التشكيل الحراري

التشكيل الحراري هو عملية تصنيع يتم فيها تسخين ورقة بلاستيكية إلى درجة حرارة تشكيل مرنة، وتشكيلها إلى شكل محدد في قالب، وتقليمها لإنشاء منتج قابل للاستخدام. يتم تسخين الورقة، أو "الفيلم" عند الإشارة إلى المقاييس الأرق وأنواع معينة من المواد، في فرن إلى درجة حرارة عالية بما يكفي للسماح بتمديدها داخل أو على قالب وتبريدها إلى الشكل النهائي. النسخة المبسطة منها هي التشكيل بالتفريغ .

في أبسط أشكالها، يمكن استخدام آلة صغيرة بحجم الطاولة أو المختبر لتسخين أقسام صغيرة مقطوعة من صفائح البلاستيك وتمديدها فوق قالب باستخدام الفراغ. تُستخدم هذه الطريقة غالبًا لأجزاء العينات والنماذج الأولية . في التطبيقات المعقدة وعالية الحجم، تُستخدم آلات إنتاج كبيرة جدًا لتسخين وتشكيل صفائح البلاستيك وتقليم الأجزاء المشكلة من الصفائح في عملية مستمرة عالية السرعة ويمكنها إنتاج آلاف الأجزاء النهائية في الساعة اعتمادًا على حجم الآلة والقالب وحجم الأجزاء التي يتم تشكيلها.

تختلف عملية التشكيل الحراري عن عملية القولبة بالحقن ، والقولبة بالنفخ ، والقولبة الدورانية وغيرها من أشكال معالجة البلاستيك. ^[1] التشكيل الحراري الرقيق هو في الأساس تصنيع الأكواب والحاويات والأغطية والصواني والبثور والأصداف وغيرها من المنتجات التي تُستخدم لمرة واحدة للصناعات الغذائية والطبية وتجارة التجزئة العامة . يشمل التشكيل الحراري السميك أجزاء متنوعة مثل أبواب المركبات ولوحات القيادة وبطانات الثلاجات وأسرّة المركبات الخدمية والمنصات البلاستيكية.

تقوم معظم شركات التشكيل الحراري بإعادة تدوير الخردة والنفايات البلاستيكية، إما عن طريق الضغط في آلة التكديس أو عن طريق إدخالها في آلة التحبيب (المطحنة) وإنتاج رقائق مطحونة، لبيعها لشركات إعادة المعالجة أو إعادة استخدامها في منشآتها الخاصة. في كثير من الأحيان، يتم تحويل الخردة والنفايات البلاستيكية الناتجة عن عملية التشكيل الحراري مرة أخرى إلى صفائح مبثوقة لتشكيلها مرة أخرى.

في الطريقة الأكثر شيوعًا للتشكيل الحراري المستمر عالي الحجم للمنتجات الرقيقة، يتم تغذية الورقة البلاستيكية من بكرة أو من آلة بثق إلى مجموعة من سلاسل الفهرسة التي تتضمن دبابيس أو مسامير تخترق الورقة وتنقلها عبر فرن للتسخين إلى درجة حرارة التشكيل. ثم يتم فهرسة الورقة الساخنة في محطة تشكيل حيث يتم إغلاق قالب التزاوج وصندوق الضغط على الورقة، ثم يتم تطبيق الفراغ لإزالة الهواء المحبوس وسحب المادة إلى داخل القالب أو عليه جنبًا إلى جنب مع الهواء المضغوط لتشكيل البلاستيك بالشكل التفصيلي للقالب. (عادةً ما يتم استخدام مساعدات القابس بالإضافة إلى الفراغ في حالة الأجزاء المشكلة الأطول والأعمق سحبًا من أجل توفير توزيع المواد المطلوب والسمك في الأجزاء النهائية.) بعد دورة تشكيل قصيرة، يتم تشغيل دفعة من ضغط الهواء العكسي من جانب الفراغ للقالب أثناء فتح أداة التشكيل، ويشار إليها عادةً باسم إخراج الهواء، لكسر الفراغ ومساعدة الأجزاء المشكلة على الخروج من القالب أو الخروج منه. يمكن أيضًا استخدام لوحة نزع على القالب أثناء فتحه لإخراج الأجزاء الأكثر تفصيلاً أو تلك التي تحتوي على مسودة سلبية ومناطق مقطوعة. ثم يتم فهرسة الورقة التي تحتوي على الأجزاء المشكلة في محطة تقليم على نفس الآلة، حيث تقوم القالب بقطع الأجزاء من شبكة الورقة المتبقية أو فهرستها في مكبس تقليم منفصل حيث يتم تقليم الأجزاء المشكلة. عادةً ما يتم لف شبكة الورقة المتبقية بعد تقليم الأجزاء المشكلة على بكرة سحب أو إدخالها في حبيبات خطية لإعادة التدوير.

