Формование оргстекла

Горячее формование является важнейшим видом переработки акриловых смол, исходным материалом при этом служат главным образом листовые заготовки. Основное преимущество этого способа – возможность получения крупногабаритных изделий с применением простых и дешевых форм. Операция термического формования состоит из трех этапов: нагрев, формовка и охлаждение. При нагреве до соответствующей температуры оргстекло размягчается до пластичного состояния, при этом можно придать материалу самые различные формы при помощи специальных инструментов. После охлаждения материал вновь приобретает первоначальную жесткость, сохраняя приданную ему форму. При несоответствии детали желаемой форме, ее можно вновь нагреть с целью корректировки только в случае, если ОС получено блочным методом (высокомолекулярное) в отличие от экструзионного ОС.

1. Предварительная, горячая сушка

При хранении стекло поглощает влагу из окружающей среды. Это может привести к образованию дефектов ОС во время тепловой обработки. Поэтому необходимо предварительно просушить листы, с которых снята маскирующая пленка, в конвекционной сушильной камере при Т - 80 ° С в течение 1-2 часов на каждый мм толщины. Как правило, при большом содержании влаги достаточно 24 часа.

Очень перспективным и высокопроизводительным является нагрев при помощи инфракрасного излучения, при котором используются инфракрасные элементы мощностью от 250 до 450 вт, находящиеся на расстоянии 150- 250 мм от поверхности стекла. Время и продолжительность нагрева зависят от способа нагрева.

При обработке деталей с повышенными оптическими характеристиками для нагрева применяется сушильная печь с циркуляцией горячего воздуха. Данный метод позволяет производить регулировку нагрева и поддерживать необходимую температуру нагрева на всей поверхности. Разница температуры превышающая 5 ° С может привести к возникновению значительных напряжений изделия из ЭОС.

В ходе первого нагрева листов экструзионного стекла происходит их усадка, которую необходимо учитывать при определении размеров заготовок. Усадка ЭС достигает от 3 до 6% в зависимости от толщины материала в направлении экструзии и от 1 до 3% - в поперечном направлении, поэтому при нагревании может произойти деформация листа, если он не был закреплен на опоре. Усадка блочного «литого» ОС равномерна и по длине и по ширине заготовки. Нагрев должен производиться равномерно, так как перепад температур по плоскости и толщине листа не должен превышать ±3 ° С может привести к возникновению значительных напряжений. При перегреве листов в горизонтальном положении возможно прилипание материала к металлическим поверхностям. Во избежание этого, плоскости опор должны быть защищены фторопластовым покрытием или тефлоновой сеткой.

Продолжительность и температура нагрева варьируют в зависимости от вида продукции, термических условий и сложности формуемой детали. Для того, чтобы установить зоны, «опасные» для формования, необходимо в лабораторных условиях получить отформованные образцы и наиболее растянутые поверхности, их погрузить в этанол на 10 минут. Если в материале присутствует анормальное внутреннее напряжение, в образцах образуются трещины, образцы могут разрушаться. Для блочного оргстекла характерна максимальная усадка в 2%, одинаково распространяющаяся во все стороны и более широкий температурный интервал переработки.

2. Температура пластического формообразования

Средние значения температур формообразования для экструзионного стекла в зависимости от нагревательного устройства, типа материала и толщины располагаются между 140° С и 170° С . При выборе температуры всегда нужно находиться в интервале 140-180° С и взвешивать преимущества и недостатки, которые влекут за собой различные температурные диапазоны. Наиболее оптимальными являются следующие температуры формования:

• Экструзионное стекло: 150-160°C
• Литое стекло: 160-175°C

При низких температурах материал обладает относительно высоким формовочным напряжением, что привносит с собой высокую тенденцию к возврату в исходное положение и листы могут лопнуть. При этом почти не ухудшается хорошее качество поверхности полупродукта. При высоких температурах, наоборот, тенденция к возврату незначительна, однако, существует опасность ухудшения поверхности полупродукта.

3. Условия пластического формообразования

Выбор таких условий термоформования, как скорость формования, степень термоформования (степень вытягивания) и формовочных усилий зависит от наружной формы полупродукта, а также от тех свойств, которыми должно обладать формованное изделие после термоформования.

