технологи>статьи>«Полимерные материалы» №11-12 2001г «Анион»
 

 

:: о нас
:: портфолио
:: технология
:: продукция
:: услуги
:: контакты


описание -
статьи -
литература -

 

«Ротационное формование изделий из полимерных материалов»

Введение

Ротационное формование занимает важное место среди основных методов переработки полимерных материалов (ПМ). Таблица 1. Причем в последнее десятилетие получен ряд значительных технологических преимуществ данного метода формования бурно развивается промышленность ротационного формования, появляется высокопроизводительное оборудование, новые коммерческие марки и композиции полимерных материалов для ротационного формования, открываются новые важные сферы рынка.

Таблица 1

Сравнение возможностей выдувного, ротационного и термоформования
Характерные показатели Выдувное формование Термо-формование Ротационное формование
Диапазон объема типичных изделий, cм3 10-10^6 5-5x10^6 10-10^8
Пригодные ПМ Выбор ограничен Общирный выбор Выбор ограничен
Вид сырья Гранулы Листы Порошок/Жидкость
Усиливающие волокна Да Да Да, очень сложно
Материалы для форм Сталь/Алюминий Алюминий Сталь/Алюминий
Стоимость форм Высокаяа Средняя Средняя
Давление в форме <1.0 МПа <0.3 МПа <0.1 МПа
Разброс по толщине стенки изделия 10-20% 10-20% 10-20%
Однородность по толщине стенки издели Тенденция к неоднородности Тенденция к неоднородности Однородность возможна
Ориентация материала в изделии Высокая Очень высокая Нет
Остаточные напряжения в изделии Средние Высокие Низкие
Время цикла Короткое Короткое Длительное
Напряженность труда Нет Средняя Высокая
Возможность заформовки деталей Выполнимо Нет Да
Возможность заформовки графических изображений Да Возможно Да

Процесс ротационного формования.

Процесс ротационного формования относительно прост, что позволяет активно воздействовать на него и добиваться получения высококачественных изделий конкурентно способных по ценам и потребительским свойствам (Табл. 2)

Таблица 2

Типичные примеры использования изделий, полученных ротационным формованием
Танки (Емкости)
Емкости для канализаций (септики, септик-танки)
Танки для нефтепродуктов
Емкости для воды
Емкости для химикатов
Топливные баки
Емкости и танки для транспортировки веществ
Транспорт
Дверные ручки
Дорожные ограждения и знаки
Барьеры для ограждения зоны работ
Корпусные детали для аудио техники
Багажники
Палеты
Пнели инструментов
Системы труб
Подкрылки
Коляски для инвалидов
Тележки для супермаркетов
Контейнеры
Контейнеры для транспортировки и многократного использования
IBC-контейнеры
Барабаны, бочки
Контейнеры для авиа перевозок
Контейнеры-термосы
Контейнеры для деревьев
Игрушки и досуг
Домашние игрушки
Мячи
Мебель
Санки
Игрушки для плавания
Игровые площадки и комплексы
Головы и туловища кукол
Бассейны
Материалы для дома
Поддоны
Емкости для мусора
Емкости для рыбы
Упаковки
Морская промышленность
Поплавки для причалов
Облицовка бассейнов
Ограждения для доков<
Прогулочные суда, лодки
Каяки, байдрки, катамараны
Спасательные пояса, круги
Медицина
Кислородные маски
Носилки
Ящики для медицинских образцов
Зубоврачебные кресла
Промышелнные изделия
Установки для отчистки воды
Корпуса машин
Установки рециклизации
Строительство
Мусоропроводы Колодцы
Городское хозяйство
Туалетные кабины
Урны
Платформы для фонарей
Сельское хозяйство
Кормушки и поилки Домики для животных
Разное
Крышки для люков
Ящики для инструментов
Оборудование для садов


Процесс можно разбить на четыре этапа

1.Загрузка определенного количества полимерного материала в форму.
Чаще всего используется порошкообразный полимерный материал Ротационная форма представляет собой полую раковинообразную конструкцию, состоящую из двух половин, реже используются формы состоящие из 3-х и более частей.

