Время работы: с 9:00 до 18:00 Понедельник-пятница

Ротационные машины: от «рок-н-ролла» до «морских раковин»

Журнал «Эксперт оборудование» № 01 (73) 

В мировой практике ротационное формование относится к широко используемым методам изготовления изделий из полимерных материалов. Во многих случаях оно является безальтернативным. В России к этому методу также присматривались еще с 70-х годов, однако дальше НИОКР дело не шло. Зато в постсоветские времена накопленный опыт, как отечественный, так и зарубежный, был, наконец, использован в производстве самого оборудования и ротоформованных изделий и в нашей стране. Конечно, нам ещё далеко до масштабов распространения этого метода его апологетами из Северной Америки и Европы. Тем не менее, в России есть предприятия, которые уже активно производят продукцию методом ротационного формования. Это неудивительно, ибо при всей кажущейся архаичности, у него большое будущее.

Ротационное формование находится в относительной конкуренции с методом формования выдувом. Однако сразу стоит отметить, что в отношении стоимости изготовления комплектов форм метод ротационного формования выгодно отличается от выдува. Если взять условное изделие, которое можно изготовить обоими методами, то инструмент для ротационного формования данного изделия может обойтись в 10 раз (!) дешевле, чем для выдувной машины. Стоит оговориться, что приведенная величина в реальном производстве будет зависеть от размера и сложности формуемого продукта. Следует учитывать и то, что литьевые формы, произведённые в России, дешевле западных почти что на порядок. И, как утверждают некоторые производители готовых изделий, не уступают при этом последним ни в качестве, ни в ресурсе. Естественно, себестоимость готового изделия зависит также от объема выпуска изделия, который влияет на удельную стоимость формы. Западные эксперты рассчитали, что метод ротационного формования выигрывает у выдувного в рентабельности при объемах выпуска одного и того же изделия в пределах 50-80 тыс. штук. При большей серийности метод выдува станет более оправданным экономически.

Тем не менее, у метода ротационного формования есть ряд других неоспоримых преимуществ:
-отсутствие внутренних напряжений в структуре готового изделия (формование ведется без давления);
-отсутствие швов;
-возможность формовать изделия большой емкости (свыше 30 тыс. литров) при низкой себестоимости процесса;
-возможность литья с закладными деталями (металлические (или иные) втулки, стержни, крепления, резьбовые фланцы и т. д.), с двойными стенками;
-минимальные сроки и стоимость подготовки изделия к серийному производству.

Технологические этапы.

В общем виде процесс ротационного формования выглядит достаточно простым и состоит из четырех основных стадий:
- загрузка (дозирование) полимера;
- нагревание формы;
- охлаждение формы;
- разгрузка формы (извлечение готового изделия).

На стадии загрузки порошкообразный полимер (в зависимости от типа пластика может быть и в сжиженном виде) дозируется в форму при естественной температуре. Форма запирается.
На стадии нагревания форма, вращаясь по двум осям, поступает в печь, где происходит нагрев полимера и формирование однородного слоя постоянной толщины вдоль всей рабочей поверхности формы.
На третьей стадии форма охлаждается путем обдува ее поверхности воздухом и/или распылением водной дисперсии.
Четвертая стадия - размыкание формы и извлечение из нее готового изделия.

Для предотвращения адгезии полимерного материала со стенками формы применяются специальные составы, которые заранее наносятся на рабочие поверхности формы (текучие (силикон), полуперманентные и перманентные). Поверхность извлекаемого изделия точно повторяет рабочую поверхность формы. При этом поверхность готового изделия может иметь законченный вид, в некоторых случаях изделие подвергается финишной обработке на традиционном оборудовании.
Далее процесс повторяется для изготовления нового изделия.

Основными параметрами процесса являются:
- температура нагрева;
- время выдерживания;
- объем дозирования полимера;
- частоты вращения формы;
-используемый метод охлаждения;
-продолжительность охлаждения;
-температура, при которой осуществляется извлечение готового изделия.

Помимо вышеперечисленных показателей на процесс ротоформования также влияют характеристики полимера и формообразующие параметры самой формы. При внешней простоте процесса на деле все обстоит гораздо сложнее, и требуется особый контроль над соблюдением всех перечисленных параметров. Отчасти этому способствует широко применяемая в последнее время автоматика.

Оборудование для ротоформования.

Главная особенность процесса ротационного формования заключается в необходимости вращения формы. Обычно вращение формы в ротационной машине осуществляется по двум перпендикулярным осям. При этом полимер, загруженный внутрь, проходит последовательные стадии нагрева, плавления и охлаждения. В зависимости от конструктивных особенностей установок нагрев формы, а затем и ее охлаждение могут осуществляться либо в одной и той же камере, либо в отдельных камерах нагрева и охлаждения. Именно конструктивные особенности выполнения нагрева формы и ее охлаждения позволяют классифицировать ротоформовочные машины на несколько типов.