Скорость формования позволяет судить о том, с какой скоростью можно вытягивать или растягивать материал в высокоэластичном состоянии. При излишне высокой скорости формования существует опасность растрескивания обрабатываемой детали вследствие превышения предела прочности. Кроме того, это может привести к разнотолщинности. С другой стороны, нужно избегать слишком малых скоростей термоформования, чтобы предотвратить охлаждение в процессе работы, излишнее энергопотребление или растрескивание материала.

Скорость формования зависит от материала, от толщины материала и от способа термоформования. Так, экструзионное органическое стекло можно формовать при более высокой скорости, чем блочное органическое стекло.

Степень термоформования позволяет судить о формоизменении, происходящем при термоформовании полупродукта. При обычном способе формовки такое изменение влечет за собой увеличение плошади поверхности при соответствующем уменьшении толщины материала. Степень термоформования определяется как соотношение средних значений толщины материала до и после формования или исходя из увеличения площади поверхности.

При термоформовании следует учитывать, что степень термоформования у всего готового изделия должна оставаться по возможности одинаковой, и таким образом должна быть обеспечена равномерная толщина.

Формовочные усилия зависят от:

• степени термоформования,
• температуры формования,
• формуемого материала (экструзионное или блочное органическое стекло ).

Для изготовления технологической оснастки (матриц, пуансонов), обычно используют древесину, гипс, стеклопластики, стали, алюминий и др. материалы. С целью наиболее эффективного уменьшения напряжений, возникающих в процессе формования, рекомендуется проводить нагрев матриц, крепежных рамок, пуансонов при температуре 70-80 ° С.

Нагретый лист во избежание поверхностных повреждений и сохранения оптических свойств деталей помещается на форму и удерживается на ее поверхности с помощью замши, байки. Процесс формования заканчивают медленным охлаждением отформованной детали.

4. Способы пластического формообразования

Существует несколько способов пластического формообразования. Выбор соответствующего способа зависит от:

• формы и размера обрабатываемой детали,
• нужного распределения по толщине стенок,
• числа деталей,
• типа применяемого материала,
• требований к конечному продукту относительно внешнего вида, выдерживания заданных размеров, чёткости контуров и т.д.
• от имеющихся в распоряжении установок штампов и вспомогательных средств.

4.1 Свободное втягивание

С целью получения деталей сферической и яйцеобразной форм применяют метод горячей штамповки с растягиванием, помещая лист - заготовку в вакуум – камеру и закрепляя края листа на рамке с помощью диска. В этом случае не возникает соприкосновения или трения с выгнутой частью, благодаря чему можно получить довольно сложные формы.

4.2. Свободное  вдувание и втягивание в форму

Конструкцией технологической оснастки предусмотрен зажим нагретой заготовки между двумя дисками, один из которых герметично соединен с пневмо - или вакуум-камерой, а второй является формообразующим. Отформованная деталь остывает под давлением (разрежением) до 40-50 ° С. При таком формовании обычно происходит вытяжка материала, сопровождаемая уменьшением толщины в вершине купола изделия, однако это не ухудшает физико – механических свойств материала, что подтверждено практикой.

4.3. Вдувание под давлением в вогнутую форму

При работе под давлением необходимо выбирать очень прочные формы (металл, твердая древесина и др.). При пневмоформовании избыточное давлении создается междустеклом и прижимным диском формовочной оснастки. Вентиляционные каналы обеспечивают отток воздуха, регулируя давление формования. Таким образом, получают детали сложной конфигурации, рельефной формы (например, буквы).

4.4. Втягивание с помощью пуансона

Пуансон, имеющий форму внутренней поверхности детали, опускается на разогретый лист и деформирует его при небольшом давлении. Возможно также изготовление изделий путем натяжения нагретого листа стекла на пуансон. Нагретая заготовка зажимается по всему контуру в рамки, соответствующие форме пуансона, после чего оно натягивается на пуансон до полного его облегания. Рекомендуется для равномерного растягивания применять контактные смазки формы (парафин, смазки на силиконовой основе).

