
I D E T Ö G O N B LI C K
släppmedel. Strålningsuppvärmning
med infravärme är den vanligaste metoden. Det inre av plasten påverkas snabbt
utan att ytan skadas på grund av överhettning.
Strålningskällan bör ha en våglängd
som stämmer överens med plastskivans
absorptionsspektrum. Absorptionstopparna för många plaster ligger i området 2m
till 4μm vilket motsvarar 1100 °C till 800
°C i strålningskällan. Området nås av
kvartslampor, som är praktiska eftersom
ningen kan ske genom förblåsning med
tryckluft eller genom mekanisk försträckning med en stämpel (ofta i form av själva
hanformen – pluggen). De båda metoderna kan kombineras vilket exemplifieras i
två figurer (A och B) där skivan först blir
förblåst och därefter försträcks mekaniskt
med en hanform, varefter plasten sugs
mot hanformen med hjälp av vakuum.
Det finns anledning att använda försträckning om den färdiga produktens
längd/djup är mindre än 3:1.
de kan stängas av och på under några få
sekunder och har en livstid av upp till
10 000 timmar. Delar av strålningen kan
vid behov avkärmas med en aluminiummall. Strålningen kan också förstärkas lokalt med ett större antal strålningskällor
vars effekter styras individuellt. Med hjälp
av pyrometrar kontrolleras skivans lokala
temperaturer.
beroende
på materialtyp och många andra faktorer.
U P P VÄ R M N I N G E N Ä R I H Ö G G R A D
B. Positiv formning med vakuum mot hanform
Än så länge måste uppvärmningsparametrarna bestämmas experimentellt. Detsamma gäller kyltiden för att säkra avformningen. Teoretiska analyser är idag av
akademiskt intresse men har mindre
praktisk betydelse.
Kylningen kommer igång så fort som
det värmda halvfabrikatet kommer i kontakt med den kalla formen. För att kylningen ska gå snabbare kan den göras effektivare på flera sätt bland annat med hjälp av
fläktar.
plastforum 2 2006
67
Bearbetning från A–Ö
Vakuum- och tryckformning
˘ Varmformning brukar också indelas
i vakuumformning och tryckformning,
vilket ger en vidare beskrivning av varmformningsmetoderna.
Den enklaste typen av vakuumformning är den ovan beskrivna negativa formningen. Den värmda skivan sugs mot en
fast form med hjälp av ett vakuum, som
verkar genom fina kanaler i formverktyget. Metoden är enkel, formverktyget kan
ha en komplicerad profil men dragdjupet
är begränsat liksom möjligheten att styra
materialfördelningen, vilket vi påpekat tidigare.
Vakuumformning utförs också med
formen fäst vid ett rörligt formbord. Skivan spänns in och värms upp i ett läge över
bordet. Bordet höjs och skivan sugs mot
formen (positiv formning).
som har stort dragdjup förblåser man den varma skivan, vilket leder
till en gynnsammare fördelning av materialtjockleken hos den färdiga produkten.
Förblåsningen med tryckluft följs av borduppgång och en positiv formning, det vill
säga skivan sugs mot hanformen, som beskrivits i exemplet ovan.
Utsidan av produkten får hög glans
medan insidan har god måttnoggrannhet.
Avformningen kan underlättas genom att
tryckluft leds in vakuumkanalen.
Varmformning i press (matched mold
forming) är en tryckformningsmetod för
svårformade material som kräver höga
formningstryck (0,5–1,5 MPa). Tryckformningen, som liknar pressning av plåt, sker
i en hydraulisk press och kräver en robustare utrustning än vakuumformning. En
F Ö R D E TA L J E R
Friblåsning och tryckformning i sluten form
68
plastforum 2 2006
fördel med metoden är att väggtjockleken
inte varierar i formstycket.
Friblåsning (free forming) är tryckformning som sker utan formande verktyg. Den varma skivan utsätts för tryckluft
underifrån. Metoden tillämpas vid framställning av halvsfäriska kupoler och välvda tak. Glasklara material ger maximala
optiska egenskaper eftersom varken insidan eller utsidan kommer i kontakt med
någon verktygsyta. Tryckformning sker
också i en sluten form.
