吸塑成型工艺学

1吸塑成型工艺学第一章绪论真空吸塑成型工艺的起步与发展真空吸塑成型工艺，早在20世纪初已为人所知，但应用于工业生产还只是20世纪40年代以后的事，而在60年代才有较大的发展。近20年来，它已发展成为加工包装材料的最重要的方法之一。这种技术迅速发展的原因是真空吸塑成型工艺及设备的不断创新，以及具有成型性能的新片材的开发；同时也是由包装工业的发展及真空吸塑成型包装本身的特点所决定的。真空吸塑成型是塑料包装容器最常用的成型方法之一。它是一种以热塑性塑料片材为成型对象的二次成型技术。在国外，真空吸塑成型是一种老的成型工艺，由于不断的开发和变化，目前已高度自动化、机械化，并做到了无任何废边料产生，100%的原辅材料变成制品。全流水线生产的成型系统工程。真空吸塑成型在下列条件中存在差别：·加热成型材料至高弹态所需要的再成型温度·吸塑成型时通常用的成型模具·将制品冷却到其不发生尺寸变化的冷却温度·尺寸稳定后制件脱模在大多数情况下，吸塑成型的后处理也是必须的，比如：·修边·熔接·粘接·热封·涂层·金属喷镀·植绒·印刷真空吸塑成型如今已经成为加工领域内大家普遍接受的一个术语：“真空成型”（vacuumforming）。而“压力成型”（pressureforming）是指一些特殊的利用空气压力加工过程的工艺。“热成型”（Thermoforming）是各种热塑性成型（包含真空和压力，或混合成型）的总称。一、真空吸塑成型的优缺点判断任何一种加工生产工艺过程是否成功，要与另外一种加工方法相比，用该种方法生产的制品的成本是否合适；或者是这两种方法生产的制品成本相同，但用这种方法生产的制品质量得到改进。在许多应用方面，注射模塑成型或吹塑成型都与真空吸塑成型相竞争。2但就包装技术而言，除非是用纸板作为包装材料，否则真空吸塑成型技术是没有其他加工方法能与之相竞争的。真空吸塑成型主要的优点是它的工程经济性。成型复合片材、发泡片材和印刷片材的制品，以适当改变模具来代替变化真空吸塑成型机械。壁很薄的制品可以用高熔体黏度的片材真空吸塑成型，而注射相同壁厚的则需要低熔体黏度的粒料。对于少量的塑件，有利的模具成本是真空吸塑成型的又一优点，而对大批量的制件，制品能达到非常薄的壁厚及真空吸塑成型机器的高产出比则非常有利。真空吸塑成型可生产的最小制件是药片的包装材料或手表用的电池，也可以生产非常大的制品，比如3～5m长的花园水池。成型材料的厚度可以从0.05～15mm，对于发泡材料，厚度可达到60mm。任何一种热塑性塑料或具有相似性能的材料都可以进行真空吸塑成型加工。真空吸塑成型所用的材料是厚度为0.05～15mm的片材，这些片材是用粒料或粉料制得的半成品。因此，与注射成型相比，真空吸塑成型的原料会增加额外的成本。在真空吸塑成型时需要对片材进行切割，这将会产生边角料。将这些边角料粉碎后，与原来的材料相混，可再一次制成片材。在真空吸塑成型中，片材只有一个表面与真空吸塑成型模具相接触，因此只有一个表面与真空吸塑成型模具几何尺寸相一致，制品另外一个表面的轮廓是由牵伸得到的。在塑料加工领域，真空吸塑成型被认为是一种具有很大发展潜力的加工方法。它采用模塑成型，适合塑料包装各领域。真空吸塑成型也是一种需要熟练操作与经验的加工方法。如今，通过模拟过程与必要的专业技术，真空吸塑成型已经发展成为在技术上可控的，并且可重复的一种加工方法。近年来，在真空吸塑成型过程中产生的边角料的循环利用已日趋重要。如今，边角料通过破碎后与原生材料混合来进行回收利用已经形成了一种工艺。废弃的塑料模塑制品，比如说包装材料，甚至工程制件，它们的回收利用在很多条件下都是可能的，但有些仍有待发展。目前可进行的回收主要是一些化学材料和能源材料。要使循环利用得到突破，必须在加工过程的生态性和节约性上下功夫。真空吸塑成型制品具有价格低廉、生产效率高、形状及色彩选配自由、耐腐蚀、重量轻和对电的绝缘性能等优点，在文具、玩具、日常用品、五金交电、电子产品、食品、化妆品等产品的包装，现已发展到广告牌、汽车、工业配件、建材、安全帽、洗衣机和冰柜内衬、周转箱及农业用品等产品的应用。