Från bägare till badkar

Från bägare till badkar VARMFORMNING I nästa nummer: Limning Varmformning eller thermoforming, har ett brett till lämpnings område från till verkning av engångs bägare 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. DE VANLIGASTE MATERIALEN som varmformas är amorfa plaster, som är termoelastiska i breda temperaturintervall över glastemperaturen; T g. Delkristallina plaster är besvärligare att hantera men går att forma i ett smalt svårkontrollerat om råde kring smälttemperaturen; T m. 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. EN AMORF PLAST ÄR STYV 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 (T g ) börjar de intermolekylära krafterna försvagas successivt och makromolekylerna börjar glida förbi varandra. Materialets styrka avtar drastiskt vid T g och brottförlängningen gör ett skutt uppåt mot ett område där termoplasten är termo elastisk 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 T f är ett lämpligt intervall för varmformning av amorfa plaster. Höjs temperaturen ytterligare elimineras praktiskt taget de intermolekylära kraft erna och plasten blir flytande. Eftersom smältningen sker successivt kan inte T f anges med ett exakt tal. Ökar plastforum 2 2006 65

Grundprinciper (fortsättning) temperaturen ytterligare bryts plastmolekylerna ned och materialet förstörs vid T s, 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. DELKRISTALLINA PLASTER 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 T g blir amorfa områden vanligen glasartade och spröda och materialet är odugligt som plast. PE-HD är således odugligt som plast under T g = 110 C och PP (homopolymer) blir sprött kring 0 C. (Nylon är undantag och användbart under ett T g, som infaller vid 50 C). Över T g 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 T m och En amorf plasts förändring med temperaturen. minskningen är drastisk i ett mycket snävt intervall kring T m. Inom detta snäva intervall finner vi förutsättningarna för varmformning, det vill säga materialet är termoelastiskt (styrkan avtar snabbt och brottförlängningen ökar). Den kristallina smältpunkten, T m, är visserligen exakt men har sin motsvarighet i det amorfa materialets ungefärliga T f. Varmformningen av en delkristallin plast sker således i ett snävt område kring T m. Det är därför lättare att kontrollera varmformning av amorfa än delkristallina plaster. En delkristallin plasts förändring med temperaturen. LÄTTFORMADE AMORFA TERMOPLASTER 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 sampolymerisation 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 T g. Formens temperatur bör ligga under denna temperatur men ändå vara så hög att den ger produkten god måttriktighet. DELKRISTALLINA PLASTER 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 uppvärmnings metoder 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: uppvärm ning, formning och avkylning. Uppvärmningen sker genom konvektion, kontakt uppvärmning eller infravärme. Skivor upp hettas vanligen på båda sidorna medan tunna folier ofta upphettas på en sida. Konvektionsuppvärmning med forcerad luftströmning tillämpas på mycket tjocka skivor. Uppvärmningen är oberoende av objektets yta men uppvärmnings tiden är proportionell mot skivans tjocklek. Plastens ringa värmeledningsförmåga gör att mitten av skivan blir varm först efter en tid. OM EN SKIVA ÄR KALL I MITTEN och dessutom är kall nära spännramen är den svår att forma på en gång eftersom det uppstår restspänningar i den dragna produkten. 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 66 plastforum 2 2006

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. Negativ formning med vakuum. Godstjockleken vid formning mot honform. I DET ÖGONBLICK 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. Försträckningen 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. Positiv formning med vakuum (vacuum-assist drape forming). A. positiv formning med förblåsning och försträckningmed hanform (plugg). B. Positiv formning med vakuum mot hanform 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 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. UPPVÄRMNINGEN ÄR I HÖG GRAD beroende på materialtyp och många andra faktorer. 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

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). FÖR DETALJER 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 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. DUBBELFORMNING (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 Friblåsning och tryckformning i sluten form Dubbelformning (Twin-sheet formning) 68 plastforum 2 2006

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. 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. Schematisk beskrivning av formning, fyllning och försegling FILM SOM ANVÄNDS 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. Skinn- och blisterförpackningar Andra typer av förpackningsmaterial, som varmformas är skinn- och blisterförpackningar. De består av en varmformad plastfilm, som fästs vid en papp skiva 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 maskinkom ponenter 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 upp hettade 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 blister förpackningar 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 skarp aste 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

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 mind re 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. I FORMVERKTYGET 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 före dra 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 mind re än skivans tjocklek.