Что такое ротационное формование и как оно происходит

О чем речь? Ротационное формование – способ получения тонкостенных полых изделий разного вида из термопластических полимеров при помощи специального оборудования. В качестве исходного материала чаще всего используется полиэтилен.

На что обратить внимание? Список машин для ротационного формования достаточно широк. Это так называемые раскладушки, вертикальные колесные станки, модели Swing и Shuttle. Выбор агрегата диктуется используемым материалом и параметрами будущего изделия.

Суть метода ротационного формования

В современном производстве полимерных изделий все чаще используются методы, позволяющие получать прочные и легкие конструкции при относительно простом технологическом цикле. К таким решениям относится ротационное формование пластика, которое активно применяется для создания полых конструкций различного назначения.

При методе ротационного формования исходный материал помещается внутрь замкнутой формы и распределяется за счет ее вращения. В качестве сырья чаще всего используют порошковые или гранулированные полимеры, а также специальные смеси.

Наиболее распространенным вариантом считается полиэтилен, так как он стабильно плавится и равномерно покрывает внутренние поверхности. Далее задействуются специальные формы для ротационного формования, которые устанавливаются на оборудование и начинают вращаться сразу по нескольким осям.

Одновременно происходит нагрев, в результате которого материал постепенно переходит в пластичное состояние. Существенное значение здесь имеет правильно рассчитанная температура ротационного формования, от которой зависит равномерность распределения материала и качество изделия.

Под действием центробежного распределения расплавленный полимер оседает на стенках формы слоем определенной толщины, формируя цельную полую конструкцию. Так производится ротационное формование изделия, которое отличается отсутствием швов и равномерной толщиной стенок. Чтобы исключить деформации, вращение продолжается и на этапе охлаждения, когда материал окончательно стабилизируется.

Читайте также!

Линейный полиэтилен низкой плотности: свойства и сферы применения

Подробнее

Процесс начал применяться еще в середине XX века, однако первоначально использовался ограниченно. Это было связано с медленной скоростью производства и небольшим выбором подходящих материалов. Со временем развитие полимерной химии и совершенствование оборудования сделали технологию значительно более востребованной.

Сегодня ротационное формование позволяет выпускать широкий спектр продукции – от простых емкостей до сложных технических конструкций с толщиной стенок в пределах 6–20 мм, что обеспечивает прочность и долговечность изделий.

Сферы применения ротационного формования

Универсальность технологии позволяет выпускать широкий спектр продукции с использованием метода ротационного формования. Перечислим лишь некоторые направления:

• Продукция для экологии и благоустройства: этим способом изготавливают необходимые для городской среды элементы – мусорные урны, дорожные конусы, сигнальные столбики и дорожные знаки.
• Ёмкости для жидкости: ротационное формование изделия позволяет создавать крупногабаритные баки для воды и химических реагентов объемом до 50 000 литров, а также контейнеры, ящики, поддоны, термоконтейнеры и другие резервуары, например, поилки для крупного рогатого скота.
• Изделия для использования в водной среде: поплавки, буйки и понтоны, эксплуатируемые в речных и морских условиях. Для повышения герметичности, долговечности и равномерной структуры материала применяется купель ротационного формования.
• Детали для автомобилестроения: прочные комплектующие со сложной геометрией – брызговики для грузовиков, топливные баки и инструментальные ящики.
• Снаряжение для активного отдыха: байдарки, каноэ и небольшие лодки. Ротационное формование обеспечивает необходимую прочность и эластичность материала.

Процесс ротационного формования

Технологическая цепочка ротационного формования состоит из следующих стадий:

1. Подготовка сырья и формы: нужный объем полимера засыпается внутрь холодной формы для ротационного формования. Количество сырья определяет толщину стенки изделия.
2. Разогрев формы: нагрев производится одновременно с вращением формы. Способ подвода тепла выбирают исходя из температуры плавления конкретного типа сырья:
   • горячим воздухом – для деталей с тонкими стенками;
   • инфракрасным нагревом – для изделий несложной геометрии;
   • газовым пламенем – для пластиков с высокой температурой плавления;
   • расплавленными солями – при работе с модифицированными полимерами.

Для крупногабаритных заготовок обычно используют купель ротационного формования – специальное устройство, обеспечивающее равномерное распределение тепла по всей поверхности оснастки.