3二、真空吸塑成型存在自身的局限性·真空吸塑成型只能生产结构简单的半壳型制品，而且制品壁厚应比较均匀（一般倒角处稍薄），不能制得壁厚相差悬殊的塑料制品。·真空吸塑成型制品深度受到一定限制。一般情况下容器的深度直径比（H/D）不超过1。·制件的成型精度较差，相对误差一般在1%以上。采用真空吸塑成型法不仅很难得到不同制件间构型或尺寸的一致性，同一制件各部位壁厚的均匀性也很难保证，另外，真空吸塑成型过程中模具的某些细节并不能完全反映到制品中。第二章真空吸塑成型基本原理和术语本章将就真空吸塑成型的基本原理和相关术语进行介绍，对往后了解成型特性有着重要关系。一、真空吸塑成型原理真空吸塑成型工艺（图2-1）是一种热成型加工方法。利用热塑性塑料片材，制造开口壳体制品的一种方法。将塑料片材裁成一定尺寸加热软化，借助片材两面的气压差或机械压力，使其变形后覆贴在特定的模具轮廓面上，经过冷却定型，并切边修整。真空吸塑成型这种成型方法是依靠真空力使片材拉伸变形。真空力容易实现、掌握与控制，因此简单真空成型是出现最早，也是目前应用最广的一种热成型方法。图2-1基本原理示意图4二、无模成型真空无模成型过程如图2-2所示，将片材加热到所需温度后，置于夹持环上，用压环压紧，打开真空泵阀门抽真空，通过光电管控制真空阀调节真空度，直到片材达到所需的成型深度为止。由于自由真空成型法中制件不接触任何模具表面，制件表面光泽度高，不带任何瑕疵。如果塑料本自身是透明的，制件可以具有最小的光吸收率和透明性，故可用于制造飞机部件如仪器罩和天窗等。真空无模成型法在成型过程中只能改变制件的拉伸程度和外廓形状，因此不能成型外型复杂的制件。另外，成型过程中，随着拉伸程度的增大，最大变形区（即片材中心）的厚度不断减小，因此实际生产中拉伸比（H/D）一般应小于75%。在运用此法进行加工时，操作员必须有熟练的技巧，调节好真空度，以得到符合设计要求的轮廓和尺寸一致的产品。图2-2无模真空吸塑成型装置5图2-3无模真空吸塑成型壁厚分布表2-1不同模具所允许的拉伸比成型模单阳模单阴模用柱塞协助成型允许牵伸比0.511三、阳模（凸模）和阴模（凹模）成型对于真空吸塑成型，受热的材料仅有一面与成型工具相接触。这样，材料与模具相接的面就具有与成型模具完全相同表面轮廓。而成型制件的未接触面的轮廓和尺寸就只有取决于材料的厚度。根据成型材料与成型模具的接触面的不同，成型过程可分为阳模和阴模成型。1.真空吸塑阳模成型工艺过程如（图2-4）所示。本法对于制造壁厚和深度较大的制品比较有利。制品的主要特点是：与真空阴模成型法一样，模腔壁贴合的一面质量较高，结构上也比较鲜明细致。壁厚的最大部位在阳模的顶部，而最薄部位在阳模侧面与底面的交界区，该部位也是最后成型的部位，制品侧面常会出现牵伸和冷却的条纹，造成条纹的原因在于片材各部分贴合模面的时候有先后之分。先与模面接触的部分先被模具冷却，而在后继的相关过程中，其牵伸行为较未冷却的部位弱。这种条纹通常在接近模面顶部的侧面处最高。图2-4阳模成型62.真空吸塑阴模成型工艺过程如图（图2-5）所示。真空阴模成型法生产的制品与模腔壁贴合的一面质量较高，结构上也比较鲜明细致，壁厚的最大部位在模腔底部，最薄部位在模腔侧面与底面的交界处，而且随模腔深度的增大制品底部转角处的壁就变得更薄。因此真空阴模成型法不适于生产深度很大的制品。图2-5阴模成型对于阳模成型，制件的内尺寸是很精确的，因为它是与真空吸塑成型工具相接的一面。相反，对于阴模成型，制品的外尺寸是很精确的，因为其外部与真空吸塑成型模具相接触如（图2-6）。图2-6a阳模成型（简图）和b阴模成型（简图）1-厚部位；2-薄部位；3-成品的内尺寸；4-外尺寸对于阳模成型，制件的内尺寸是很精确的，因为它是与真空吸塑成型工具相接的一面。