التشكيل الحراري للبلاستيك وماكينة الفاكيوم
تعتبر عمليات التشكيل الحراري لألواح البلاستيك واحدة من العمليات الرئيسية في صناعة البلاستيك
كما أنها واحدة من اقدم العمليات في هذه الصناعة ومع بداية القرن العشرين جرت محاولات مبدئية في تشكيل الرقائق السليلوزية ثم تطورات العملية بسرعة في سنوات قليلة نتيجة الاختراعات المتوالية في مكائن التشغيل والتطورات التي أدخلت على خواص المواد المستخدمة بغرض تحسين خواصها مما يساعد على سهولة تشكيلها مما أوجد لدينا الآن نوعيات مختلفة من الرقائق اللدنة ذات الأشكال المتباينة.
وأساس عملية التشكيل الحراري هو تسخين رقائق البلاستيك لتصبح في حالة قابلة للطي ثم دفعها حول حدود القالب ( molds ) باستخدام الضغط إما بتيار هوائي أو الضغط الميكانيكي لإحداث الدفع مع الاستعانة بالتسخين والحني (اللي أو الثني.( وهناك ثلاثة أنواع رئيسية لعمليات التشكيل الحراري مع بعض الاختلافات العديدة بين كلا منها وهي: 1) التشكيل المطابق للقالب ( molds ). 2) التشكيل بالتفريغ. 3) التشكيل بالضغط.
وتخضع كثير من رقائق البلاستيك لعمليات التشكيل الحراري ويعتمد اختيار المادة المستخدمة بحسب الخواص المطلوبة في المنتج كالوضوح ، مقاومة التآكل ، المتانة ، المرونة ، اللون .. الخ. وبناء على ما سبق يتم اختيار طريقة التشكيل المناسبة للمادة والمنتج المطلوب
1-التشكيل المطابق للقالب ( molds ) : matched mold forming تعطي طريقة التشكيل الحراري المطابق للقالب ( molds ) matched-die moulding وتسمى كذلك بالقولبة في قالب ( molds ) متوائم لرقائق البلاستيك نتائج دقيقة وصحيحة وذلك باستخدام نصفي قالب ( molds ) يقفلان جيدا مع بعضهما وتوضع المادة الثرموبلاستيكية في أحد النصفين بعد تسخينها إلى درجة الليونة ثم تشكل بضغط ميكانيكي يؤثر بين نصفي القالب ( molds ) ، ولما كان نصفي القالب ( molds ) يلامسان سطحي رقيقة البلاستيك اللينة الموضوعة بينهما لذا يجب أن يكونا مصقولين جيدا حتى يكون المنتج أملس السطح. وتصنع القوالب ( molds ) عادة من الألومنيوم أو الصلب وتثبت على مكبس مائي أو غازي
, وتسخن رقائق البلاستيك ثم توضع بين نصفي القالب ( molds ) ويغلق المكبس ، ويستخدم التبريد المائي في تبريد القالب ( molds ) والتحكم في درجة حرارته. وهذه الطريقة مناسبة للحصول على منتجات ذات أبعاد ممتازة وتفاصيل دقيقة.