D U B B E LF O R M N I N G (twin-sheet forming) är
en variant av tryckformning i sluten form.
Metoden är faktiskt den äldsta varmformningsprocessen. Ursprungligen användes
den för att tillverka dockor av celluloid. Två
uppvärmda plastskivor inspänns
i ramar och införs mellan två formar.
Skivorna blåses upp med varm tryckluft
och formas mot formytorna. I handeln
finns rullmatade maskiner för dubbelformning. Processen tävlar med andra
metoder för att åstadkomma hålkroppar.
Metoden har vissa fördelar framför
formblåsning. Exempelvis kan de två skivorna ha olika färger och olika tjocklek.
Den ena skivan kan vara glasklar och den
andra opak. Dessutom kan hålkroppens
väggar göras tunnare än vid formblåsning.
Slutligen ges i figur ett exempel där
tryck- och vakuumformning kombineras.
Materialet blir förblåst innan hanpluggen
får verka. Därefter sker med pluggens
hjälp antingen tryckformning mot en kavitet (negativ formning) eller vakuumformning (positiv formning). Vid vakuumformningen fungerar pluggen som honform.
Varmformning i press
Förblåsning innan hanpluggen verkar
Negativ formning med tryckluft
eller positiv formning med vakuum
Dubbelformning (Twin-sheet formning)
Bearbetning från A–Ö
Varmformning
av förpackningar
˘ Varmformade förpackningar framställs i mycket stora produktionsvolymer
och tillverkas i specialmaskiner. Man utgår vanligen från folier levererade på rullle, och maskinen rullmatas kontinuerligt
men stegvis genom maskinen.
Först upphettas folien varefter formning sker genom djupdragning
i ett stort antal kaviteter med hjälp av
pluggar. Urstansning av de dragna produkterna och trimning sker vid själva
formningen eller i en station
efter formningen.
Det spill som fås, samlas på rulle och
återanvänds efter blandning med rent
material. Bägare och tråg brukar fyllas
”in line”. Produktionstakten är hög eftersom folien är tunn och kan värmas upp
och kylas snabbt.
Schematisk beskrivning av formning, fyllning och försegling
Skinn- och blisterförpackningar
˘Andra typer av förpackningsmaterial,
som varmformas är skinn- och blisterförpackningar. De består av en varmformad
plastfilm, som fästs vid en pappskiva med
tryck och anvisningar på baksidan. Plasten
är oftast glasklar och innehållet är synligt.
Förpackningar används vid marknadsföring av mindre produkter som handverktyg, reservdelar, tandborstar, batterier,
tuber med lim och så vidare. Så mycket
som 50 kilo maskinkomponenter kan
skinnförpackas.
Vid tillverkning av en skinnförpackning placeras föremålen på en luftgenomsläpplig pappskiva, som är täckt med ett
limskikt av något slag. Föremålen och pappskivan är placerade på ett formbord som
förs uppåt mot den inspända och upphettade filmen. Genom att suga ut luften mellan föremålen och den varma filmen smiter
den tätt mot föremålen och pappskivan.
Vidskinnmetoden behövs ingen form
eftersom föremålen får representera formen över vilken den varma filmen dras
med hjälp av vakuum. Efter formningen
stansas skivan till lämpligt format.
Vid användning av blistermetoden
(blister =blåsa) placeras föremålen i det genomskinliga förpackningsmaterialet, som
tillverkats genom varmformning. Pappskivan placeras över folien och föremålen
och binds till folien. Förbindningen mellan folien och pappskivan sker genom limning eller svetsning.
Andra möjligheter är vikning i kanten
eller häftning. Vid små serier kan föremålen placeras för hand och vid längre tillverkas förpackningen automatiskt.
Skinn- och blisterförpackningar
Rullmatade maskiner för massproduktion av förpackningsmaterial har hög
automatik. Behållare formas, fylls och
försluts med plastbelagd aluminiumfolie
eller plastfilm i samma maskin. Systemet brukar kallas ”form-fill-seal line”
(FFS line).