تسمح أدوات التحكم بالمعالج الدقيق والكمبيوتر في الآلات الحديثة بتحكم متزايد في العملية بشكل كبير وإمكانية تكرار إعدادات نفس الوظيفة من تشغيل إنتاج واحد مع القدرة على حفظ إعدادات سخان الفرن وتوقيت العملية بين الوظائف. تم تحسين القدرة على وضع الألواح المشكلة في محطة تقليم خطية لتسجيل تقليم أكثر دقة بسبب الاستخدام الشائع لمحركات السيرفو الكهربائية لفهرسة السلسلة مقابل أسطوانات الهواء ورفوف التروس والقوابض في الآلات القديمة. تُستخدم محركات السيرفو الكهربائية أيضًا في بعض آلات التشكيل الحديثة والأكثر تطورًا لتشغيل أسطوانات الآلة حيث يتم تثبيت أدوات التشكيل والتقليم، بدلاً من أسطوانات الهواء التي كانت تقليديًا المعيار الصناعي، مما يوفر تحكمًا أكثر دقة في سرعات الإغلاق والفتح وتوقيت الأدوات. توفر سخانات الفرن المصنوعة من الكوارتز واللوحة المشعة عمومًا تسخينًا أكثر دقة وشمولاً للصفائح مقارنة بسخانات نوع قضيب المعايرة القديمة، وتسمح بشكل أفضل بتقسيم الأفران إلى مناطق ذات حرارة قابلة للتعديل.

تم تطوير تقنية جديدة، ToolVu، ^[2] لتوفير ملاحظات في الوقت الفعلي على آلات التشكيل الحراري. يتصل هذا النظام المستقل مباشرة بالآلة ويستخدم أجهزة استشعار متعددة لتسجيل بيانات تشغيل الإنتاج في الوقت الفعلي بما في ذلك ضغط الهواء ودرجة الحرارة ومقياس إجهاد الأداة والمواصفات الأخرى. يرسل النظام تحذيرات وتنبيهات متعددة كلما تم المساس بمعلمات الإنتاج المحددة مسبقًا أثناء التشغيل. يقلل هذا من وقت تعطل الماكينة، ويخفض وقت بدء التشغيل ويقلل من مخلفات بدء التشغيل.

إن الأدوات المستخدمة في عملية التشكيل الحراري هي جزء لا يتجزأ من عملية التشكيل الحراري، وهي خاصة بكل جزء يتم إنتاجه. يتم تنفيذ التشكيل الحراري الرقيق كما هو موضح أعلاه دائمًا تقريبًا على آلات خطية ويتطلب عادةً قوالب ومساعدات سدادة وصناديق ضغط وجميع ألواح التثبيت بالإضافة إلى أدوات التشذيب وأجزاء التكديس التي تتعلق بالمهمة. يتطلب التشكيل الحراري السميك أو الثقيل أيضًا أدوات خاصة بكل جزء، ولكن نظرًا لأن حجم الجزء يمكن أن يكون كبيرًا جدًا، يمكن أن تكون القوالب من الألومنيوم المصبوب أو بعض المواد المركبة الأخرى بالإضافة إلى الألومنيوم المخرَّط كما هو الحال في التشكيل الحراري الرقيق. عادةً، يجب تقليم الأجزاء السميكة على أجهزة توجيه CNC أو تقليمها يدويًا باستخدام المناشير أو أجهزة التوجيه اليدوية. حتى أكثر آلات التشكيل الحراري تطورًا تقتصر على جودة الأدوات المستخدمة. يختار بعض مصنعي التشكيل الحراري الكبار إنشاء مرافق تصميم وتصنيع أدوات داخل الشركة بينما يعتمد آخرون على ورش تصنيع أدوات خارجية لبناء الأدوات.

هناك فئتان عامتان لعملية التشكيل الحراري. ^[3] عادةً ما يتم تسليم الصفائح التي يقل سمكها عن 1.5 مم (0.060 بوصة) إلى آلة التشكيل الحراري من لفات أو من آلة بثق الصفائح. تهيمن العبوات البلاستيكية القابلة للتخلص منها الصلبة أو شبه الصلبة على تطبيقات التشكيل الحراري ذات السماكة الرقيقة أو المبثوقة داخل الخط. عادةً ما يتم تسليم الصفائح التي يزيد سمكها عن 3 مم (0.120 بوصة) إلى آلة التشكيل يدويًا أو بطريقة التغذية التلقائية المقطوعة بالفعل إلى الأبعاد النهائية. تُستخدم تطبيقات التشكيل الحراري للصفائح المقطوعة الثقيلة أو السميكة في المقام الأول كمكونات هيكلية دائمة. هناك سوق صغير ولكنه متنامٍ للصفائح متوسطة القياس تشكل صفائح بسمك 1.5 مم إلى 3 مم.