2-التشكيل بالتفريغ : vacuum forming من اسهل طرق التشكيل الحراري طريقة التشكيل بالتفريغ وتشمل تسخين رقائق البلاستيك داخل إطار محدود حتى نقطة الليونة لتصبح مرنة فيوضع تحتها مباشرة القالب ( molds ) وبتأثير ضغط بسيط ينساب البلاستيك على الحافة العلوية للقالب ( molds ) ثم بتفريغ الهواء خلال ثقوب صغيرة في تجاويف القالب ( molds ) فان الضغط الجوي العادي يدفع الرقائق اللينة على حدود جدران القالب ( molds ) وبالتبريد يتصلب الناتج ثم يزال القالب ( molds ) بعد أن اخذ الراتنج شكل جدرانه الداخلية. عملية التشكيل forming process تطورت عملية التشكيل بالتفريغ لإعطاء منتج ذو سمك جداري منتظم وحواف محددة خاصة في حالات منتجات السحب ( extrusion ) العميق. طريقة تشكيل القضمة الارتجاعية snap-back forming ومن الوسائل المتطورة في هذا المجال استخدام طريقة التشكيل بالتفريغ
، وفي هذه الطريقة يتم تفريغ المنطقة اسفل الصفيحة المنصهرة من الراتنج وفي نفس الوقت يقوم نصف القالب ( molds ) الذكر بالضغط عليها من أعلى إلى اسفل ، وعند وقف التفريغ تأخذ الصفيحة المنصهرة شكل حواف القالب ( molds ) الذكر ، وهذه الطريقة تتميز باستخدام حجم صغير من الصفيحة البلاستيكية المطلوبة تشكيلها وتساعد على توزيع اللدينة المنصهرة كما تقلل من علامات الفقفقة على المنتج النهائي
. طريقة التشكيل بالثني : drape forming ويستخدم فيها قالب ( molds ) ذكر وإطار قمط (يثبت فيه لوح اللدينة) ذو حركة ميكانيكية فعند تليين اللوح بالتسخين يتم إنزال الإطار فوق القالب ( molds ) الذكر والذي يفرد الصفيحة متخذة شكل القالب ( molds ) الخارجي ثم يسلط تفريغ ساحبا الصفيحة بقوة حول حواف القالب ( molds ). وهناك وسائل أخرى متطورة للتشكيل التفريغي لعمليات مخصوصة كإنتاج عبوة ذات سمك مضبوط ومنتظم باستخدام طريقة (التشكيل بالقضمة الارتجاعية العارمة billow snap-back forming) وطريقة استخدام الماسكات ذات العجلات المنزلقة لدفع صفيحة غطاء سدادة وهذه الطريقة تنتج أجزاء قوية ذات جدران ثقيلة وسميكة
خطوات التشغيل في عمليات التشكيل بالتفريغ :
1- تقطع الصفيحة اللدنة المطلوب تشكيلها حراريا إلى الحجم الناسب وتثبت في إطار القمط بإحكام .
2- تسخن الصفيحة إلى الحرارة المناسبة والصحيحة للتشكيل (حسب نوع الراتنج) ويدفع القالب ( molds ) في المكان المناسب لإجراء عملية التفريغ. 3- تترك الصفيحة المنصهرة فترة زمنية مناسبة للتماسك والتصلب ثم يزال المنتج من القالب
( molds ). 4- يقطع المنتج المطلوب من بقية جسم الصفيحة إما بالشق أو النشر أو الطبع. ونظرا لسهولة إجراء عمليات التشكيل بالتفريغ فإنها منتشرة لإنتاج عدد كبير من المنتجات خاصة ذات الحجم الكبير جدا وكذلك القطع الصغيرة ذات الكميات الكبيرة كتغليف الأدوات المختلفة وذلك باستخدام تقوم بالتشكيل التفريغي آليا ، ويستفاد من هذه الطريقة لتغليف الأطعمة حيث تعطى نوعية جيدة من العزل خاصة في اللدائن الرغوية. 3- التشكيل بالضغط pressure forming وهي الطريقة الرئيسية الثالثة في عمليات التشكيل الحراري وتسمى أحيانا بـ "نفخ ( blow molding ) الهواء" ويجب الحذر في استخدام هذا الاسم لعدم الخلط بينها وبين طريقة التصنيع بقوالب ( molds ) النفخ ( blow molding ) حيث أن مقصودنا هنا هو تشكيل الرقائق البلاستيكية وليس الحبيبات او البودرة.
وهناك طريقتان أساسيتان للتشكيل بالضغط هما :
1- التشكيل بالضغط المستقيم : وتحتوي على قالب ( molds ) أنثى مثبت عليه صفيحة المادة الثرموبلاستيكية وبتسليط أشعة حرارية على الصفيحة يتم صهرها فيوضع غطاء بسرعة على الصفيحة المنصهرة ومن خلال ثقوب في هذا الغطاء يندفع تيار من الهواء الساخن الذي يضغط بدوره على صهير الصفيحة إلى حواف القالب ( molds ) متخذة شكله بينما يتم تسريب أي فقاقيع هوائية محصورة بين الصفيحة وجدران القالب ( molds ) خلال فتحات في القالب ( molds ) نفسه وبعد التبريد يتم إزالة الجزء المشكل ويقطع من الزوائد كما في عملية التشكيل بالتفريغ .