相反，对于阴模成型，制品的外尺寸是很精确的，因为其外7部与真空吸塑成型模具相接触如（图2-6）。图2-6a阳模成型（简图）和b阴模成型（简图）1-厚部位；2-薄部位；3-成品的内尺寸；4-外尺寸对于阳模制件我们必须注意如下问题：①在使用高的角式模具进行加工时，特别是当模具与夹持框架间的距离很大时，容易产生皱褶（图2-7)②在角落处容易产生冷却条纹（图2-7)；③在凸缘处壁厚不均匀（图2-7)；④由于侧壁斜度不够而使脱模困难；⑤在成型区（夹持模框）多腔模具的嵌件和下夹持器之间会产生小的缝隙；⑥阳模成型模具通常比阴模价格低廉。图2-7阳模制件中的缺陷及其典型特征（简图）1-冷却痕迹；2-皱褶；3-薄部位；4-厚部位对于阴模制件我们必须注意其（图2-8)：厚的边缘；均匀的边缘厚度；薄的角隅；单阴模有很好的脱模性；阴模模具通常比阳模价格高。但是，对于每一种情况之中的不利影响都可以通过采用适当的加工方法来降低。图2-8阴模制件的典型特征1-均匀的边缘；2-薄的角隅8四、机器基本装置1．夹紧设备塑料片材成型时，片材被固定在夹紧装置上。在真空吸塑成型的通用型机和复合型的热成型机上多采用便于固定各种尺寸片材的夹紧装置。有的是整个成型机配一套夹紧框架。夹紧装置可分为两类：一类是框架式，另一类是分瓣式。框架式夹紧装置由上、下两个框架组成。片材夹在两个框架之间。框架打开时，下框架一般保持固定状态。各种类型单工位成型机上框架的下部直接固定在成型室上。用手装型坯和成品取出的手动和半自动成型机上，当框架尺寸很大时，都装有在框架打开范围内的安全操作装置。对成型滑移性较大的型坯，要求夹紧力能在比较宽的范围内调节，为此，采用两个包胶辊，用弹簧相互压紧，并配有压力调节装置。连续拉片成型机的夹紧是两边拉链与前后闸的共同作用。夹紧装置最好采用自动控制，以期动作迅速，可有助于提高制件质量和效率。2．加热设备热塑性塑料片材和薄膜的真空吸塑成型过程，主要工序之一就是片材加热，让片材软化成可塑性的设备。电加热的持续时间和质量取决于加热器的结构，辐射表面后温度传热的热惯性，片材与加热器间的距离，辐射能吸收系数，加热器表面的特性以及材料的热物理性能。常用的加热器有电加热器、晶体辐射器和红外线加热器。3．真空设备真空系统由真空泵、储气罐、阀门、管路以及真空表等组成，在真空成型中常采用单独机型真空泵，此种泵的真空度应达到0.07~0.09Mpa（520mmHg）以上。储气罐一般是用薄钢板焊接的圆柱形箱体，底是椭圆形的。蓄气罐的容量至少应比最大成型室的容量大一半。真空管路上，必须装有适当的阀门，以控制真空窄容量。真空泵的转动功率由成型设备的大小和成型速度决定，较大或成型速度较快的设备常用大至2~4KW的。真空中央系统的大小视工厂具体生产和发展的要求而定。4．压缩空气设备气动系统可由成型机自身带有压缩机、储气罐、车间主管路集、阀门等组成。成型机需要压9力为0.6~0.7MPa的压缩空气,各种真空吸塑成型机广泛采用活塞式空气压缩机。也可以用大型的螺旋式空气压缩机整厂供给。压缩空气除大量应于成型外，还有当一部分用于脱模、初制品的外冷却和操纵模具框架和运转片材等机件动作的动力。5．冷却设备为了提高生产效率，真空吸塑成型制品脱模前常需进行冷却。理想的情况是制件与模具接触的内表面和外表面都冷却，而且最好采用内装冷却盘管的模具。对于非金属模具，如木材、石膏、玻璃纤维增强塑料、环氧树脂等模具，因无法用水冷，可改用风冷，并可另加水雾来冷却真空吸塑成型制件的外表面。生产中若采用自然冷却可以获得退火制件，有利于提高制件的耐冲击性。用水冷却虽然生产效率高，但制件内应力较大。6．脱模设备脱模是将制品移出模外，通常无论是凹模还是凸模，多数场合是由于制品冷却收缩而贴紧模具，所以通过真空吸引孔或向相反方向吹风使之脱模。尤其对于脱模斜度小的或有凹模的模具，同时使用脱模机构顶撞或震荡脱模。7．控制设备控制系统一般包括对真空吸塑成型成型、整饰等过程中包括仪器、仪表、管道、阀门各个参数和动作进行控制。控制方式有手动、