Рекомендации по термоформованию акрилового стекла
Процесс термоформования осуществляется в три этапа: нагрев, формование, охлаждение. При нагреве до определенной температуры (130 – 160° С) материал размягчается и становится резиноподобным. Температура необходимого нагрева зависит от типа акрилового стекла. Затем с помощью соответствующих приспособлений листовому материалу может быть придана различная форма, а после охлаждения он снова приобретает первоначальную жесткость, сохранив при этом заданную при обработке новую форму. Если форма изготовленной и литого акрилового стекла детали не отвечает требованиям и отличается от желаемой, деталь можно снова нагреть для коррекции формы или для повторного формования, т. к. путем простого нагрева материалу может быть возвращена исходная форма. Однако такая процедура невозможна, если в качестве заготовки используется лист экструзионного акрилового стекла.
Защитную полиэтиленовую пленку перед нагревом и термоформованием необходимо удалить, в противном случае ее удаление после нагрева/формования будет существенно затруднено. Еще одной опасностью является то, что разрывы и отслоение защитной пленки могут быть воспроизведены на поверхности сформованной детали.
Предварительная горячая сушка экструзионного (EX) ПММА
Акриловое стекло EX во всех случаях без исключения необходимо подвергать горячей сушке для удаления влаги. Это обусловлено свойством материала впитывать влагу из окружающей среды. Сушка осуществляется в конвекционной камере (с принудительной циркуляцией воздуха) при температуре 75 – 80 °С. Продолжительность процесса составляет 1 – 2 часа на миллиметр толщины листа.
Нагревание
Нагрев в конвекционной камере
Это единственно приемлемый способ нагрева деталей, которые должны обладать высочайшими оптическими качествами или имеют толщину более 5 мм. Этот способ позволяет регулировать температуру нагрева и дает возможность поддерживать листы из литого (GS) акрилового стекла при нужной температуре до процесса формования. В отличие от этого при работе с листами ПММА EX следует избегать их длительной выдержки при высокой температуре.
Нагрев с помощью инфракрасного излучения
Такой способ нагрева имеет следующие преимущества:
• низкое термическое сопротивление и, благодаря этому, быстрое достижение рабочих параметров;
• высокая производительность при нагреве (в среднем 1 мин. на 1 мм толщины) листов толщиной до 5 мм;
• программируемое управление процессом с помощью подвижной пластины;
• умеренные затраты на монтаж нагревательных установок для небольших и средних по размеру поверхностей.
Недостатки способа:
• трудно контролировать температуру;
• нагрев только одного листа (в случае простого, не секционного оборудования);
• листы толщиной 5 мм и более необходимо нагревать в два этапа с переворачиванием листа (или использовать нагрев одновременно с двух сторон)
Инфракрасная нагревательная печь
Керамический излучатель Инфракрасный излучатель
Продолжительность нагрева
Продолжительность и температура нагрева различаются в зависимости от типа используемого акрилового стекла (литого GS или экструзионного EX) и способа нагрева.
Ориентировочные условия нагрева листов
| GS | EX |
| Температура нагрева |
| Минимальная температура (°С) | 130 | 140 |
| Максимальная температура (°С) | 200 | 190 |
| Рекомендуемая температура (°С) | 165-190 | 160-175 |
| Продолжительность нагрева |
| Конвекционная печь (мин./мм) | 3-4 | 2,5-3 |
| Одностороннее инфракрасное облучение (сек./мм) при интенсивности 2,2 Вт/см² | 42-52 | 38-45 |
| Двустороннее инфракрасное облучение (сек./мм) при интенсивности 3,5 Вт/см² | 24-32 | 22-27 |
Различия в поведении при нагреве
При первом нагреве листов из акрилового стекла происходит их усадка, которую необходимо учитывать при выборе размера заготовки, особенно если изготавливаемая деталь должна иметь точные размеры. В случае литого материала эта усадка составляет макс. 2 % в обоих направлениях (вдоль и поперек листа). Усадка экструзионного стекла в зависимости от толщины листа может составлять 6 % в направлении экструзии и 1 % в перпендикулярном направлении.
Благодаря этим зависящим от природы материала особенностям при нагревании листов из стекла GS температура листа в различных его точках может отличаться на 10 – 15 °С, причем эти различия не будут сказываться на качестве обрабатываемого материала.
Этого нельзя сказать об акриловом стекле EX, которое требует крайне равномерного нагрева. Разница температуры в разных точках более 5° может вызвать порождение значительных внутренних напряжений. В том случае, когда лист не закреплен, на этой стадии нагрева различия в усадке в продольном и поперечном направлениях приводят к возникновению деформаций.
В нагревательной печи горизонтального расположения экструзионное стекло легко приклеивается к металлическим поверхностям, поэтому опорные поверхности следует защищать тефлоновыми или силиконовыми покрытиями, которые наносятся на специализированных предприятиях.
