Технология
Крупногабаритные полые изделия из пластика изготавливаются методом ротационного формования с использованием металлических форм. Измельченный пластик, находящийся внутри них, под действием высокой температуры камеры нагревания плавится, налипая на стенки формы, которая непрерывно вращается в двух плоскостях. В результате пластмасса равномерно распределяется по внутренней поверхности формы, образуя везде слой равной толщины и качества. Технология ротационного формования достаточно проста, к тому же на конечный результат можно оказывать влияние различными методами, что позволяет изготавливать продукцию с различными свойствами и по доступным ценам.
Всем знакомый полиэтилен в новом качестве
Метод ротационного формования использует в качестве исходного
сырья порошкообразные полимерные материалы. Иногда применяются
гранулы или жидкие вещества. Самым распространенным и максимально
используемым материалом в таком виде технологии производства емкостей
большого объема является полиэтилен. Это подтверждается данными
Международной ассоциации ротационного формования (ARM), которые
показывают, что 85–95% всех изделий, произведенных этим методом,
выполняются из ПЭ. Для изготовления используют линейные ПЭ, которые
могут быть низкого, среднего и высокого уровня плотности, кроме того,
существует пространственно сшиваемый ПЭ. Наиболее активно используется
марка линейного ПЭ средней плотности.
Другие полимеры занимают оставшиеся 5–15% наполняемости рынка.
В качестве сырья для формования используются полипропилен,
поликарбонат и ПВХ-пластизоли. В один ряд с ними попадают
специально разработанные марки полиамида. Кроме них для ротационного
формования можно использовать термореактивные полимеры, такие как
полиуретан или эпоксидная композиция и др.
Полиэтилен занимает ведущие позиции, благодаря своим характеристикам:
низкая стоимость сырья;
простота переработки из гранул в порошок;
высокая термостабильность, позволяющая производить формование изделий при температуре 270 градусов в течение значительного промежутка времени – от 15 до 40 минут;
возможность модификации свойств материала с помощью различных добавок, влияющих на конечный результат – качество изделий. Это термо- и светостабилизаторы, пигменты, антистатики, антиперены, вспенивающие агенты, наполнители, такие как стекловолокно.
Проблема развития производства габаритных пластиковых изделий состоит в том, что Россия не производит свое сырье для этого вида промышленности.
Изделия формуются изнутри
Технология ротационного формования предусматривает работу при обычном давлении, с достаточно легкими материалами, которые не создают значительных нагрузок на стенки используемой формы. В свою очередь, это позволяет делать их достаточно тонкостенными, а значит, легкими и дешевыми. Одно из главных требований к материалу для формы – высокая теплопроводность, а также способность сохранять свои свойства при многократном нагревании и охлаждении. Комплексом нужных характеристик из современных материалов обладают металлы. Именно они и используются для изготовления ротационных форм. Стальные или алюминиевые, они изготавливаются методом литья, гальванопластики или металлизации в вакууме. Сложные формы делаются из алюминия по мастер-модели с последующей доработкой. Для нескольких простых небольших изделий делается общая форма. Размеры готовых изделий зависят только от габаритов нагревательной камеры, поэтому ротационное формование позволяет производить продукцию очень больших объемов.
Готовая к работе форма закрепляется в приспособление, которое называют «рукой». С ее помощью производится вращение формы сразу в двух плоскостях, что обеспечивает равномерное ее нагревание и распределение полимера внутри нее. Кроме того, с помощью «руки» производится перемещение формы из камеры нагрева и охлаждения в зону загрузки сырья и выгрузки готового изделия. Простые формовочные машины оборудованы одной «рукой». Если позволяют мощности, на ней можно закрепить несколько небольших форм, изготавливая сразу несколько видов продукции. Наиболее распространенным является карусельный тип машин, который позволяет использовать сразу нескольких «рук». Они по очереди проходят все стадии изготовления изделий, по кругу меняя свое расположение в разных технологических зонах, подчиняясь единой программе процесса. Время, которое каждая «рука» находится в своей зоне, определяется по самому трудоемкому объекту формовки. На сегодняшний момент уже разработаны формовочные машины с независимыми циклами нескольких «рук», управляемые отдельными программами.
Четыре этапа формования изделия
Процесс ротационного формования изделий из полимерных материалов технологически несложен и может быть разделен на четыре этапа.
Загрузка порошкообразным полимером составной раковинообразной формы, выполненной из двух или более (для изделий сложной конфигурации) частей. От количества материала будет зависеть толщина стенок готового изделия и, следовательно, его прочность.
