Знакомство с методом вакуумной формовки

Создание некоторых современных приспособлений, которые каждый день повышают комфорт нашей жизни, стало возможным благодаря вакуумной формовке. Без этого универсального производственного процесса медицинские устройства для спасения жизни, упаковки для продуктов питания и автомобили могли бы выглядеть совсем иначе. 

Из этой статьи вы узнаете, как низкая стоимость и эффективность вакуумной формовки превращают ее в востребованный коммерческими производителями, независимыми специалистами и любителями самодельного творчества метод производства.

В этом руководстве вы найдете подробное введение в метод вакуумной формовки, в том числе:

• Обзор процесса вакуумной формовки.

• Создание форм для вакуумной формовки.

• Преимущества и недостатки вакуумной формовки

• Способы, которыми вакуумная формовка используется как в коммерческих целях, так и в других.

• Краткое целевое исследование по вакуумной формовке и 3D-печати.

Что такое вакуумная формовка?

Вакуумная формовка — это производственный метод изготовления изделий из пластика. Во время процесса вакуумной формовки листовой пластик нагревается, а затем за счет всасывания вытягивается вокруг формы, облегая ее поверхность.

Вакуумная формовка используется для решения широкого спектра производственных задач, начиная от небольших нестандартных деталей, изготавливаемых на настольных устройствах, до крупных деталей, изготавливаемых на автоматизированном промышленном оборудовании.

В чем различия между вакуумной формовкой, термоформованием и пневмоформованием?

Термоформование — это производственный процесс, при котором листовой пластик нагревается до высокоэластичного состояния, потом формуется с помощью формы и затем обрезается для получения конечной детали или изделия. Вакуумная формовка и пневмоформование — это две разновидности термоформования. Основное различие между пневмоформованием и вакуумной формовкой заключается в количестве используемых форм. 

Вакуумная формовка — самый простой тип термоформования пластиков, в котором для получения желаемой геометрии детали используется одна форма и применяется откачка воздуха. Она отлично подходит для изготовления изделий, которые должны иметь точно определенную форму только с одной стороны, например, для упаковок продуктов питания или электроники. 

Существует два основных типа форм: «папа» или позитивная (выпуклая) и «мама» или негативная, (вогнутая). При использовании выпуклых форм лист пластика помещается поверх формы, чтобы воспроизвести внутренние размеры пластиковой детали. В случае вогнутых форм лист термопластика помещается внутри формы с целью точного формирования внешних размеров детали.

При пневмоформовании (формовка давлением) помещенный между двумя формами нагретый лист пластика обрабатывается давлением (отсюда и название), а не вытягивается вокруг одной формы с помощью всасывания. Пневмоформование хорошо подходит для изготовления пластиковых деталей или компонентов, которые должны иметь определенную форму с обеих сторон и/или требуют большего вытягивания (должны вытягиваться глубже/дальше в форму), например корпусов приборов, которые должны выглядеть эстетично с внешней стороны и защелкиваться на место или входить в точный размер на внутренней стороне.

Процесс вакуумной формовки

Пошагово процесс вакуумной формовки выглядит следующим образом.

1. Фиксация: лист пластика помещается в зажимную раму и фиксируется на месте.

2. Нагрев: пластиковый лист размягчается с помощью источника тепла, пока не достигнет соответствующей температуры формования и не станет податливым.

3. Откачка воздуха: рама с нагретым, гибким листом пластика, опускается над формой и вытягивается откачкой воздуха с другой стороны формы. У негативных (или выпуклых) формах в местах изломов должны быть просверлены крошечные отверстия, чтобы воздух мог эффективно вытянуть термопластичный лист в соответствующую форму.

4. Охлаждение: после того, как пластик растекся вокруг/в форме, он должен остыть. При производстве крупных изделий для ускорения этого этапа производственного цикла иногда используются вентиляторы и/или холодный туман.

5. Извлечение: после охлаждения пластик извлекается из формы и снимается с рамы.

6. Окончательная обработка: готовая деталь должна быть очищена от излишков материала, а ее края могут быть обрезаны, отшлифованы или сглажены.

Вакуумная формовка является относительно быстрым процессом; этапы нагрева и откачки воздуха обычно занимают всего несколько минут. Однако в зависимости от размера и сложности изготавливаемых деталей, охлаждение, окончательная обработка и производство форм могут занимать значительно больше времени.