4.5. Сгибание

Процесс заключается в местном нагреве листа толщиной до 6 мм по оси изгиба при помощи одного или нескольких прямолинейных нагревательных элементов.

Например: нагревательный элемент может состоять из никелевой/хромовой нити, удерживаемой в натянутом состоянии при помощи пружины или противовеса при низком напряжении (24 или 48 вольт).

Во избежание возникновения напряжения в зоне сгибания необходимо соблюдать ряд мер предосторожности:

• производить интенсивный нагрев исключительно в зоне сгибания;
• использовать исключительно соответствующие станины для нагрева: наилучший вариант предоставляют станины с регулируемым разводом, позволяющие контролировать ширину зоны нагрева
• зона вне участка нагрева должна быть доведена до температуры порядка 70 ° С во избежание возникновения напряжений, связанных с разницей температур
• чем толще стекло, тем больше должна быть нагреваемая зона. В случае сгибания под прямым углом, ширина указанной зоны должна превышать толщину материала примерно в 5 раз
• довести материал до температуры порядка 130-150 ° С, при которой сгибание можно производить при наименьшей нагрузке . В большинстве случаев при сгибании материала толщиной до 5 мм достаточно одного прибора с нагревающейся нитью и двух водных рубашек. При увеличении толщины материала необходимо использовать 2 прибора, симметрично расположенных с обеих сторон листа
• производить сгибание, избегая интенсивного нагрева материала в частности, используя шаблоны из древесины
• произвести естественное охлаждение материала в форме.

Кроме рекомендуемых методов изготовления изделий из экструзионного стекла возможно получение их комбинированными методами (например, выдувание – втягивание - прессование).

5. Меры предосторожности при работе с экструзионным стеклом

Во избежание возникновения значительных остаточных напряжений в зоне формования стекла необходимо соблюдать меры предосторожности:

• производить интенсивный нагрев только в зоне сгибания
• использовать оборудование для нагрева с регулируемой и контролируемой зоной нагрева. Зона вне участка сгибания стекла должна быть нагрета до температуры 70 ° С
• нанести V – образную канавку при получении острых углов при сгибании материалов большой толщины
• чем толще стекло, тем больше должна быть нагреваемая зона
• материал должен иметь температуру, при которой сгибание может производиться при наименьшей нагрузке (120-140 ° С)
• Произвести естественное охлаждение материала в его форме.
• Перед контактом с растворителями или использованием в условиях повышенной нагрузки необходимо провести термическую обработку для уменьшения остаточных напряжений (горячую сушку или отжиг).

6. Охлаждение

Меры предосторожности при охлаждении:

• для наилучшего сохранения образовавшейся, полученной формы и во избежание деформации изделия необходимо оставить его на матрице до его охлаждения до температуры 70 ° С.
• охлаждение должно быть как можно более продолжительным и однородным во избежание возникновения внутреннего напряжения
• отформованные детали должны быть подвергнуты термическому кондиционированию с целью снижения напряжений перед их взаимодействием с растворителями, краской, липкой лентой
• следует избегать перегрева и переохлаждения изделия и формы, большой скорости растяжения, повышения давления воздуха, соприкосновения формуемого материала с формой перед формованием при высокой температуре.

7. Отжиг

При локальном нагревании могут возникнуть внутренние напряжения, которые при последующем применении приводят к образованию так называемых трещин вследствие этих напряжений. Поэтому такие внутренние напряжения существенным образом снимаются в результате термообработки при 60-80°С. Время отжига в зависимости от толщины стенок (от 2 до 6 часов при толщинах от 2 до 20 мм). После отжига произвести естественное охлаждение изделий в термошкафу во избежание возникновения напряжений.

8. Стыкование

При стыковании две или несколько обрабатываемых деталей соединяют друг с другом. Такие полупродукты, как пластины, блоки, стержни и трубы могут состыковываться разнообразными способами. При этом различают два типа соединений:

• неразъёмные соединения
• разъёмные соединения

К неразъёмным способам соединения относятся склеивание, сварка и клёпка, а разъёмные способы соединения - это клеммовое скрепление и резьбовое соединение. То, какой способ соединения следует применять в каждом конкретном случае, зависит от соответствующего характера предъявляемых требований.

<< Назад