2- النفخ ( blow molding ) الحر : ويتم ذلك بوضع صفيحة بلاستيكية ساخنة فوق صندوق ضغط وتثبت داخل إطار ذو فتحات فوق الصفيحة وتكون الفتحات ذات شكل مربع أو دائري أو بيضاوي أو أي شكل آخر معين ومطلوب ، وبدفع الهواء من صندوق الضغط نحو الصفيحة الساخنة يجعلها تكون فقاعة ملساء ويستمر تطبيق الضغط والحرارة حتى الارتفاع المطلوب للفقاعة. وتستخدم عمليا في إنتاج صفائح اكريليك ذات شفافية ضوئية جيدة تصلح لأسقف الطائرات المقاتلة وجدران المباني.
4- تشكيل البشرة والتغليف القشري blister forming and skin-packaging تستخدم صناعة التغليف برقائق البلاستيك تقنية من وسائل التشكيل التفريغي تسمى تشكيل البثرة blister forming وفي هذه الطريقة توضع صفيحة بلاستيكية فوق القالب ( molds ) في التشكيل حيث تسخن الصفيحة حتى درجة الانصهار على سطح القالب ( molds ) ويطبق التفريغ ثم تبرد وتؤخذ الصفيحة المشكلة من الماكينة حيث تقطع الزوائد ويسمى الشكل الناتج للصفيحة "بثرة" blister.
وهناك طريقة أخرى مشابهة لتلك ألا انه لا يستخدم فيها قالب ( molds ) حيث يتم تغليف الأجسام المراد تغطيتها بغشاء بلاستيكي شفاف يعطي حماية للجسم وعبوة رخيصة مع إمكانية رؤيته بوضوح وتسمى تلك الطريقة بالتغليف القشري "skin-packaging" وتجري بتسخين صفيحة بلاستيكية رقيقة من راتنج شفاف إلى درجة الانصهار ثم إنزالها فوق الجسم المراد تغطيته مع تطبيق التفريغ فتأخذ شكل الجسم وتبدو كقشرة سطحية عالية وعادة يتم لحام القشرة البلاستيكية مع الكرتون الموضوع عليه الجسم بمادة لاصقة. ونلاحظ في هذه الطريقة عدم حاجتنا إلى قالب ( molds ) يلزم صهر الصفيحة عليه.
تعتبر عمليات التشكيل الحراري لألواح البلاستيك واحدة من العمليات الرئيسية في صناعة البلاستيك كما أنها واحدة من اقدم العمليات في هذه الصناعة ومع بداية القرن العشرين جرت محاولات مبدئية في تشكيل الرقائق السليلوزية ثم تطورات العملية بسرعة في سنوات قليلة نتيجة الاختراعات المتوالية في مكائن التشغيل والتطورات التي أدخلت على خواص المواد المستخدمة بغرض تحسين خواصها مما يساعد على سهولة تشكيلها مما أوجد لدينا الآن نوعيات مختلفة من الرقائق اللدنة ذات الأشكال المتباينة.
وأساس عملية التشكيل الحراري هو تسخين رقائق البلاستيك لتصبح في حالة قابلة للطي ثم دفعها حول حدود القالب ( molds ) باستخدام الضغط إما بتيار هوائي أو الضغط الميكانيكي لإحداث الدفع مع الاستعانة بالتسخين والحني (اللي أو الثني). وهناك ثلاثة أنواع رئيسية لعمليات التشكيل الحراري مع بعض الاختلافات العديدة بين كلا منها وهي : 1) التشكيل المطابق للقالب ( molds ). 2) التشكيل بالتفريغ. 3) التشكيل بالضغط. وتخضع كثير من رقائق البلاستيك لعمليات التشكيل الحراري ويعتمد اختيار المادة المستخدمة بحسب الخواص المطلوبة في المنتج كالوضوح ، مقاومة التآكل ، المتانة ، المرونة ، اللون .. الخ. وبناء على ما سبق يتم اختيار طريقة التشكيل المناسبة للمادة والمنتج المطلوب . 