Ротационное и центробежное формование

Цель работы: сформировать и закрепить теоретические знания о технологиях ротационного и центробежного формований изделий из полимерных композиционных материалов.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

15.1. Ротационное формование

Этот метод формования позволяет получать полые изделия (бочки, контейнеры, лодки и др.) разнообразных форм и размеров из термопластичных смол, наполненных волокнами или дисперсными наполнителями. Процесс ротационного формования включает в себя три стадии (рис.).

Схема ротационного формования

На первой из них I в холодную форму, представляющую собой полую раковинообразную конструкцию, загружается определенное количество наполненного полимерного материала. Далее (стадия II) закрытую форму помещают в нагревательную камеру, где и происходит процесс формования. При этом с помощью соответствующих устройств форма приводится во вращение относительно двух осей. Вращение с относительно невысокой частотой (0,4 до 2 с^-1) приводит к распределению полимера с наполнителем по стенкам формы. Стадия III заключается в охлаждении формы с формованным изделием, которое может осуществляться с помощью холодного воздуха или водяного тумана; в тоже время форма продолжает вращаться для полного и равномерного затвердевания наполненного полимера по всей поверхности формы. После завершения охлаждения форма раскрывается, и готовое изделие извлекается из нее.

Процесс происходит при атмосферном давлении. Условия формования исключают значительные нагрузки на стенки оснастки, поэтому формы для ротационного формования могут иметь тонкие стенки и относительно дешевы. Объем формуемых изделий определяется размерами нагревательной камеры и может достигать несколько кубов. Для обогрева форм используется горячий воздух (электрические нагреватели) или сжигаемый природный газ.

К преимуществам ротационного формования перед другими методами получения полых изделий, относятся простота изготовления и дешевизна оснастки, возможность варьирования толщины стенки вплоть до 15-20 мм, очень низкий уровень остаточных напряжений в готовом изделии, возможность получения изделий сложной формы со стенками различной толщины, практически полное отсутствие отходов и, как следствие, экономичность, процесса.

Недостатками процесса ротационного формования являются длительность цикла формования, ограниченный выбор материалов, низкий уровень размерной точности готовых изделий.

Для переработки методом ротационного формования используются в основном несколько видов термопластов. Это, в первую очередь, полиэтилен. Его преимущества – высокая термостабильность, легкая перерабатываемость гранул в порошок, относительно низкая стоимость.

Среди остальных полимеров лидирующую роль занимают пластизоли на основе ПВХ (от 10 до 13 %). Для ротационного формования разработаны также специальные марки полиамидов, поликарбонатов, полипропилена, полистирола. Возможно изготовление этим методом изделий на основе термореактивных полимеров – полиуретанов, эпоксидных композиций и др. Для предотвращения окисления некоторых термопластов (например, полиамидов) в форму нагнетают инертный газ.

Формы для ротационного формования достаточно просты и изготовляются из стали или алюминия. Алюминиевые формы используют для изготовления сложных изделий. При эксплуатации формы подвергаются значительным термическим напряжениям из-за многократных циклов нагревания (до 300 °С) и охлаждения.

15.2. Центробежное формование

Центробежное формование (иногда центробежное литье) – метод изготовления изделий в виде тел вращения (цилиндров (труб), втулок, подшипников скольжения и т.п.). Этот метод, как правило, находит применение в тех случаях, когда размеры (габариты или толщина) изделий не позволяют изготовить их другими методами.

В отличие от ротационного формования процесс центробежного формования осуществляется при высоких частотах вращения нагревательной формы (до 150 с^-1), поэтому под действием центробежных сил материал заполняет форму, приобретая конфигурацию и размеры готового изделия. После охлаждения и остановки формы снимаются фланцы, и извлекается изделие из формы. Обычно внутренний слой изделия имеет более рыхлую структуру и подвергается механической обработки для получения необходимого внутреннего диаметра изделия. С учетом этого материал дозируют с запасом в 10-15 %.

Наибольшее распространение этот метод находит в получении толстостенных труб большого диаметра на основе полиамидов, полиэфиров и других термопластов с низкой вязкостью расплава. Из-за склонности этих полимеров к окислению полость формы заполняется инертным газом (CO₂, азот). В виду высокой скорости полимеризации длительность процесса формования практически не зависит от толщины стенок формуемого изделия.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое ротационное формование? Преимущества и недостатки.

2. Изделия, получаемые методом ротационного формования.

3. Стадии ротационного формования.

4. Отличие центробежного формования от ротационного.

5. Применение метода центробежного формования.

Практическое занятие № 16