2.Формование изделия.
Форму закрывают и помешают в камеру нагрева. В которой производится нагрев и бносевое вращение формы. При вращении полимер подплавляется и налипает на стенки формы. Вращение формы в тепловом поле производят со скоростью от 4 до 20 об/мин. Это значительно ниже, чем при центробежном формовании полимеров. Формование заканчивают, когда весь полимер расплавится и налипнет на стенки формы. Процесс ротационного формования происходит при атмосферном давлении, причем при вращении формы масса материала не оказывает существенное давление на ее стенку, поэтому ротационные формы могут иметь очень тонкие стенки, и они относительно дешевы. Простые формы могут быть изготовлены в течение нескольких дней. Чаще всего литьевые формы изготавливают из стали или алюминия. Из металлов предпочтение отдается металлам с высокой теплопроводностью. Алюминиевые формы используют для изготовления сложных изделий. Изготовление формы производится литьем алюминия по мастер модели с последующей доработкой. Алюминиевое литье применяют также, когда необходимо изготовить несколько идентичных форм. Дня изготовления небольших изделий используют формы, изготовленные гальванопластикой или металлизацией в вакууме. Формы а процессе эксплуатации подвергаются большим термонапряжениям поскольку температура при проведении процесса многократно изменяется от комнатной до 300°С. Объем получаемого изделий на оборудовании ротационного формования определяется объемом камеры нагрева. Ротационным формованием возможно получение очень крупных и объемных изделий. Изделия получаемые ротационным формованием практически не напряженные и в них отсутствует ориентация полимера. Обогрев вращающейся формы в камере нагрева производят с помощью электрических ТЭНов или сжигания природного газа. Электрический обогрев более безопасен, но более дорогой. Одним из преимуществ ротационного формования является возможность варьирования толщиной стенки изделий простым изменением количества загружаемого материала в форму. Ротационным формованием можно получать изделия с толщиной стенки до 20 мм.

3.Охлаждение формы с изделием.
Форму охлаждают потоком холодного воздуха или распыленной водой. При этом форма продолжает вращаться для обеспечения равномерности затвердевания полимера по объему изделия. Когда полимер окончательно затвердеет, вращение прекращают.

4.Извлечение изделия из формы.
Форму раскрывают и готовое изделие извлекают из формы. Ротационное формование относится к безотходным процессам. При помощи специальных технологических приемов и приемов при конструировании ротационных форм можно достичь 100% выхода изделий из исходного сырья. Бракованные изделия возможно утилизировать, а полученные полимерные материалы использовать для изготовления новых изделий.

Оборудование для ротационного формования.

Формы крепятся на так называемой «руке». «Рука» производит вращение формы и перемещает ее последовательно из зон загрузки/выгрузки изделия в камеру нагрева и охлаждения. В простых машинах камера нагрева и охлаждения совмещены и используется одна «рука». Для увеличения производительности, если позволяет объем камеры нагрева/охлаждения, на «руке» можно укрепить несколько одинаковых или разных форм. Чаще всего используются машины карусельного типа с тремя или четырьмя «руками». Это позволяет увеличить производительность, сэкономить расход тепла и получать несколько разных изделий одновременно. Каждая «рука» находится в определенной зоне технологического цикла. Затем производится одновременное перемещение «рук» в последующую зону получения изделий. В данном случае все изделия на разных «руках» получают по единой технологической программе. Причем время нахождения «руки» в определенной зоне определяется временем формирования самого трудоемкого изделия. В настоящее время разработаны машины с независимыми «руками», позволяющими вести формование каждого из изделий по собственной программе.

Преимущества и недостатки ротационного формования.