1) التشكيل المطابق للقالب ( molds ) : matched mold forming تعطي طريقة التشكيل الحراري المطابق للقالب ( molds ) matched-die moulding (وتسمى كذلك بالقولبة في قالب ( molds ) متوائم) لرقائق البلاستيك نتائج دقيقة وصحيحة وذلك باستخدام نصفي قالب ( molds ) يقفلان جيدا مع بعضهما وتوضع المادة الثرموبلاستيكية في أحد النصفين بعد تسخينها إلى درجة الليونة ثم تشكل بضغط ميكانيكي يؤثر بين نصفي القالب ( molds ) ، ولما كان نصفي القالب ( molds ) يلامسان سطحي رقيقة البلاستيك اللينة الموضوعة بينهما لذا يجب أن يكونا مصقولين جيدا حتى يكون المنتج أملس السطح. وتصنع القوالب ( molds ) عادة من الألومنيوم أو الصلب وتثبت على مكبس مائي أو غازي , وتسخن رقائق البلاستيك ثم توضع بين نصفي القالب ( molds ) ويغلق المكبس ، ويستخدم التبريد المائي في تبريد القالب ( molds ) والتحكم في درجة حرارته. وهذه الطريقة مناسبة للحصول على منتجات ذات أبعاد ممتازة وتفاصيل دقيقة. 2) التشكيل بالتفريغ : vacuum forming من اسهل طرق التشكيل الحراري طريقة التشكيل بالتفريغ وتشمل تسخين رقائق البلاستيك داخل إطار محدود حتى نقطة الليونة لتصبح مرنة فيوضع تحتها مباشرة القالب ( molds ) وبتأثير ضغط بسيط ينساب البلاستيك على الحافة العلوية للقالب ( molds ) ثم بتفريغ الهواء خلال ثقوب صغيرة في تجاويف القالب ( molds ) فان الضغط الجوي العادي يدفع الرقائق اللينة على حدود جدران القالب ( molds ) وبالتبريد يتصلب الناتج ثم يزال القالب ( molds ) بعد أن اخذ الراتنج شكل جدرانه الداخلية. عملية التشكيل forming process تطورت عملية التشكيل بالتفريغ لإعطاء منتج ذو سمك جداري منتظم وحواف محددة خاصة في حالات منتجات السحب ( extrusion ) العميق. طريقة تشكيل القضمة الارتجاعية snap-back forming ومن الوسائل المتطورة في هذا المجال استخدام طريقة التشكيل بالتفريغ ، وفي هذه الطريقة يتم تفريغ المنطقة
اسفل الصفيحة المنصهرة من الراتنج وفي نفس الوقت يقوم نصف القالب ( molds ) الذكر بالضغط عليها من أعلى إلى اسفل ، وعند وقف التفريغ تأخذ الصفيحة المنصهرة شكل حواف القالب ( molds ) الذكر ، وهذه الطريقة تتميز باستخدام حجم صغير من الصفيحة
البلاستيكية المطلوبة تشكيلها وتساعد على توزيع اللدينة المنصهرة كما تقلل من علامات الفقفقة على المنتج النهائي. طريقة التشكيل بالثني : drape forming ويستخدم فيها قالب ( molds ) ذكر وإطار قمط (يثبت فيه لوح اللدينة) ذو حركة ميكانيكية فعند تليين اللوح بالتسخين يتم إنزال الإطار فوق القالب ( molds ) الذكر والذي يفرد الصفيحة متخذة شكل القالب ( molds ) الخارجي ثم يسلط تفريغ ساحبا الصفيحة بقوة حول حواف القالب ( molds ). وهناك وسائل أخرى متطورة للتشكيل التفريغي لعمليات مخصوصة كإنتاج عبوة ذات سمك مضبوط ومنتظم باستخدام طريقة (التشكيل بالقضمة الارتجاعية العارمة billow snap-back forming) وطريقة استخدام الماسكات ذات العجلات المنزلقة لدفع صفيحة غطاء سدادة وهذه الطريقة تنتج أجزاء قوية ذات جدران ثقيلة وسميكة. خطوات التشغيل في عمليات التشكيل بالتفريغ : 1- تقطع الصفيحة اللدنة المطلوب تشكيلها حراريا إلى الحجم الناسب وتثبت في إطار القمط بإحكام . 2- تسخن الصفيحة إلى الحرارة المناسبة والصحيحة للتشكيل (حسب نوع الراتنج) ويدفع القالب ( molds ) في المكان المناسب لإجراء عملية التفريغ. 