تستخدم عملية التشكيل بالمقاييس الثقيلة نفس العملية الأساسية المستخدمة في تشكيل الصفائح الرقيقة المستمرة، وعادة ما يتم لف الصفائح البلاستيكية الساخنة فوق قالب. تستخدم العديد من تطبيقات التشكيل بالمقاييس الثقيلة الفراغ فقط في عملية التشكيل، على الرغم من أن بعضها يستخدم نصفين من أدوات التشكيل المتزاوجة ويتضمن ضغط الهواء للمساعدة في التشكيل. حفزت زجاج الطائرات ونوافذ أبراج المدافع الرشاشة تقدم تكنولوجيا التشكيل بالمقاييس الثقيلة أثناء الحرب العالمية الثانية. تُستخدم الأجزاء الثقيلة كسطح تجميلي على الهياكل الدائمة مثل الأكشاك والسيارات والشاحنات والمعدات الطبية ومعدات مناولة المواد والثلاجات والمنتجعات الصحية وحجرات الاستحمام والمعدات الكهربائية والإلكترونية. على عكس معظم الأجزاء الرفيعة المشكلة بالحرارة، غالبًا ما يتم تصنيع الأجزاء الثقيلة يدويًا بعد التشكيل للتشذيب إلى الشكل النهائي أو للحفر أو القطع أو التشطيب الإضافي، اعتمادًا على المنتج. عادةً ما تكون المنتجات الثقيلة ذات طبيعة الاستخدام النهائي "الدائم"، بينما غالبًا ما يتم تصميم الأجزاء الرقيقة لتكون قابلة للاستخدام مرة واحدة أو إعادة التدوير وتستخدم في المقام الأول لتعبئة أو احتواء عنصر أو منتج غذائي. تُستخدم عملية التشكيل الحراري الثقيل عادةً لإنتاج كميات تتراوح من 250 إلى 3000 سنويًا، مع تكاليف أدوات أقل وتطوير أسرع للمنتج مقارنة بتقنيات البلاستيك المنافسة مثل القولبة بالحقن .

يتم الحصول على Olimunllum CF/PEEK عن طريق التشكيل الحراري السميك لطبقات رقيقة من الألياف المشبعة مسبقًا لتشكيل صفائح متماسكة بالكامل. يكمن الاختلاف الرئيسي عن الألواح المركبة المصنوعة حسب الطلب في الاتجاه الموحد لألياف التسليح ومحتوى الوزن الموحد للبوليمر وسمك الصفائح الموحد. يتيح هذا التصميم السهل والمعالجة اللاحقة باستخدام أدوات متطابقة أو مماثلة كما هو مستخدم عادة عند العمل مع مواد خفيفة الوزن معدنية مثل الألومنيوم والتيتانيوم والصلب .

• قالب جبس باريس
• قالب خشبي
• قالب بلاستيكي
• قالب الألومنيوم

كانت السوق الأمريكية الشمالية التي تزيد قيمتها عن 10 مليارات دولار أمريكي تتكون تقليديًا من 3 ⁄ 4 مقياس رقيق و 1 ⁄ 4 مقياس ثقيل. في عام 2003 كان هناك حوالي 150 من مصنعي التشكيل الحراري الرقيق في أمريكا الشمالية. ستين بالمائة منهم شكلوا منتجات خاصة. ثلاثون بالمائة منهم كانوا مصنعين مخصصين وعشرة بالمائة كانوا من الشركات المصنعة الأصلية ذات القدرة على التشكيل الداخلي. كان هناك ما يقرب من اثني عشر مصنعًا للتشكيل الحراري الرقيق لديهم مبيعات سنوية لا تقل عن 100 مليون دولار. كان لدى أكبرهم مبيعات سنوية تزيد عن 1000 مليون دولار. كان هناك حوالي 250 مصنعًا للتشكيل الحراري الثقيل في أمريكا الشمالية. جميعهم تقريبًا كانوا مصنعين مخصصين. كان لدى اثنين أو ثلاثة فقط من مصنعي التشكيل الحراري الثقيل مبيعات سنوية تزيد عن 100 مليون دولار. كان لدى أكبرهم مبيعات سنوية تبلغ حوالي 140 مليون دولار. تُعرف بيفيرتون بولاية ميشيغان بأنها عاصمة التشكيل الحراري البلاستيكي في العالم بسبب قربها من شركة Dow Chemical Company في ميدلاند بولاية ميشيغان .

• حزمة نفطة
• نفخ القوالب
• التشكيل الحراري الدقيق
• صب (عملية)
• التغليف
• لدن بالحرارة