التشكيل الحراري الفراغي

التشكيل الفراغي هو نسخة مبسطة من التشكيل الحراري ، حيث تُسخّن صفيحة بلاستيكية (مثل صفائح البوليسترين عالي التأثير (HIPS) للمنتجات منخفضة التأثير، أو ABS لأحواض الاستحمام، وHDPE لأجزاء المركبات الخارجية، بالإضافة إلى أنواع أخرى من المواد القابلة للتشكيل الفراغي) إلى درجة حرارة التشكيل، ثم تُمدد على قالب أحادي السطح ، وتُضغط على القالب بواسطة فراغ . يمكن استخدام هذه العملية لتشكيل البلاستيك إلى أجسام دائمة مثل لافتات الطرق السريعة والأغطية الواقية. عادةً ما تتضمن تصميمات القوالب زوايا سحب (يوصى بحد أدنى 3 درجات) لتسهيل إخراج القطعة البلاستيكية المشكلة من القالب.

يمكن تشكيل أجزاء عميقة نسبياً إذا تم تمديد الصفيحة القابلة للتشكيل ميكانيكياً أو هوائياً قبل ملامستها لسطح القالب وتطبيق الفراغ. ^{[ 1 ]}

تُعدّ المواد الحرارية البلاستيكية التقليدية من المواد المناسبة للاستخدام في التشكيل الحراري الفراغي . وأكثرها شيوعًا وسهولةً في الاستخدام هي ألواح البوليسترين عالي التأثير (HIPS). تُشكّل هذه الألواح حول قالب من الخشب أو الرغوة الهيكلية أو الألومنيوم المصبوب أو المُصنّع آليًا، ويمكن تشكيلها إلى أي شكل تقريبًا. تتميز هذه المادة عالية التأثير بخصائصها الصحية وقدرتها على الاحتفاظ بالحرارة وشكلها عند تعريضها للماء الدافئ، وتُستخدم عادةً لتغليف المنتجات الحساسة للطعم والرائحة. ^{[ 2 ]} كما يُعدّ التشكيل الحراري الفراغي مناسبًا للمواد الشفافة مثل الأكريليك، والتي تُستخدم على نطاق واسع في تطبيقات صناعة الطيران، مثل مظلات نوافذ مقصورة الركاب للطائرات العسكرية ذات الأجنحة الثابتة، ومقصورات الطائرات ذات الأجنحة الدوارة. يُستخدم التشكيل الحراري الفراغي غالبًا في دورات التكنولوجيا الأساسية نظرًا لسهولة عملية التشكيل.

تعتمد معدات التشكيل الفراغي الحديثة على سلسلة من براءات الاختراع الأمريكية الممنوحة في أعوام 1950 و 1964 و 1974. ^{[ 3 ]}

تستخدم شركات تصنيع المعدات الأصلية (OEMs) مكونات مُشكّلة بالتفريغ الهوائي ذات سماكة كبيرة لإنتاج كميات تتراوح بين 250 و3000 وحدة سنويًا. ويمكن استخدام هذه المكونات بدلًا من عمليات التشكيل المعقدة باستخدام الصفائح المعدنية أو الألياف الزجاجية أو قولبة حقن البلاستيك . ومن الأمثلة الصناعية الشائعة، إلى جانب تغليف المنتجات، ما يلي: واجهات الأكشاك الخارجية وأجهزة الصراف الآلي ، وهياكل معدات التصوير الطبي والتشخيص، وأغطية محركات الشاحنات أو معدات البناء، ومكونات المقاعد والتنجيد الداخلي لعربات السكك الحديدية. ^{[ 4 ]} كما يستخدم الهواة آلات التشكيل بالتفريغ الهوائي في تطبيقات مثل الأقنعة وسيارات التحكم عن بُعد. وفي القرن العشرين، استُخدمت هذه الآلات لإنتاج خرائط بارزة بكميات كبيرة لأغراض عسكرية. ^{[ 5 ]}