3- تترك الصفيحة المنصهرة فترة زمنية مناسبة للتماسك والتصلب ثم يزال المنتج من القالب ( molds ). 4- يقطع المنتج المطلوب من بقية جسم الصفيحة إما بالشق أو النشر أو الطبع. ونظرا لسهولة إجراء عمليات التشكيل بالتفريغ فإنها منتشرة لإنتاج عدد كبير من المنتجات خاصة ذات الحجم الكبير جدا وكذلك القطع الصغيرة ذات الكميات الكبيرة كتغليف الأدوات المختلفة وذلك باستخدام تقوم بالتشكيل التفريغي آليا ، ويستفاد من هذه الطريقة لتغليف الأطعمة حيث تعطى نوعية جيدة من العزل خاصة في اللدائن الرغوية. 3) التشكيل بالضغط pressure forming وهي الطريقة الرئيسية الثالثة في عمليات التشكيل الحراري وتسمى أحيانا بـ "نفخ ( blow molding ) الهواء" ويجب الحذر في استخدام هذا الاسم لعدم الخلط بينها وبين طريقة التصنيع بقوالب ( molds ) النفخ ( blow molding ) حيث أن مقصودنا هنا هو تشكيل الرقائق البلاستيكية وليس الحبيبات او البودرة. وهناك طريقتان أساسيتان للتشكيل بالضغط هما :
1- التشكيل بالضغط المستقيم : وتحتوي على قالب ( molds ) أنثى مثبت عليه صفيحة المادة الثرموبلاستيكية وبتسليط أشعة حرارية على الصفيحة يتم صهرها فيوضع غطاء بسرعة على الصفيحة المنصهرة ومن خلال ثقوب في هذا الغطاء يندفع تيار من الهواء الساخن الذي يضغط بدوره على صهير الصفيحة إلى حواف القالب ( molds ) متخذة شكله بينما يتم تسريب أي فقاقيع هوائية محصورة بين الصفيحة وجدران القالب ( molds ) خلال فتحات في القالب ( molds ) نفسه وبعد التبريد يتم إزالة الجزء المشكل ويقطع من الزوائد كما في عملية التشكيل بالتفريغ.
2- النفخ ( blow molding ) الحر : ويتم ذلك بوضع صفيحة بلاستيكية ساخنة فوق صندوق ضغط وتثبت داخل إطار ذو فتحات فوق الصفيحة وتكون الفتحات ذات شكل مربع أو دائري أو بيضاوي أو أي شكل آخر معين ومطلوب ، وبدفع الهواء من صندوق الضغط نحو الصفيحة الساخنة يجعلها تكون فقاعة ملساء ويستمر تطبيق الضغط والحرارة حتى الارتفاع المطلوب للفقاعة. وتستخدم عمليا في إنتاج صفائح اكريليك ذات شفافية ضوئية جيدة تصلح لأسقف الطائرات المقاتلة وجدران المباني. 4) تشكيل البشرة والتغليف القشري : blister forming and skin-packaging تستخدم صناعة التغليف برقائق البلاستيك تقنية من وسائل التشكيل التفريغي تسمى تشكيل البثرة blister forming وفي هذه الطريقة توضع صفيحة بلاستيكية فوق القالب ( molds ) في التشكيل حيث تسخن الصفيحة حتى درجة الانصهار على سطح القالب ( molds ) ويطبق التفريغ ثم تبرد وتؤخذ الصفيحة المشكلة من الماكينة حيث تقطع الزوائد ويسمى الشكل الناتج للصفيحة "بثرة" blister.
وهناك طريقة أخرى مشابهة لتلك ألا انه لا يستخدم فيها قالب ( molds ) حيث يتم تغليف الأجسام المراد تغطيتها بغشاء بلاستيكي شفاف يعطي حماية للجسم وعبوة رخيصة مع إمكانية رؤيته بوضوح وتسمى تلك الطريقة بالتغليف القشري "skin-packaging" وتجري بتسخين صفيحة بلاستيكية رقيقة من راتنج شفاف إلى درجة الانصهار ثم إنزالها فوق الجسم المراد تغطيته مع تطبيق التفريغ فتأخذ شكل الجسم وتبدو كقشرة سطحية عالية وعادة يتم لحام القشرة البلاستيكية مع الكرتون الموضوع عليه الجسم بمادة لاصقة.
