Ротационное формование. Российский опыт.

В. М. Сурнин (главный технолог РОТОПЛАСТ)

Ротационное формование, давно применяемое за рубежом, получает широкое признание в России, постоянно увеличивая сферу применения. Данная статья имеет своей целью обобщить опыт, накопленный специалистами фирмы «Ротопласт» г. Мытищи.

Почему ротационное формование наиболее эффективная технология производства крупногабаритных полимерных изделий?

Минимальные сроки и стоимость подготовки изделия к серийному производству.
Рентабельность производства на уровне мелкосерийного и единичного производства.
Изготовление изделий различной толщины и многих цветов в одной и той же форме, при этом затраты на перенастройку и подготовку производства будут минимальны.
Имеется широкий спектр сырья и красителей, обеспечивающих нужные свойства изделий: жёсткость, морозоустойчивость, цветостойкость, УФ и химическую устойчивость, возможность контактирования с пищевыми продуктами.
Ротоформование - единственный способ изготовления изделий из пластмасс объемом до 30 тыс. литров и более.
Изделия, изготовленные ротоформованием, могут иметь сложную конфигурацию, бесстыковые разъёмы, двойные стенки, металлические и пластиковые закладные, имеют стенки равной толщины.
Равностенность, отсутствие швов и внутренних напряжений гарантирует прочность и абсолютную герметичность изделий. Прочность им придает и то, что материал не подвергается давлению при производстве, как, например, в прессовании.

Понятно, что для производства крупногабаритных полимерных изделий ротоформование является наиболее рациональным, а зачастую и единственно возможным методом.

По оценке экспертов, производителями освоена доля рынка изделий, изготовленных методом ротоформования, в пределах 15% существующих потребностей. Но распространению этих изделий препятствует значительная стоимость их перевозки. Можно определить, что эта технология ориентирована в основном на местные рынки, поэтому в различных регионах естественным образом возникает потребность в организации подобных производств.

В настоящее время известно более 500 фирм в 49 странах мира, занимающихся переработкой пластмасс ротационным формованием. Однако в России до недавнего времени не было ни одного производителя, выпускающего изделия этим методом. За последние годы появилось несколько фирм, имеющих импортное оборудование. После этого интерес к методу значительно вырос и появился первый и на данный момент единственный в России производитель, не только изготавливающий изделия на самостоятельно созданном оборудовании и в самостоятельно разработанной оснастке, но и предлагающий всем желающим разработку, установку и запуск установок ротационного формования. Это подмосковная фирма «Ротопласт». Этим предприятием накоплен большой опыт создания, изготовления и запуска ротоформовочного оборудования различных сборок и габаритов. Оборудование, изготовляемое «Ротопласт» не уступает импортному. Отечественному производителю гораздо выгоднее купить установку российского производства. Она не только много дешевле импортной, но и рассчитана на работу в наших условиях, не требует дорогостоящих запчастей и сложного ремонта.

Процесс ротационного формования на первый взгляд достаточно прост. На первой стадии порошкообразный или жидкий полимер дозируется в форму, которая затем закрывается. На второй стадии форма вращается по двум осям в печи, конструкция которой обычно включает устройство для рециркуляции горячего воздуха. В печи происходит нагрев формы и полимера, полимер образует однородный слой одинаковой толщины на внутренней поверхности формы. Время и температура нагрева, а также скорость вращения - параметры процесса, требующие тщательного контроля.

На следующей стадии процесса происходит принудительное охлаждение формы и изделия путем подачи потока воздуха и распыления водной дисперсии. Эта стадия процесса также важна, как и нагрев, так как необходимо получение недеформированного, точного по размерам и легко извлекаемого из формы изделия. Последняя стадия процесса предусматривает открытие формы и извлечение изделия. Затем цикл повторяется. У извлеченного из формы изделия внешняя поверхность является точным воспроизведением внутренней поверхности формы, она может иметь окончательно требуемую конфигурацию, а также иметь втулки с резьбой и другие вставки, отформованную резьбу и т.д.