1. Формирование оболочки: ротационное формование пластика за счет вращения оснастки вокруг двух перпендикулярных осей. Благодаря этому расплавленный полимер равномерно покрывает внутренние стенки формы. Нагрев продолжается до тех пор, пока весь материал не прилипнет к поверхности. После этого число оборотов повышают – это позволяет получить плотную, однородную стенку без пузырьков воздуха и других дефектов. Затем оснастку плавно остужают.
2. Стабилизация структуры: форму обдувают холодным воздухом либо орошают мельчайшими каплями воды. При этом вращение не останавливают.
3. Выемка готовой детали: самая сложная операция во всей технологической цепочке. Чтобы извлечь готовое изделие, форму приходится полностью разбирать на разъемные части.

Для каждой позиции, изготавливаемой методом ротационного формования, технологический режим не задается заранее, а вырабатывается в ходе практических испытаний с поэтапной доводкой параметров.

Материалы для ротационного формования

Методом ротационного формования перерабатываются различные термопласты. Абсолютное лидерство здесь принадлежит полиэтилену. По данным Международной ассоциации ротационного формования (ARM), на долю продукции из ПЭ приходится порядка 85–95 % объема пластиковых товаров в мире, произведенных ротационным формованием.

Требования к качеству изделия диктуют выбор конкретной марки сырья. Для продукции бытового назначения берут полиэтилен низкого давления (ПНД), а если нужно получить особо прочное изделие – полиэтилен среднего (ПСД) или высокого давления (ПВД).

Помимо полиэтилена, технология допускает применение и других полимеров. В их числе – полипропилен, поливинилхлорид, нейлон, поликарбонат. Однако в этом перечне второе место после лидера занимает пластизоль.

Чтобы придать готовому продукту дополнительные свойства – будь то прочность, оттенок, эластичность или что-то иное – в процессе переработки вводят специальные добавки, например, пигменты для окраски и стабилизаторы для защиты от ультрафиолета.

Также довольно часто применяют антистатики – они не дают готовому изделию накапливать статическое электричество. Для продукции особого назначения в состав добавляют антипирены (снижают горючесть), стекловолокно (повышают жесткость) и вспенивающие агенты (уменьшают плотность).

Именно для метода ротационного формования созданы специальные модификации полиамида, поликарбоната и полипропилена. Данная технология также позволяет работать с полиуретаном и эпоксидными составами. Это открывает возможность выпускать продукцию с особыми, уникальными качествами.

Оборудование для ротационного формования

Типовая установка для ротационного формования состоит из несущей системы (люльки или рычага), где закрепляются формы, а также зон нагрева и охлаждения. Главное отличие одной модели оборудования от другой заключается в траектории движения формы для ротационного формования в рабочем цикле.

Читайте также!

Экспертиза проектной документации и инженерных изысканий: виды и результаты

Подробнее

Рассмотрим несколько типов таких машин:

• Машина раскладного типа. В данном варианте зона формования и охлаждения объединены в одном рабочем блоке. Загрузка сырья и установка формы выполняются через переднюю часть установки, которая герметично закрывается на время нагрева. По завершении цикла формования она открывается, откидывается, и производится извлечение готового изделия, а форма возвращается в исходное положение.
• Карусельные (револьверные) агрегаты. Оборудование имеет центральную ось и 3-6 выносных рычагов. На каждом закреплены формы, которые по кругу проходят через зоны загрузки, нагрева, охлаждения и выгрузки. Параллельная работа участков позволяет одновременно вести несколько операций, включая выпуск изделий разной толщины и размеров. При этом конструкция сложнее и требует внимательного обслуживания.
• Машина челночного типа. В установках используются независимые рычаги, перемещающие формы между отдельными зонами: загрузки, нагрева и охлаждения. Такой принцип работы позволяет эффективно распределять время между стадиями цикла, снижая простои и повышая производительность.
• Машина маятникового типа. В установках данного класса формы перемещаются между зонами по качающейся траектории. Их применяют, когда изделию требуется увеличенное время охлаждения или более сложное извлечение. Конструкция может иметь до четырех рычагов, что позволяет поддерживать непрерывную работу даже при длительных циклах.
• Вертикальная колесная установка. Машина по принципу работы напоминает аттракцион «колесо обозрения»: закрепленные в люльках формы перемещаются по кругу, проходя стадии загрузки, нагрева, охлаждения и выгрузки. Такие машины чаще всего применяются при выпуске небольших и средних изделий.
• Рок-н-ролльная машина. Машина сочетает два типа движения: вращение формы и ее поперечное качание. Формы совершают полный оборот на 360°. Такая схема движения позволяет равномерно распределять расплавленный материал по внутренней поверхности, что важно при создании вытянутых изделий сложной геометрии, например корпусов лодок. Конструкция имеет два рычага: один отвечает за вращение, второй – за раскачивание.
• Машина с открытым пламенем. Это одна из самых старых конструкций, где для разогрева используется прямое газовое пламя. Оборудование подходит для изготовления изделий открытого типа (без герметичной полости).