Нагрев открытым пламенем.

Одной из первых машин ротационного формования стала установка с ностальгическим названием Rock and Roll («качайся и вращайся»). В ней вращение формы осуществляется над газовой горелкой с открытым пламенем, в то время как вся конструкция целиком раскачивается из стороны в сторону. 

Этот тип машин до сих пор используется на предприятиях в некоторых странах. Однако такая конструкция ограничивает возможности формообразования, так как трудно контролировать толщину формуемой стенки изделий. Эта проблема вызвана тем обстоятельством, что нагрев формы неравномерен и интенсивнее он лишь в той части формы, которая в данный момент обращена к пламени горелки. Качательный процесс вместо полноценного вращательного значительно снижает мобильность порошкового сырья внутри формы. Сегодняшние рок-н-рольные машины для более эффективного использования энергии проектируются в виде горячевоздушных печей.

Горячевоздушные конвекционные печи.

Большинство современных ротоформовальных установок для нагрева вращающейся формы используют печи, в которых воздух разогревается за счет горения газа или нефтепродуктов. Каждый производитель предлагает печи собственной конструкции, тем не менее, во всех конструкциях заложен базовый принцип разогрева воздуха с использованием горелки, размещенной рядом с печью, и последующей подачи разогретого воздуха в герметичную камеру печи, где он циркулирует и, отработав, покидает камеру через выводной тракт.
Эффективность работы печи зависит от скорости потока горячего воздуха и от траектории его циркуляции. Существует много исполнений установок ротационного формования с применением горячего воздуха. Чаще всего для двухосного вращения формы используются конические передачи или цепные приводы с прямыми или коленчатыми рычагами. Подобные машины также различаются по способам подачи вращающихся форм из печи в камеру охлаждения и на позицию разгрузки/загрузки.

Машины челночного типа.

В этих установках для перемещения форм используются короткие прямонаправленные рельсы. Одним из преимуществ данной конструкции является полная независимость между собой периодов нахождения формы в печи, камере охлаждения и позиции загрузки/разгрузки. Таким образом, для каждой из стадий легче обеспечить оптимальное время протекания процесса. Кроме того, такое исполнение установки ротационного формования занимает меньше всего места по сравнению с другими конструкциями машин. Однако эти установки пригодны только для небольших производственных заданий. Время цикла здесь велико, так как две из трех рабочих позиций «остаются без дела», пока форма находится на третьей.

Другое исполнение возвратно-поступательных машин имеет в конструкции вращающийся рычаг. В этом случае форма закреплена на конце рычага, который может поворачиваться туда-сюда в диапазоне 90°. Когда рычаг находится в положении 0°, форма находится в печи, в 45° - форма оказывается на позиции загрузки/разгрузки, а в 90° - форма попадает в камеру охлаждения. Усовершенствованные конструкции прямолинейных возвратно-поступательных установок отличаются от традиционных тем, что у них печь расположена по центру, в то время как позиции охлаждения и загрузки/разгрузки находятся по обеим сторонам от печи. Такая конструкция требует двух тележек с формами - пока один комплект находится в печи, другой либо на позиции охлаждения, либо на позиции загрузки/разгрузки. Естественно, что взаимное расположение тележек с формами может быть изменено на обратное.

Установки карусельного типа.

Конструктивным развитием однорычажной поворотной установки является конструкция с тремя рычагами с углом поворота карусельной оси 360°. Таким образом, при том, что зона загрузки в позиции 0°, печь - 120°, а зона охлаждения - 240°, появляется возможность одновременного выполнения операций нагрева формы, ее охлаждения, загрузки/разгрузки. Преимущество такого построения установки заключается в том, что если один комплект форм проходит все стадии ротоформования за 30 минут, то каждые 10 минут в зону загрузки/разгрузки будут поступать отформованные изделия.

Несмотря на то, что, по всей видимости, этот тип машин является самым распространенным из всех используемых сегодня установок, у этого оборудования есть недостаток в конструкции, связанный с тем, что рычаги зафиксированы. Это приводит к тому, что, например, приходится прекращать охлаждение при прекращении нагрева, так как все три рычага должны поворачиваться на 120° одновременно.

Существуют также четырехрычажные установки, которые часто называют башенными. Эти системы обычно имеют одну печь и две зоны охлаждения из расчета, что большая часть цикла приходится именно на процесс охлаждения. Известны и другие исполнения четырехрычажных установок. Например, есть установки с двумя позициями загрузки/разгрузки форм, что необходимо для такой продукции, где велики трудозатраты по извлечению готовых изделий из формы или по загрузке сырья в форму. Точно так же можно заказать исполнения ротоформовочного оборудования, где могут быть установлены две печи, для случаев, когда время нагрева доминирует во всем рабочем цикле.