Произведенные методом экструзии листы склонны к провисанию, вытяжке в осевом направлении, а в некоторых случаях – к разрушению. Поэтому листы EX не рекомендуется нагревать в печах вертикального расположения.
Формование
Продолжительность формования
Продолжительность формования различна и зависит от природы материала, условий нагрева и сложности формуемой детали. Решающее значение для высокого качества готового изделия имеет промежуток времени между извлечением горячего листа из нагревательной печи и окончанием процесса формования. На приведенных ниже диаграммах указана максимальная продолжительность формования акриловых листов в зависимости от температуры. На этих диаграммах указаны также зоны, в которых формование материала опасно или вообще невозможно. При формовании в этих условиях в материале, в местах максимальных напряжений, возникающих в результате неподходящих условий нагрева, образуются микротрещины. Для доказательства этого в лабораторных условиях образцы, вырезанные из подвергшихся наибольшему растяжению зон, погружают на 15 мин. в 95%-ный этанол. В том случае, если в материале имеются аномальные внутренние напряжения, образцы разрушаются.
Зоны формования стекла GS толщиной 3 мм
Зоны формования стекла EX толщиной 3 мм
Различия в поведении при формовании
Даже при нагреве до 170 °С для термоформования литого стекла необходимо приложить значительные усилия. Однако величину прилагаемого усилия нужно увеличивать постепенно, т. к. внезапная нагрузка может привести к разрушению материала.
В отличие от этого к экструзионному стеклу достаточно приложить небольшое усилие для достижения значительной деформации. Поэтому его целесообразно применять для изготовления изделий сложной формы, с острыми кромками или большим уклоном.
Формовочные инструменты
Используемые при термоформовании матрицы и фасонные пуансоны (если таковые необходимы для проведения процесса) могут быть изготовлены из самых разных материалов – дерева, гипса, алюминия, стали, полиэфирных, эпоксидных (армированных или наполненных) и многокомпонентных синтетических смол с алюминиевой или кварцевой добавками.
Для предупреждения возникновения внутренних напряжений в процессе термоформования рекомендуется матрицы и крепежные рамы нагревать примерно до 70 °С (при обработке стекла GS) и до 60 °С (при обработке стекла EX).
Простое формование поверхностей растяжения
Листы акрилового стекла в зависимости от степени их вытяжки следует вырезать с учетом ожидаемой усадки (для GS – 2 % во всех направлениях, для EX - до 6 % в осевом направлении, 1 % - в поперечном). Нагретый лист просто укладывается на форму и для предотвращения образования царапин удерживается на ней с помощью полос замши или искусственной кожи.
Охлаждение следует осуществлять постепенно, защищая материал от воздействия сквозняков и потоков воздуха другого происхождения.
Термоформование поверхностей без растяжения
В случае изделий, по форме близких к сферическим (шаровые своды, детали овальной формы), можно использовать устройства, представляющие собой раму или диск с отверстием, которые закрепляются на вакуумируемой емкости. При этом выпуклая деталь никогда не контактирует со стенками вакуумформы, благодаря чему исключается опасность возникновения на поверхности изделия отпечатков формы. В комбинации с другими методами этот способ, как будет описано ниже, позволяет изготавливать детали со сложными контурами.
Схематическое изображение свободного втягивания
Свободное втягивание в емкость с выдавливанием снизу
Свободное раздувание
Для осуществления этого процесса используется чрезвычайно простое устройство, которое состоит из пластины с выпускным отверстием для подвода сжатого воздуха, защищенным диффузором, который препятствует непосредственному попаданию холодного воздуха на нагретый лист акрилового стекла. С помощью рамы или специальных зажимов формуемый лист прижимается к плите, благодаря чему обеспечивается воздухонепроницаемость устройства.
Устройство с диффузором для свободного раздувания
Определение толщины в зонах растяжения
На приведенном ниже рисунке показано схематическое изображение разреза. Вследствие растягивания материала толщина изготовленного купола в его вершине меньше толщины исходного листа.
Уменьшение толщины купола в его вершине после свободного раздувания
Толщина купола в его вершине тем меньше, чем больше растягивается лист исходного материала. Нижеприведенные кривые характеризуют взаимосвязь между уменьшением толщины и растяжением листов акрилового стекла GS и EX. Уменьшение толщины отложено на оси ординат в виде отношения «толщина готового изделия/толщина исходного материала». Степень деформации – на оси абсцисс в виде отношения «высота/диаметр». Приведенные кривые справедливы для куполов с прямоугольным основанием.
Растяжение акрилового стекла в процессе свободного втягивания или раздувания, характеризующееся зависимостью степени уменьшения толщины от степени деформации
Пример
Купол высотой h = 50 см и диаметром d = 125 см изготавливается из акрилового стекла толщиной 4 мм.
Отношение h/d = 50/125 = 0,40. Из графика находят отношение «толщина готового изделия/толщина исходного материала», равное для экструзионного стекла 0,42, для литого – 0,46. Отсюда толщина купола в его вершине равна 4 х 0,42 = 1,7 мм (для EX) и 4 х 0,46 = 1,85 мм (для GS).