Преимущества ротационного формования можно проиллюстрировать примерами исполнения и применения готовых изделий. Изделия, получаемые ротационным формованием, находят широкое применение практически во всех сферах рынка.Таблица 2. Ротационным формованием можно получать многослойные изделия, каждый слой из которых выполнен из разных полимерных материалов; изделия с двойной стенкой; вспененные изделия. При ротационном формовании возможно заформовывать в изделия различные детали и высококачественные графические изображения. В отличие от методов выдувного или термоформования, методом ротационного формование можно получать изделия очень сложной формы с равнотолщинными стенками. Это достигается путем изменения соотношение скоростей вращения литьевой формы по осям вращения. Как показано на диаграмме 1 , ротационное формование относится к высокопроизводительным процессам, уступая по производительности лишь литью под давлением, выдувному и экструзионному формованию. Причем, в ряде случаев экономически целесообразно использование ротационного формования для получения партий изделий, насчитывающих всего нескольких штук.

диграма 1.

Таким образом, преимуществами процесса ротационного формования являются:
  • простота процесса
  • высокая производительность
  • относительно невысокая стоимость литьевых форм и оборудования
  • возможность быстрого изготовления и ремонта литьевых форм
  • безотходность производства
  • возможность получения изделий без внутренних напряжений и без ориентации полимера
  • возможность изготовления монолитных изделий сложной формы
  • возможность изготовления крупногабаритных изделий
  • возможность многослойного формования и изготовления вспененных изделий и изделий с двойной стенкой
  • возможность заформовывания металлических деталей и высококачественных графических изображений
  • возможность изготовления одного и того же изделия с различной толщиной стенки без модификации литьевой формы
  • возможность одновременного изготовления разных изделий
К недостаткам метода ротационного формования можно отнести:
  • длительное время получения изделий
  • стоимость исходных полимерных материалов относительно высока (необходимость размола, дополнительные требования по упаковке и др.)
  • сложности в формировании ребер жесткости изделия
  • одним из недостатков процесса ротационного формования является ограничения по выбору полимерных материалов

Полимерный материалы для ротационного формования.

При ротационном формовании чаще всего применяются порошкообразные полимерные материалы. Возможно применение гранул или жидких веществ. Доминирующую роль среди материалов для ротационного формования играет полиэтилен (ПЭ). По данным ARM (Международной ассоциации ротационного формования) на долю полиэтиленовых изделий приходится от 85 до 95% рынка. Применяется ПЭ низкого, среднего, высокого давления, пространственно сшиваемый ПЭ. Наибольшее количество изделий выпускается из линейного полиэтилена низкого давления. На доля других полимеров приходиться от 5 до 15% рынка. Среди этих полимерных материалов лидирующую роль занимают ПВХ-пластизоли (рис.3)

рис.3

. Для ротационного формования разработаны специальные марки полиамида, поликарбоната, полипропилена. Ротационным формованием возможно изготовление изделий из термореактивных полимерных материалов, таких как полиуретаны, эпоксидные композиции и т.д. Лидерства ПЭ среди ПМ для ротационного формования объясняется следующими факторами: -высокая термостабильность данного полимера по сравнению со многими полимерами. Время формования изделия часто составляет 30-40 мин при температуре в камере нагрева 300 С. -хорошая перерабатываемость ПЭ гранул в порошок. Для измельчения ПЭ используют специально разработанные мельницы. -относительно низкая стоимость ПЭ. -комплекс функциональных свойств, обеспечивающих конкурентоспособность изделий на потребительском рынке. В России не производится полиэтиленового сырья, пригодного для ротационного формования, конкурентоспособность по ценам и качеству. Эта одна из основных причин тормозящих развитие процесса ротационного формования в России. Для модификации свойств полимеров и готовых изделий широко используются различные добавки. Это, в первую очередь, термо и светостабилизаторы, пигменты. Применяются антистатические добавки, пламегасители, вспенивающие агенты. Возможно применение наполнителей и стекловолокна.

Фирмы производители.