Преимущества и недостатки вакуумной формовки

Многие производители, проектировщики и другие специалисты делают выбор в пользу вакуумной формовки, потому что по сравнению с другими методами производства при относительно низкой стоимости она предлагает конструкционную гибкость. Среди преимуществ вакуумной формовки:

Доступная цена

В частности, для мелкосерийного производства (250–300 единиц в год) вакуумная формовка, как правило, является более экономичной, чем другие методы производства, например литье пластмасс под давлением. Доступная стоимость вакуумной формовки во многом обусловлена ​​более низкой стоимостью изготовления оснастки и прототипов. В зависимости от площади поверхности изготавливаемых деталей и размеров зажимной рамы' оснастка для литья под давлением может стоить в два—три раза больше, чем оснастки для термоформования пластиков или вакуумной формовки.

Время изготовления

Вакуумная формовка предлагает более быстрое время изготовления, чем другие традиционные методы производства, потому что оснастка может быть изготовлена быстрее. Изготовление оснастки для вакуумной формовки обычно занимает вдвое меньше времени, чем для литья под давлением. Если для создания форм используются 3D-принтеры время изготовления может уменьшиться еще больше. Так как вакуумная формовка повышает эффективность производственного процесса, предприятия имеют возможность быстрее доставлять новые модели изделий в руки потребителей. 

Гибкость

С помощью вакуумной формовки проектировщики и производители могут испытывать новые конструкции и создавать прототипы без больших накладных расходов или временных задержек. Формы могут изготавливаться из дерева, алюминия, конструкционного пенопласта или получаемого 3D-печатью пластика, поэтому по сравнению с другими производственными процессами их замена и/или модификация осуществляется относительно легко.

В конце 1970-х и начале 80-х годов Дик Тил использовал вакуумную формовку для испытания опытных образцов деталей для снегоходов John Deere, главным образом потому, что технология удешевляла изготовление оснастки. В книге «Снегоходы John Deere: проектирование, производство, конкуренция и эволюция, 1971–1983» (John Deere Snowmobiles: Development, Production, Competition and Evolution, 1971–1983) авторы объясняют, что «экономически беспроигрышное для всех сторон решение было получено благодаря недорогой себестоимости деталей и меньшими инвестициями в производство оснастки».

При использовании технологии вакуумной формовки проектировщики могут работать с широким диапазоном цветовых вариантов и выполнять модификации в соответствии с требованиями заказчика. Таким образом перед предприятиями открывается возможность предлагать единичные конструкции и производить изделия с индивидуальными параметрами, например, зубные ретейнеры, по доступной цене.

Производство стерильных и пищевых материалов

Часто вакуумную формовку производители используют для производства пищевых контейнеров и изделий для медицинской промышленности, поскольку она позволяет получать пластмассы, которые можно стерилизовать или поддерживать чистыми. Например, полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) часто используется для вакуумной формовки контейнеров для хранения пищевых продуктов.

Кроме того, благодаря стойкости ПЭВП к кислотным соединениям, он является подходящим материалом для вакуумной формовки контейнеров для чистящих средств. Вакуумная формовка пластмасс, предназначенных для производства медицинских изделий, используется для изготовления предметов, которые могут подвергаться стерилизации и соответствуют строгим медицинским и/или фармацевтическим нормативам.

Недостатки технологии вакуумной формовки

Хотя вакуумная формовка предлагает существенные преимущества, у нее есть и определенные ограничения. Метод вакуумной формовки может применяться только к деталям с относительно тонкими стенками и простой геометрией. При этом толщина стенок готовых деталей может быть неравномерной, а вогнутые детали, требующие глубокой вытяжки, с использованием вакуумной формовки изготовить трудно.

Кроме того, хотя вакуумная формовка часто является самым экономически выгодным вариантом для мелко- и среднесерийного производства, в случае крупносерийного производства другие метода производства пластмасс могут иметь большую экономическую эффективность.

Области применения вакуумной формовки

В реалиях современного общества трудно провести хотя бы один день, не столкнувшись с объектом, который был получен в результате вакуумной формовки. Этот производственный процесс используется для производства самых разнообразных деталей для самых разных отраслей, среди которых:

Автомобилестроение и транспорт

Вакуумная формовка используется для изготовления различных деталей автомобилей, автобусов, кораблей и самолетов. В автомобилестроении все — от ковриков до бамперов и даже до платформ грузовиков, изготавливается с использованием вакуумной формовки.

Посмотреть на работу крупнейшей в мире ротационной вакуум-формовочной машины.

Вакуумная формовка позволяет автомобильным компаниям производить детали различных цветов и с различными характеристиками, при этом проектировщики в в процессе разработки имеют возможность опробовать новые прототипы.

Промышленность

Вакуумная формовка также используется для производства ящиков промышленного назначения и контейнеров для машинного оборудования.