Процесс формования изделия начинается после помещения наполненной формы в камеру нагревания, где она подвергается воздействию высокой температуры при непрерывном вращении в двух плоскостях. Полимер начинает плавиться и налипать на стенки формы, образуя равномерное покрытие их изнутри слоем одинаковой толщины на любом участке. Низкая скорость вращения (от 4 до 20 оборотов в минуту) является основной характеристикой этого метода. Он позволяет получать изделия, в стенках которых практически отсутствуют напряжения и ориентация полимера. Нагревание формы производится электрическими элементами или природным газом. Более безопасное применение электроэнергии оборачивается большими затратами по сравнению с газовым вариантом. Применяя ротационное формование, можно получать изделия с толщиной стенки до 20 мм, причем она варьируется простым изменением количества загружаемого в форму сырья.
Охлаждение формы производится без остановки вращения. Для этого используется поток холодного воздуха или распыляемая вода. Вращение прекращается только после полного затвердевания полимера, что позволяет достигнуть равномерности толщины стенок изделия.
После остановки формы ее перемещают в зону выгрузки и там, раскрыв ее, извлекают готовое изделие. В случае возникновения брака технология ротационного формования позволяет осуществлять безотходное производство. Весь отбракованный материал измельчается и снова используется. Этим достигается 100% выход готовых изделий из исходных материалов.
Плюсы и минусы технологии
Минусами этой технологии можно назвать:
- значительную длительность технологического процесса;
- небольшой выбор материалов, используемых в формовании;
- достаточно высокую стоимость материалов, используемых в ротационном формовании (дополнительные операции по подготовке материала, особые условия упаковки и др.).
Все остальные характеристики и особенности процесса можно считать
преимуществами данной технологии.
Изделия, изготавливаемые во вращающихся формах, находят спрос в самых
различных сферах. Ротационное формование позволяет изготавливать
многослойные изделия из разных видов полимеров, обладающих различными
качествами. Возможно производство изделий с двойными стенками или
вспененных. Ротационное формование позволяет фиксировать в толще
стенок изделия различные детали и графические изображения высокого
качества. Этот метод дает возможность получать изделия очень сложной
конфигурации, при этом толщина стенок везде останется одинаковой,
чего невозможно достичь термоформованием или выдувным методом.
Регулируя разницу скоростей по осям вращения, можно добиваться
необычных эффектов, невозможных при использовании всех других
технологий. Уровень производительности ротационного формования
уступает лишь таким видам производства, как литье под давлением,
выдувное и экструзионное формование. При этом для получения единичных
партий изделий эта технология экономически более целесообразна.
Приоритетность ротационного формования перед другими технологиями
заключается в следующем:
- простоте процесса, безотходности производства и его высокой производительности;
- сравнительно низкой стоимости оборудования и форм для литья, которые быстро изготавливаются и ремонтируются;
- получении крупногабаритных монолитных изделий сложной формы, не имеющих внутренних напряжений и характеризующихся отсутствием ориентации полимера;
- возможности многослойного, вспененного и двустенного формования, заформовывания металлических деталей и изображений, а также одновременного изготовления разных моделей;
- возможности варьировать толщину стенок изделия без модификации формы для литья.
География ротационного формования
Технология ротационного формования прижилась в очень многих странах мира.
В США производств, работающих по этой методике, насчитывалось,
по данным ARM, более 400 еще в 1996 году, а в Европе –
255 фирм производили крупногабаритные изделия. Такая плотность
производственных мощностей объясняется минимизацией затрат на поставку
габаритных товаров покупателю.
В Европе лидером по производству объемных изделий является Великобритания.
Треть мирового рынка наполняют ее заводы. В два раза ей уступает Франция.
Азия предлагает продукцию производства Индии и Японии, где в 1996
году было по 40 и 11 фирм и 130 и 115 единиц оборудования для
ротационного формования соответственно.
Распределение видов продукции по группам в разных странах разное.
В США максимальное производство (42%) приходится на игрушки, пятая часть
– за баками и емкостями. В Европе рынок более равномерный:
27% отданы изделиям, используемым в сельском хозяйстве и пищевой промышленности;
17% - промышленное назначение изделий;
15% - автомобильная промышленность.
В целом максимальный спрос на изделия для подземной эксплуатации и трубы.
За ними по востребованности стоят баки и емкости, а также емкости для
канализационных систем.
Большой спрос на игрушки и игровые комплексы, изделия для ферм и сельского
хозяйства. Значительная доля продукции приходится на детали для автомобилей.
Кроме того, есть нужда в накопительных баках для воды, нефтепродуктов
и химических веществ, контейнерах для мусора. В России технология
ротационного формования только набирает свои обороты, формируя рынок
и сеть производителей.
Развитие рынка формования
Россия еще мало знакома с технологией, позволяющей производить качественную конкурентоспособную продукцию путем переработки полимеров. Изделия, получаемые методом ротационного формования, постепенно и уверенно входят во многие сферы народного хозяйства. Сегодня формируется рынок нового вида товаров, делаются попытки решения проблемы сырьевой базы, которая отсутствует на сегодняшний день.