При создании оборудования для ротационного формования используется блочно-модульный принцип изготовления и сборки.

Ротационная установка разбивается на основные блоки и модули, которые могут стыковаться между собой в различных комбинациях, создавать при этом различные конструкции установок.

К автономным блокам-модулям можно отнести следующие узлы:

топка с газовой горелкой и автоматикой, и рециркуляционным вентилятором;
камера формования с приводами ворот;
камера охлаждения;
модули (центрифуги) вращения форм с частотными приводами (угловые и прямые);
каретки перемещения модулей;
универсальные формодержатели;
треки и направляющие для перемещения кареток с модулями.

К специальным узлам и механизмам можно отнести: газоходы, узлы крепления, площадки, пневмо и гидро разводку, электрическую часть и разводку.

Установки могут выполняться следующих габаритов, исходя из размеров рабочей сферы вращения формы в печи формования и камеры охлаждения: 1500 мм, 2000 мм, 2400 мм, 2800 мм, 3200-3300 мм, 3600 мм, 4000 мм и более.

По конструкции и технологическим возможностям установки ротационного формования (УРФ) могут быть, например, следующими:

УРФ однопозиционная
УРФ двухпозиционная челночная
УРФ карусельная, трехпозиционная, трехшпиндельная
УРФ карусельная, четырехпозиционная, четырехшпиндельная
УРФ широкоуниверсальная, четырехпозиционная с тремя автономными модулями вращения форм
УРФ широкоуниверсальная, пятипозиционная с четырьмя автономными модулями вращения форм
УРФ одно- и двухпозиционные, одношпиндельные, крупногабаритные качалки для производства объемных изделий свыше 10 куб.м.

Однопозиционная, челночная	Двухпозиционная челночная
Трехпозиционная, трехшпиндельная карусельная	Четырехпозиционная, четырехшпиндельная карусельная
Широкоуниверсальная, четырехпозиционная с тремя автономными модулями вращения	Широкоуниверсальная, пятипозиционная с четырьмя автономными модулями вращения
Однопозиционная, поворотная с автономными осями	Двухпозиционная, поворотная с автономными осями

Одно и двухпозиционные установки предназначены для изготовления изделий с большой номенклатурой и небольшими программами. Они менее производительны, но дешевле в изготовлении, эксплуатации и обслуживании. По технологическим параметрам нисколько не уступают более сложным установкам.

Большинство современных машин являются машинами карусельного типа. Эти машины обычно имеют три или четыре рычага, на каждом из которых может устанавливаться одна или несколько форм. Центр карусели бывает башенного типа - в этом случае рычаги машины движутся одновременно. В других конструкциях каждый рычаг имеет самостоятельную приводную каретку, что обеспечивает независимое движение каждого рычага по кругу.

Основанием для выбора конструкции машины является соотношение времени охлаждения изделия ко времени нагрева. В случае использования карусели с общим приводом возникает необходимость в поиске компромисса. Либо необходимо увеличение времени охлаждения, которое не вызвано требованиями технологии, либо приходится снижать требования к качеству и толщине стенки изделия. Машина с независимыми приводными каретками обеспечивает большую гибкость в выборе времени охлаждения и нагрева, что позволяет максимально использовать производительность машин. При этом наиболее энергоемкая стадия процесса - нагревание заготовки в печи - используется постоянно, т.е. печь поочередно, без перерывов загружается формуемой заготовкой.

Правильное охлаждение изделия обеспечивает получение недеформированного изделия с точными размерами. Обычно машина оснащена охлаждающей камерой, обеспечивающей различные способы охлаждения. Например, с помощью высокоскоростной высокопроизводительной воздуходувки сжатый воздух, смешиваясь с водой, создает водную дисперсию, позволяющую эффективно охлаждать формы.