А в брошюрах фирм-производителей можно встретить и упоминание пятирычажных машин. Как и в случае четырехрычажных машин, производители готовы предложить самые разные комбинации/количества печей или камер охлаждения в зависимости от конкретных потребностей заказчика.
Конструктивным логическим шагом стало создание карусельных установок с независимыми рычагами. Такие рычаги уже более не связаны жестко друг с другом, и в то время как один вытаскивает форму из печи в оптимальное время, другие остаются на позиции охлаждения и загрузки/разгрузки в зависимости от постановки процесса. Форма в сборе сначала выводится из печи и переводится в позицию ожидания, где она продолжает вращаться при естественной температуре цеха. Далее формы с позиции загрузки следуют в печь. А формы с позиции разгрузки попадают на позицию загрузки, оставляя место для перемещения форм из камеры охлаждения на позицию извлечения готовых изделий. И, наконец, формы, находящиеся в позиции ожидания, могут проследовать в камеру охлаждения. Время прохождения каждой позиции везде свое и не зависит от «соседних» подциклов. В этом случае рычаги все равно движутся в заданной последовательности по отношению друг к другу, учитывая, что определенная операция ротационного формования не может производиться без завершения предшествующей.

Установки «морские раковины».

Это особый тип машин, в которых нагрев и охлаждение осуществляется в одной и той же камере. Обычно форма устанавливается на горизонтальную ось. Когда форма наполнена порошкообразным полимером, верхняя половина печи закрывается наподобие раковины моллюска, и горячий воздух подается в камеру для нагрева вращающейся формы. В конце стадии нагревания холодный воздух и/или распыляемая вода направляется на форму, охлаждая ее до заданной температуры. Эта машина также занимает мало места в цехе.

Перспективный бизнес.

Итак, из вышесказанного становится очевидным, что установки ротационного формования не имеют общих конструктивных корней с другими видами полимерного оборудования, такими как машины для литья под давлением, выдувные установки, экструдеры, которые состоят из множества общих конструктивных элементов - взять хотя бы узел пластификации (цилиндр шнека).

Ротоформовочные машины также выделяются многообразием конструктивных исполнений, каждому из которых свойственны разные производительность и возможности формообразования. Очевидно, что конкретный тип ротоформовочной установки выбирается исходя из стоящей производственной задачи (номенклатура, размер и форма изделий, программа их выпуска и т. д.), производственных ресурсов (материальных и человеческих), а также от планов дальнейшего развития производства в рамках стратегического маркетингового планирования. Чтобы пользователь мог подобрать оборудование точно под свои нужды и не платил лишних денег, производители предлагают определенный типоразмерный ряд для каждого типа выпускаемых ими установок ротационного формования.

Стоимость ротационного оборудования зависит как от требуемой производительности, так и от габаритных размеров и сложности изготавливаемых изделий. Например, самая недорогая установка челночного типа российского производства со сферой вращения (ориентировочно диаметр сферы вращения формы соответствует максимальному линейному размеру изделия) формы 1,5 метра обойдется примерно в 90-100 тыс. долларов. А самая дорогая установка - широкоуниверсальная пятикомпозиционная с четырьмя автономными (независимыми) модулями вращения формы, с четырехметровым диаметром сферы вращения - может перевалить по стоимости отметку в 350 тыс. долларов.

Естественно, что приведенные суммы уже включают в себя затраты на монтаж и пусконаладочные работы. Отметим, что ротоформовочные установки западных производителей обойдутся минимум в полтора-два раза дороже, учитывая, что российские установки практически не имеют узлов и деталей иностранного производства - формы, и те производятся в России. Тем не менее, если приведенный порядок цен кому-то может показаться слишком большим, то стоит задуматься над уже упоминавшимися в статье факторами.

Во-первых, рентабельность ротационно-формовочного производства выше по сравнению с производством, где для изготовления такого же изделия используется метод выдувного формования. Таким образом, и окупаться ротоформовочное оборудование будет быстрее.

Во-вторых, крупногабаритные изделия другим методом формования не получить.

Ну и, в-третьих, ротоформовочное производство - перспективный для России бизнес, учитывая, что все российские предприятия, выпускающие продукцию этим методом, можно пересчитать по пальцам. Территория нашей страны огромна, и возить пустотелые баки на большие расстояние так же не выгодно, как и транспортировать воздух. А продукция востребована везде - от Мурманска до Петропавловска-Камчатского. Везде нужны и пластиковые дорожные заграждения, и многолитровые баки, и, простите, голубые уличные туалеты.

При подготовке статьи были использованы данные компаний «Ротопласт», и инф. портала Borealis Group.

Опубликовано в журнале «Эксперт оборудование» №01 (73) 2003

 

Наверх
Заказать звонок
X
У Вас есть вопросы?
Оставьте свои контакты, и мы перезвоним вам!