تُواجَه بعض المشاكل في عملية التشكيل الحراري بالتفريغ. إذ يُمكن أن تتمدد الرطوبة الممتصة، مُشكّلةً فقاعات داخل الطبقات الداخلية للبلاستيك، مما يُضعفه بشكل ملحوظ. مع ذلك، يُمكن حل هذه المشكلة بتجفيف البلاستيك لفترة طويلة عند درجة حرارة عالية ولكن أقل من درجة انصهاره. كما يُمكن أن تتشكل خيوط حول القالب نتيجة ارتفاع درجة حرارة البلاستيك، لذا يجب مراقبتها بعناية. وقد يحدث هذا التشكّل أيضًا عندما يكون القالب كبيرًا جدًا أو عندما تكون أجزاؤه متقاربة جدًا. أخيرًا، غالبًا ما تلتصق الأجسام المُشكّلة بالقالب، ويُمكن معالجة هذه المشكلة باستخدام زاوية سحب تبلغ ثلاث درجات أو أكثر في القالب.

تُتيح تقنية التشكيل الحراري الفراغي إمكانية ابتكار العديد من الأنماط. ولعلّ أكثر الطرق ابتكارًا لاستخدام هذه التقنية هي أخذ أي قطعة صغيرة، وتكرارها عدة مرات، ثم تشكيل النمط الجديد باستخدام تقنية التشكيل الحراري الفراغي للحصول على شكل أكثر تماسكًا. تُساعد هذه التقنية على ربط القطع الفردية معًا، وتكوين قالب واحد من عدة قطع يسهل تكرارها. ومن ثم، يُمكن صبّ الجبس أو الخرسانة، وغيرها، في القالب البلاستيكي.

تُعدّ النماذج الخشبية مادة شائعة في التشكيل الحراري بالشفط نظرًا لانخفاض تكلفتها نسبيًا وسهولة تعديل التصميم من قِبل العميل. يعتمد عدد العينات التي يمكن الحصول عليها من أي نموذج على حجم القطعة وسُمك المادة. بعد استيفاء مواصفات القطعة، يُستخدم النموذج لإنشاء قالب من مركب خزفي، أو قالب من الألومنيوم المصبوب للإنتاج العادي. من الممكن أيضًا إحداث ثقوب في الجبس باستخدام التشكيل الحراري بالشفط إذا كانت النماذج المُستنسخة عميقة بما يكفي، مع ترك فراغات بينها ليُشكّل البلاستيك فيها. بعد ذلك، عند استخدام البلاستيك في صب قالب جبسي، ستُخلّف المناطق العميقة في البلاستيك ثقوبًا إذا لم يُملأ القالب بالكامل.

تُصنع قوالب الألمنيوم المصبوب في المسابك، وعادةً ما تحتوي على أنابيب للتحكم في درجة الحرارة . يساعد ذلك على ضبط حرارة البلاستيك المراد تشكيله، بالإضافة إلى تسريع عملية التصنيع. يمكن أن تكون قوالب الألمنيوم ذكرية أو أنثوية ، ويمكن استخدامها أيضًا في تطبيقات التشكيل بالضغط. أما العيب الرئيسي لهذا النوع من القوالب فهو تكلفته.

قوالب الألمنيوم المشغولة آليًا تشبه قوالب الألمنيوم المصبوبة، ولكنها تُقطع من كتلة صلبة من الألمنيوم باستخدام آلة CNC وبرنامج CAD . يُستخدم الألمنيوم المشغول آليًا عادةً في صناعة أجزاء السحب الضحلة من مواد رقيقة. تشمل التطبيقات التغليف والصواني. وتُعد التكلفة عاملًا مهمًا في هذا النوع من الأدوات.

تُعدّ القوالب المركبة بديلاً أقل تكلفةً من قوالب الألمنيوم المصبوبة أو المشغولة آلياً. تُصنع هذه القوالب عادةً من راتنجات مملوءة تبدأ سائلةً وتتصلب مع مرور الوقت. وبحسب التطبيق، يمكن أن تدوم القوالب المركبة لفترة طويلة جدًا وتُنتج قطعًا عالية الجودة.