Втягивание в форму
Для изготовления деталей этим способом используют вогнутые полые формы, внешняя сторона которых соответствует форме изготавливаемой детали. После нагрева лист плотно закрепляют по краям этой формы с помощью соответствующей рамы и фланца. В форме создается вакуум, и в результате лист принимает ее форму.
Формование под давлением в полую форму
Этот метод несколько более сложный по сравнению с втягиванием, потому что в нем используется более высокое давление. В связи с этим следует применять формы из особо прочных материалов – металла, высокоплавких или эпоксидных смол.
Имеющиеся в нижних точках таких форм выпускные отверстия используются для отвода воздуха. Для обеспечения герметичности и для предупреждения сдвига лист акрилового стекла должен быть сильно прижат к форме. Легкая смазка формы, например, парафином или высококачественным маслом, позволяет добиться равномерного распределения листа в результате растяжения и облегчает извлечение готового изделия из формы. Опасность появления различного рода поверхностных дефектов на изделии гораздо больше со стороны листа, контактирующей с формой, чем с другой его стороны, контактирующей со сжатым воздухом. В зависимости от конкретных условий и требуемого внешнего вида изделия формование под давлением осуществляется в негативную или позитивную, полую или монолитную формы.
Выбор того или другого из указанных типов форм зависит от качества и внешнего вида деталей, которые хотят получить. Для формования простых изделий предпочтительно применять полую форму, а для формования букв или выпуклых элементов вывесок – монолитную форму.
Формование листов в полой форме
Формование элементов с использованием монолитной формы
Формование с использованием механических приспособлений
Формование листовых материалов фасонным пуансоном
В этом методе фасонный пуансон, имеющий форму внутренней части изготавливаемого изделия, опускается на нагретый лист акрилового стекла, прикладывается небольшое давление и таким образом осуществляется формование.
Формование методом простой глубокой вытяжки
При необходимости для увеличения рельефности часть негативной формы может использоваться в качестве нижнего пуансона.
Формование методом глубокой вытяжки с использованием комбинации верхнего и нижнего пуансонов
Фасонный пуансон необязательно должен быть цельным и массивным. Для формования контуров изделия он может быть и полым. Формование остальной поверхности происходит за счет возникающего при охлаждении напряжения.
Формование методом глубокой вытяжки с помощью каркасного пуансона
Формование с использованием полой и монолитной форм
Недостаток этого способа заключается в том, что на изготовленных этим методом изделиях следы могут оставаться на обеих сторонах готового изделия. В связи с этим метод применяется крайне редко.
Комбинированные методы формования
Втягивание и вакуумное формование с использованием фасонного пуансона
Этот способ используется в основном для формования литого акрилового стекла, обладающего высокой эластичностью. В процессе формования вначале происходит втягивание листа в емкость (a – первая фаза). После этого пуансон опускается на уже деформированный лист (b – вторая фаза), отключается вакуум, и за счет эластичности лист пристает к пуансону (c – третья фаза).
Вакуумное формование с предварительной вытяжкой пуансоном
В некоторых случаях, когда степень вытяжки материала должна быть значительной, применяется метод, описанный выше, в обратном направлении действий, т. е. вакуумное формование с предварительной глубокой вытяжкой пуансоном. В начале процесса эластичный лист вытягивается пуансоном, имеющим приблизительную форму будущего изделия, до днища формы. Затем осуществляется окончательное формование с помощью вакуума. Изделие принимает контуры негативной вакуумной формы, прижимаясь к ее стенкам. Этот метод имеет важное преимущество. До отвода воздуха материал уже в некоторой степени вытянут, что обеспечивает равнотолщинность стенок изделия и исключает разрывы в момент вакуумформования.
Втягивание и раздувание
В этом методе одна и та же емкость используется сначала для создания вакуума, а затем давления. После достижения максимально возможной степени деформации под действием вакуума на затянутый в форму лист опускается пуансон. Затем с помощью сжатого воздуха создается давление, и лист, включая ранее втянутую его часть, прижимается к пуансону по всей его поверхности. Этот способ применяется главным образом при формовании литого акрилового стекла, поскольку оно, как указывалось выше, обладает высокой эластичностью.
Охлаждение
Сформованная деталь должна охлаждаться до стабильности формы в зафиксированном состоянии, охлаждение до комнатной температуры должно осуществляться равномерно, чтобы напряжения охлаждения были минимальными и деталь не деформировалась.
Отжиг
В результате местного или полного нагревания и формования возникают внутренние напряжения, приводящие позднее к трещинообразованию и потере прочности. Эти внутренние напряжения существенно сокращаются посредством тепловой обработки при 60 – 80 °С. Время отжига в зависимости от толщины стенок детали составляет 1 – 3 часа.
Татьяна Дементьева
инженер-технолог