Посмотреть, как методом вакуумной формовки производятся акриловые вывески или световые люки

Вакуумная формовка отлично подходит для изготовления компонентов, которые в основном используются снаружи или тех, которые могут контактировать с источником тепла, потому что дает промышленным производителям возможность использовать различные огнестойкие и стойкие к УФ–излучению материалы. Например, вакуумной формовкой могут производиться огнеупорный поливинилхлорид (ПВХ, стандарт UL 94 V-0) и прозрачный для ультрафиолетового излучения акрил (ПММА).

Упаковка и стенды

Если вы покупаете товар, поставляемый в соответствующей его форме пластиковой упаковке, велика вероятность того, что упаковка была изготовлена ​​вакуумной формовкой. Бритвы, зубные щетки, электроника, средства для макияжа и чистящие средства часто поставляются в упаковке, полученной методом вакуумной формовки.

Лоток, изготовленный вакуумной формовкой. (источник)

Кроме того, маркетинговые стеллажи, маркетинговые стойки и торцевые стенды для товаров в продовольственных магазинах часто изготавливаются с использованием вакуумной формовки.

Пищевая упаковка

Вакуумная формовка часто используется для изготовления упаковок пищевых продуктов, потому что метод позволяет обрабатывать пластмассы, предназначенные для контакта с пищевыми продуктами, и получать изделия, которые легко дезинфицировать.

Эти красивые шоколадные конфеты были изготовлены в формах, полученной вакуумной формовкой, и лежат на прозрачной подложке, полученной вакуумной формовкой. Чтобы узнать, как создавать формы для шоколадных конфет с помощью технологии 3D-печати, прочитайте наше руководство.

Контейнеры для фруктов, пластиковые яичные коробки и подставки для крекеров часто изготавливаются вакуумной формовкой.

Потребительские товары

Спектр потребительских товаров, изготавливаемых с использованием вакуумной формовки, очень широк. В него входят такие изделия, как детские игрушки, товары для путешествий и предметы интерьера. 

В этом видео вы увидите, как методом вакуумной формовки изготавливается чемодан.

Медицина

Медицинские изделия и компоненты, которые должны быть стерильными или устойчивыми к загрязнениям, часто изготавливаются путем вакуумной формовки.

Эта полученная методом вакуумной формовки подложка обеспечивает безопасное хранение медицинских инструментов. (источник)

Сюда входит медицинская упаковка, фармацевтические ложементы для таблеток, элементы больничных кроватей, а также наружные части аппаратов МРТ и КТ.

Нестандартные изделия и спецэффекты

Вакуумная формовка используется в различных отраслях промышленности для создания нестандартных и единичных изделий, например, реквизита для специальных эффектов.

В этом видео Адам Савидж объясняет принципы вакуумной формовки и изготавливает специальную подставку.

Типы вакуум-формовочных машин

Вакуум-формовочные машины сильно различаются по размеру, стоимости, сложности и характеристикам. Это означает, что конструкторские бюро, любители и коммерческие производители всех уровней могут найти подходящую для себя модель. Ассортимент вакуум-формовочных машин варьируется от небольших настольных моделей, которые стоят несколько сотен долларов, до промышленных машин, которые стоят тысячи.

Вот некоторые примеры:

Промышленные вакуум-формовочные машины, такие как промышленные машины Ridat или Belovac, предназначены для коммерческого использования и производства крупных изделий.

Вакуумные формовочные машины среднего размера, такие как модельный ряд автономных машин Formech, отличаются наибольшей эксплуатационной гибкостью. Машины среднего размера производят мелкие и средние детали, не занимая столько места, сколько требуется более крупным промышленным машинам.

Настольные вакуум-формовочные машины, такие как Mayku FormBox, в которых для откачки воздуха используется стандартный пылесос, хорошо подходят для небольших предприятий и специалистов, работающих в домашних условиях.

Сделанные своими руками вакуум-формовочные машины также могут выполнять свою функцию, а процесс создания такой машины можно превратить в интересный обучающий проект для детей и подростков. 

При использовании вакуум-формовочной машины всегда следуйте инструкциям производителя, используйте средства защиты и запускайте машину только в хорошо проветриваемом помещении.

Материалы для вакуумной формовки

Для вакуумной формовки применяются самые разные термопластики. Среди наиболее часто используемых пластиков:

• Акрил (ПММА)

• Акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС)

• Поликарбонат (ПК)

• Полиэтилен (ПЭ)

• Полиэтилентерефталатгликоль (ПЭТГ)

• Полипропилен (ПП)

• Полистирол (ПС)

• Поливинилхлорид (ПВХ)

Как создать формы для термоформования

У проектировщиков и производителей есть несколько способов изготовления оснастки для вакуумной формовки. Одним из главным преимуществ вакуумной формовки как метода производства является гибкость, и каждый способ изготовления формы предлагает уникальные преимущества и имеет свои недостатки. Ниже приведены некоторые самые популярные способы.