بعد تشكيل المنتج بالتشكيل الحراري من صفيحة بلاستيكية، ستكون هناك حاجة في معظم الحالات إلى عملية تشطيب لتحويله إلى منتج قابل للاستخدام. تشمل طرق التشطيب الشائعة للتشكيل الحراري ما يلي:

• القطع بالمقصلة: يُقطع المنتج من الصفيحة المعدنية عن طريق ضغط شفرة عبر المنتج في قالب أسفله. تُعد هذه طريقة نظيفة لإزالة الأجزاء المُشكّلة بالشفط من الصفيحة. لا تتطلب هذه الطريقة أداة قطع خاصة لكل منتج على حدة، ولذلك فهي مناسبة للكميات الصغيرة من الأجزاء حيث لا تُمثل الخطوط المستقيمة مشكلة. ونظرًا لأن القطع بالمقصلة يقتصر على الخطوط المستقيمة فقط، ولأنها طريقة بطيئة نسبيًا مقارنةً بطرق التشطيب الأخرى، فقد تكون مكلفة للمشاريع ذات الكميات الأكبر والأكثر تعقيدًا. ^{[ 6 ]}
• الحفر : إذا كانت الثقوب الدائرية البسيطة هي المطلوب، فإن الحفر اليدوي حلٌّ مناسب للكميات الصغيرة. يمكن استخدام أدوات توجيه الحفر لضمان حفر الثقوب بسرعة وفي المكان الصحيح. ولأن هذه الطريقة تتطلب جهدًا كبيرًا، فهي مناسبة فقط لكميات الإنتاج الصغيرة.
• القطع بالبكرات: عملية يتم فيها وضع المنتج المُشكّل بالتفريغ على قاطع مُصمّم خصيصًا ودفعه عبر آلة قطع بالبكرات. تُعدّ هذه الطريقة فعّالة لقطع المنتجات المُشكّلة بالتفريغ من الصفيحة الأصلية لمادة التشكيل. كما يُمكن للقاطع قطع أي ثقوب ضرورية، مثل ثقوب الكابلات أو فتحات الوصول، في الوقت نفسه. يُناسب القطع بالبكرات المنتجات الكبيرة نسبيًا، حيث لا يتطلب الأمر دقة عالية في المحاذاة. ونظرًا لأن القطع المُشكّلة بالتفريغ والقاطع يُدحرجان جانبيًا عبر آلة القطع بالبكرات، فقد يحدث بعض عدم المحاذاة. لا يُمكن استخدام القطع بالبكرات لعمل ثقوب أو تجاويف في جوانب المنتجات المُشكّلة بالتفريغ، لأن أداة القطع تقطع دائمًا بشكل عمودي من الأسفل.
• القطع بالضغط: هي طريقة قطع دقيقة للغاية تستخدم مكبسًا وأداة قطع مصممة خصيصًا بدقة عالية. تُعد هذه الطريقة مناسبة جدًا للعناصر التي لا تُحقق فيها عملية القطع بالأسطوانة الدقة المطلوبة. غالبًا ما تُستخدم لثقب قطع نهائية صغيرة جدًا من صفائح البلاستيك، بدلًا من ثقب تفاصيل في المنتج. لا يُمكن استخدام القطع بالضغط لإنشاء تفاصيل في جوانب عمليات التشكيل الحراري.
• القطع باستخدام ماكينة CNC : تُعدّ عملية التشغيل الآلي طريقة دقيقة للغاية لإنشاء الثقوب والتفاصيل. وتكمن ميزتها الحقيقية في إمكانية استخدامها لإنشاء تفاصيل في جوانب التشكيل الحراري، مثل قضبان التوجيه لصينية تحتاج إلى الانزلاق على الرفوف. كما يمكنها قطع الجدران الجانبية بعمق مختلف عن عمق التجاويف، وهو أمر لا يمكن تحقيقه باستخدام القطع بالأسطوانة أو الضغط.

• سوروكا، دبليو. أساسيات تكنولوجيا التغليف ، معهد التغليف والتصنيع، 2002، رقم ISBN 1-930268-25-4
• والش، دي إي. التشكيل الحراري بالشفط بنفسك للهواة (طبعة منقحة)، دار نشر ورشة العمل، ليك أوريون، ميشيغان، 2002، OCLC 46798883 
• يام، كي إل. موسوعة تكنولوجيا التغليف ، جون وايلي وأولاده، 2009، رقم ISBN 978-0-470-08704-6