Alternativ till rullmatning är en extruder som matar maskinen direkt. Styrenbaserade material och talkfylld PP extruderas helst med avgasningsskruv med
extra blandningszoner. Varmformning
av förpackningar sker också med hjälp av
rundbord.
F I L M S O M A N VÄ N D S för varmformning
ska extruderas med en absolut homogen
smälta för att inte inhomogeniteter ska
orsaka brott i den formade filmen.
Inhomogent material kan orsakas genom tillsats av en master batch och vid
blandning med rester från trimning och
stansning.
Krav på varmformningsmaterialet
˘Den varma skivan ska kunna transporteras från en uppvärmningszon till det formande verktyget utan att deformeras. (En
uppvärmningsstation kan exempelvis mata en eller två formningsstationer). Den
ska också klara försträckning utan att brista (materialet ska ha hög varmstyrka). Att
bestämma den optimala formningstemperaturen är besvärligt. För ett visst material
beror temperaturen på kristallinitet, molmassafördelning och graden av sampolymerisering. Man söker ett temperaturområde inom vilket E-modulen sjunker kraftigt men där materialet fortfarande har
tillräcklig elasticitet för att kunna sträckas
utan att sargas i de skarpaste hörnen. Formens temperatur ska naturligtvis befinna
sig under avformningstemperaturen. Men
det är en känslig avvägning eftersom formens yta avtecknas bättre om formen har
en hög temperatur.
Vattenabsorbtionen hos vissa plaster
kan skapa problem. Skivorna måste i så fall
torkas för att förhindra uppkomsten av blåsor och bubblor hos produkten.
plastforum 2 2006
69
Bearbetning från A–Ö
Material i formar
och formarnas utformning
˘Formar tillverkas i olika material beroende på användning. De enklaste byggs av
hårt trä till exempel ask och används vid
tillverkning av prototyper.
För korta serier och vid krav på mindre
måttnoggrannhet används fylld epoxiplast, som är ett ganska vanligt formmaterial. Lämpligt fyllmedel är aluminiumpulver, som ger hög värmeledningsfömåga.
Gjutning i zinklegeringar kan användas
vid längre serier liksom elektroformad
koppar. Vanligen används emellertid aluminiumlegeringar vid långa serier. Trycket vid termoformning är endast 0,1 till 1,5
MPa och maskinkrafterna är tillräckligt
små för att tillåta gjuten eller bearbetat
aluminium som formmaterial. Dyra stålverktyg tar man till vid svårare belastningar som varmpressning som utförs med
svårformade material.
Formar som används för långa serier
Kippande form
tempereras med vatten eller olja som leds
i kanaler i formen. En honform är vanligen vattentempererad i området 40 °C till
90 °C. Motsvarande temperatur för en
hanform (plugg) är 60 °C till 150 °C. Ytor
som kommer i kontakt med plasten kan
behöva en ytfinish för utseendets skull.
För vissa plaster kan man tillåta en viss
grad av ojämnhet efter slipning för att slippa ”sug” och därmed underlätta avformningen.
Vissa plaster avtecknar inte en sådan
ojämnhet. Honformarna ska ha ett övermått av 1 procent på grund av plastens
krympning. För hanformar gäller övermåttet 0,5%. Släppvinkeln är cirka 5° för
hanformar och 2° per sida för honformar.
Släppningsvinkeln får sällan understiga
1,5°. Vid tillverkning av kylskåpskabinettet
(inre väggen) tillåts ibland 0,5° med speciella avformningsmetoder. I detta fall är
släppvinkeln närmast ett designkrav än ett
konstruktionskrav.
ska det finnas möjligheter till fullständig evakuering så att luften
aldrig kan bli innestängd. Evakuering av
luft mellan formyta och material sker genom fina hål eller spår. Spår är att föredra
om produkten tillåter en sådan lösning.
Ett spår eller slits med låg höjd kan ge en
jämförelsevis stor tvärsnittsarea för genomströmmning.
Om hålet efter en avluftningskanal har
för stor diameter kommer det att avtecknas i godsets yta i form av vårtor. I allmänhet ska hålets diameter var mindre än skivans tjocklek.
I FO R MV E R K T YG E T