УРФ карусельного типа имеют жестко установленные на поворотном столе рабочие шпиндели (как горизонтальные, так и угловые). Три или четыре шпинделя равномерно располагаются по окружности вращения. Как правило, у этих установок в обязательном порядке имеется позиция загрузки-выгрузки материала и изделий, камера формования и позиция охлаждения.

Следует учитывать тот факт, что изделия, изготавливаемые на каждом из шпинделей, могут иметь различное время переработки на каждой из позиций. Иногда, при сложных комбинациях размещения изделий на рабочих шпинделях, режимы их обработки приходится приводить к оптимальным как по температуре, так и по времени. Данное оборудование в большей степени предназначено для серийного производства однотипных изделий, изготавливаемых из близких по природе материалов.

Для расширения технологических возможностей и снятия или уменьшения вышеуказанных неудобств карусельные УРФ изготавливают в основном четырехпозиционные и одну из позиций дублируют камерой (или позицией) охлаждения или формования. Карусельная УРФ ограничивает рабочую сферу, т.к. с увеличением габаритов изделия растут активные массы, т.е. формы, засыпка материалов, шпиндельные узлы, карусель. Это приводит к повышенной инерции системы и отрицательно влияет на жесткость конструкции и точность позиционирования. Поэтому, обычно, данное оборудование ограничивают рабочей сферой, не превышающей 3200 мм.

К несомненным достоинствам карусельных установок относятся их компактность и сравнительно небольшие занимаемые производственные площади, простота обслуживания и наладки, отсутствие сложных систем блокировки при перемещении модульных станций. Это оборудование дешевле, чем широкоуниверсальные машины.

Кроме машин карусельного типа, существуют и другие модели: челночные машины, вертикальные карусельные машины, машины с качающейся печью, до сих пор еще используются качающиеся и вращающиеся системы с открытым пламенем. Выбор машины определяется в большей мере размером изделия и требованиям к его качеству.

Наиболее удачными и универсальными конструкциями, позволяющими значительно экономить энергоресурсы с одновременным расширением технологических возможностей и сокращением времени переработки, являются установки с автономными модулями вращения форм, которые независимо от остальных модулей могут иметь собственные режимы переработки (по времени, температуре и т.д.). Эти машины очень выгодны при производстве одновременно изделий из различных материалов, габаритов и толщины изделий.

На данном оборудовании из-за разделенных шпиндельных узлов на отдельные каретки с модулями уменьшены активные массы, что снижает инерционность системы и взаимное влияние шпинделей друг на друга (вибрация, дисбалансы и т.д.). Но данное оборудование, ввиду наличия дополнительных приводов, блокировок и более сложной системы управления значительно дороже и сложнее в эксплуатации.

При изготовлении крупногабаритных изделий более 10 куб.м., учитывая их сравнительно небольшую программу и значительное время на их изготовление (формовку), целесообразно применение менее производительных с точки зрения наличия рабочих органов (модулей) и позиций одношпиндельные машины, имеющие одну камеру для формовки и охлаждения, т.е. «качалки».

Существуют и могут быть изготовлены и другие конструкции и компоновки УРФ для специального применения и привязки к существующим условиям, материалам и т.д.

При использовании современного формующего оборудования регулирование большинства параметров технологического процесса производится автоматически.

Каждое из перечисленных видов оборудования может оснащаться по желанию заказчика любой системной автоматики и дополнительными техническими устройствами, расширяющими технологические возможности.

Специалисты фирмы «Ротопласт» всегда готовы помочь потенциальным коллегам выбрать наиболее подходящий для них вид оборудования, освоить технологию переработки. Предприятие может обеспечить российских промышленников любым основным и вспомогательным оборудованием и технологической оснасткой для ротационного формования.

Все это позволяет надеяться, что новая для России, прогрессивная технология вскоре завоюет региональные рынки, и наши предприятия составят достойную конкуренцию западным производителям.