Возможные дефекты изделий при ротационном формовании

• Прилипание пластика к форме: значительно осложняет его извлечение и может привести к повреждению как самого изделия, так и формы. Профилактика: обеспечение равномерного плавления полимера без наличия нерасплавленных частиц; тщательная очистка и полировка рабочей поверхности формы; нанесение равномерного антиадгезионного покрытия; в отдельных случаях – перенос разъема оснастки в другое место.
• Изменение цвета готового изделия: термическое разложение материала проявляется в виде заметного изменения цвета как снаружи, так и изнутри готовой детали – от желтоватого до коричневого. Этот дефект не только портит внешний вид, но и снижает жесткость изделия. Профилактика: сокращение длительности нагрева; снижение температуры ротационного формования; пересмотр конструкции детали с целью уменьшения толщины стенок.
• Образование утяжин: ухудшают не только внешний вид, но и приводят к отклонениям от заданных размеров. Основная причина – неравномерное распределение давления внутри формы в процессе ротационного формования изделия. Профилактика: применение вентиляционных каналов, позволяющих компенсировать избыточное давление, возникающее из-за расширения воздуха или газов, образующихся в процессе нагрева.
• Деформация изделия: возникает при нарушении режима охлаждения или нестабильном вращении. Профилактика: корректировка температуры нагрева; оптимизация режима остывания; увеличение продолжительности вращения и при необходимости использование калибровочных элементов для правки изделия после извлечения.
• Поры, пузыри и шероховатость поверхности: возникают из-за повышенной влажности сырья, недостаточного прогрева или слишком большой толщины слоя материала. Профилактика: предварительная сушка полимера; увеличение времени термообработки; уменьшение количества загружаемого в формы пластика.
• Неравномерная толщина стенок: возникает при неправильном отношении скоростей вращения по осям. Профилактика: увеличение скорости вращения; изменение направления вращения.
• Полосы на внутренней поверхности изделия: связано с ошибками в настройке передаточного отношения. Профилактика: увеличение скорости вращения; изменение направления вращения.

Плюсы и минусы ротационного формования

Любая технология производства имеет свои сильные и слабые стороны. Но у метода ротационного формования положительных качеств заметно больше, чем отрицательных.

Преимущества:

• можно заранее заложить в конструкцию ряд особенностей: предусмотреть зоны под технологические отверстия, спроектировать стенки разной толщины;
• меньшая сложность по сравнению с альтернативными технологиями;
• производство работает без образования отходов;
• не требуется финишная обработка изделия, что сокращает производственные расходы;
• готовые детали не содержат сварных соединений;
• на выходе с этапа формования поверхность получается гладкой, без дефектов, и дополнительная полировка не требуется.

Читайте также!

Показатели производительности труда: виды и методы расчета

Подробнее

Слабые стороны:

• длительность производственного цикла, которая компенсируется плюсами технологии;
• извлечение готового изделия из оснастки требует ручного труда и аккуратности.

Если сопоставить слабые и сильные стороны метода ротационного формования, становится ясно: это один из высокопроизводительных способов выпуска пластиковых изделий. По объемам мирового рынка формованной продукции данная технология занимает четвертую позицию. Впереди нее только: литье под давлением, выдувное формование и экструзия.

Часто задаваемые вопросы о ротационном формовании

От каких параметров зависит качество готовой продукции?

Влияние на результат оказывают: скорость вращения формы, продолжительность нахождения в зоне нагрева, а также интенсивность и равномерность охлаждения.

Как регулируется толщина стенок изделия?

Основной способ – изменение объема сырья, загружаемого в формы для ротационного формования. Технология позволяет изготавливать изделия с толщиной стенок до 20 мм.

Какие металлы используют при изготовлении форм для ротоформования?

Как правило, формы для ротационного формования производят из алюминия или стали. Алюминиевые конструкции быстрее передают тепло, что положительно влияет на равномерность нагрева, однако требуют увеличенной толщины стенок из-за меньшей прочности. Стальные формы более устойчивы к износу и часто оказываются экономически выгоднее.

Развитие технологии ротационного формования продолжается, и отрасль постепенно расширяется. Основным ограничением остается зависимость от доступности сырья и его качества. Если появятся стабильные отечественные материалы, рынок может существенно вырасти, а число предприятий, работающих с ротационным формованием пластика, заметно увеличится.

Источник изображения в шапке: usertrmk / magnific.com