Большое количество фирм, разбросанных в различных уголках мира, занимаются ротационным формованием. Это объясняется тем, что выгодно размещать оборудование как можно ближе к рынкам потребления. В данном случае минимизируются затраты на транспортные расходы по доставке объемных крупногабаритных изделий до потребителя. Наибольшее количество фирм занимающихся ротационным формованием расположено в Северной Америке (США), по данным ARM, на 1996 г более 400 фирм занималось выпуском изделий ротационным формованием. В Европе - 255 фирм (рис.4 и рис.5). Лидирующее место в странах Европы занимает Великобритания (33% рынка) и Франция (16% рынка). В странах Азии наиболее развито ротационное формование в Индии и Японии (данные по Китаю отсутствуют). В Индии в 1996 г насчитывалось 40 фирм и 130 единиц оборудования, в Японии соответственно 11 и 115 (рис.6).

рис.4

рис.5

рис.6

Распределение групп товаров ротационного формования на рынках США и Европы.

Неравномерность распределение фирм производителей, оборудования по разным странам и континентам отложило свой отпечаток и на распределение выпускаемых групп товаров в данных регионах (рис.7) . В США распределение товаров по группам очень неравномерно. 42% товаров выпускаемых ротационным формованием приходится на игрушки, 20% на баки и емкости. В Европе сформировался более равномерный рынок. Большую часть рынка Европы -27% составляют изделия для сельского хозяйства и пищевой промышленности, 17%-изделия промышленного назначения; 15%- изделия для автомобилей. Если рассматривать более детально рынок Европы по конкретным товарам, то на нем доминируют изделия для подземного использования и трубы. Баки, емкости, емкости для канализации на втором месте. Очень много выпускается игрушек, игровых комплексов и изделий для сельского хозяйства и ферм. Немаловажную роль составляет рынок деталей для автомобилей, баков для накопления воды, нефтепродуктов, химикалий, контейнеров для мусора. Россия находится только на стадии формирования рынка, возможности ротационного формования, потребительские свойства изделий получаемых ротационным формованием малоизвестны.

рис.7.


Заключение.

Ротационное формование является универсальным способом переработки полимерных материалов, позволяющим производить высококачественную конкурентоспособную товарную продукция для различных сфер применения. Промышленность ротационного формования находиться в стадии роста. Россия находится только на стадии формирования рынка, возможности ротационного формования, потребительские свойства изделий получаемых ротационным формованием малоизвестны. Отсутствие отечественной сырьевой базы является одной из основных причин тормозящих развитие процесса ротационного формования в России.

Используемая литература:


1.Glenn L.Beall ”An Introduction to Rotational Molding Seminar ”. Sponsored by the Association of Rotational Molders 2000 Spring Road Suite 511, Oak Brook, IL 60521
2.Erich Boersch “Rotational Molding Around the World”. “Rotation”,1996, v.5, spec.i.,p.56-58.
3. R.J. Crawtford & Susan Gibson “ Rotational Molding. The Basics for Disigners”. “Rotation”,2000, v.9, i.4, p.36-45.
4. Erich Boersch, Rota Consult “Rotational Molding: An Industry of Innovation and Growing Influence”. “Rotation”, 2000, v.9, i.5, p.38-44.
5.”Arm Material Usage Survey”. “Rotation”,2001,v.10, i.2, p.73-76.
6. John Webster “Borealis Sees Rotomoulding Industry Growth in Europe”. “Rotation”,2000, v.9, i.5, p.30-31.
7.”A World of… Applications”. Association of Rotational Molders

Примечание
Данная статья была написана в конце 2001 года. В настоящее время ситуация на рынке несколько изменилась в лучшую сторону. На фоне поднимающейся строительной индустрии, машиностроения, химической и пищевой промышленности наблюдается вытеснение металлических изделий более дешевыми и экономичными в эксплуатации - пластмассовыми. В России появились несколько новых компаний, которые начали производить, или готовятся к производству изделий методом ротационного формования. Появились фирмы, занимающиеся разработкой отечественного сырья для ротационного формования


«Полимерные материалы» №11-12 2001г «Анион»
полный текст статьи в формате .doc