Формы, полученные 3D-печатью

Для получения форм для вакуумной формовки многие предприятия обращаются к 3D-печати, потому что она предлагает быстрое время изготовления и низкую стоимость, особенно в случае мелкосерийного производства, нестандартных деталей и опытных образцов. 3D-печать также открывает не имеющие равных возможности при проектировании сложных форм.

Чтобы узнать больше об изготовлении форм с помощью 3D-печати, ознакомьтесь с нашим подробным руководством по созданию форм для вакуумной формовки с использованием технологии 3D-печатиили посмотрите вебинар.

Формы для вакуумной формовки из ваяльной глины

Если требуется быстрое получение прототипа, для создания формы для вакуумной формовки любители и проектировщики могут обращаться к ваяльной глине. Вместе с тем следует отметить что формы, изготовленные из ваяльной глины, вряд ли прослужат долго и сломаются после нескольких раз использования. Нагревание, которое является одним из этапов вакуумной формовки, приводит к тому, что глиняные формы быстро растрескиваются и разрушаются.

Кроме того, прежде чем использовать глиняные формы для вакуумной формовки, необходимо дать им достаточное время, чтобы высохнуть. Будь то обжиг или высыхание, вся вода должна полностью испариться из глины, чтобы она не препятствовала откачке воздуха и не повреждала оборудование для вакуумной формовки.

Формы для вакуумной формовки из дерева

Деревянные формы значительно долговечнее глиняных и выдерживают от нескольких сотен до нескольких тысяч применений. Деревянные формы для создания своей продукции используют независимые проектировщики и производственные компании. Использование более прочного дерева, такого как дуб, может еще больше увеличить срок службы деревянной формы. Дерево отлично подходит для изготовления форм с более толстыми стенками и минимальным количеством мелких деталей.

Недостатком формы этого типа является то, что в процессе вакуумной формовки она слегка расширяется и сжимается. В конечном итоге, это может привести к растрескиванию, раскалыванию или деформации деревянной формы. Тем не менее, дерево является отличным выбором для форм многих конструкций, а для изготовления форм из дерева требуется всего нескольких простых инструментов для деревообработки.

Литые алюминиевые формы

Алюминиевые формы стоят дороже, и их изготовление занимает больше времени (срок изготовления может составлять от двух недель до двух месяцев), чем изготовление других типов оснастки. Из-за этого литейные или механически обработанные алюминиевые формы редко используются для мелкосерийного производства или прототипирования, но часто используются для крупносерийного производства. Промышленные вакуум-формовочные машины часто включают в себя алюминиевую оснастку, так как считается, что у этих форм один из самых длинных сроков службы среди всех других форм для вакуумной формовки.

Формы из конструкционного пенопласта

Формы из конструкционного пенопласта могут выступать экономически выгодной альтернативой литым алюминиевым формам, так как они предлагают сопоставимую долговечность. Кроме того, конструкционная пена имеет меньший вес, чем литой алюминий, что также может быть значимым преимуществом на некоторых производственных линиях.

Целевое исследование: инновации с использованием вакуумной формовки и 3D-печати

Ashford Orthodontics, крупнейшая специализированная ортодонтическая лаборатория в Великобритании, внедряет инновации в производство стоматологических изделий, используя сочетание 3D-печати и вакуумной формовки. Используя оба этих метода производства, лаборатория сократила общее время изготовления изделий по сравнению с конкурентами, что, в свою очередь, позволило врачам повысить качество обслуживания пациентов.

Благодаря четко организованному круглосуточному производственному циклу, Ashford Orthodontics может доставлять ретейнеры и другие изделия врачам-заказчикам всего через 48 часов после получения цифровых сканов. Когда лаборатория получает новый заказ, ее специалисты изучают цифровые сканы, проектируют движения челюсти в программном обеспечении САПР для стоматологии, а затем отправляют конструкцию на ночную печать на один из 3D-принтеров лаборатории. На следующий день отпечатанная модель зубов пациентов используется в качестве формы для вакуумной формовки прозрачных ретейнеров или элайнеров.

Техник Ashford Orthodontics использует вакуум-формовочную машину для изготовления прозрачного элайнера.

Техник Ashford Orthodontics использует вакуум-формовочную машину для изготовления прозрачного элайнера.

Несмотря на то, что вакуумная формовка является одним из самых широко используемых методов изготовления изделий из пластиков, существует множество других технологий. 

В нашем руководстве по методам производства изделий из пластмасс, рассказывающем о различных технологиях, среди которых 3D-печать, литье под давлением, литье полимеров, выдувное формование, экструзия и другие, вы сможете узнать о других распространенных технологиях производства изделий из пластмасс и их плюсах и минусах в сравнении с вакуумной формовкой.

Руководство по методам производства изделий из пластмасс