التشكيل الحراري - تقنية ناضجة لمعالجة البلاستيك ذات حيوية لا تصدق

التشكيل الحراري هو عملية تصنيع بلاستيك راسخة، ومع ذلك غالبًا ما يتم التقليل من شأنها أو يساء فهمها. دعونا نستكشف ذلك ونوضح إمكاناتها.

دوردان يتعاون مع نايكي في تصميم صندوق حذاء رياضي مُشكّل بالحرارة لحذاء رياضي من طراز SB Green Lobster

لمحة عامة

لقد أصبحت قوالب التشكيل الحراري أكثر تعقيدًا، ولكن تكلفتها تبلغ حوالي ربع تكلفة قوالب الحقن فقط.
وقد مكّن التقدم في الراتنجات ومواد الألواح والأدوات التشكيل الحراري من التوسع في تطبيقات جديدة.
يشير دوردان إلى أن هناك طلبًا متزايدًا على الصواني البلاستيكية المشكلة بالحرارة المحلية المستخدمة في التجميع الآلي.

يستمر التقدم في المواد والأدوات والتكنولوجيا في طمس الخطوط الفاصلة بين العمليات الأكثر ملاءمة لتطبيقات محددة. يُستخدم التشكيل الحراري لإنتاج مجموعة واسعة من المنتجات، بدءًا من العبوات خفيفة الوزن ذات الجدران الرقيقة إلى الألواح والأجزاء السميكة والكبيرة التي تخدم صناعات مثل السيارات والزراعة والبناء والطب والفضاء.

أساسيات التشكيل الحراري

يتضمن التشكيل الحراري استخدام التشكيل بالتفريغ أو التشكيل بالضغط. في عملية التشكيل بالتفريغ، يتم سحب صفيحة بلاستيكية مرنة ساخنة ومرنة نحو شكل القالب بواسطة ضغط التفريغ. وتوضح شركة Formed Plastics Inc. "نظرًا لأن الضغط يتم تطبيقه على جانب واحد فقط من الصفيحة البلاستيكية، فإن التشكيل بالتفريغ يستخدم عادةً للأجزاء ذات التصميمات البسيطة نسبيًا والحد الأدنى من الملمس."

وعلى النقيض من ذلك، يستخدم التشكيل بالضغط ضغط هواء إضافي لدفع الصفيحة البلاستيكية في القالب، على غرار التشكيل بالنفخ. ويشيرون إلى أن "الضغط المشترك على جانبي الصفيحة يخلق قوامًا غنيًا داخل القالب ويسمح بتكوين أشكال هندسية أكثر تعقيدًا لا يمكن أن يكررها التشكيل بالتفريغ". "إذا كان الجزء الخاص بك يتطلب قطعًا سفلية أو أنصاف أقطار ضيقة أو زخارف حادة، فإن التشكيل بالضغط غالبًا ما يكون الخيار الأفضل".

وتتمثل المزايا الرئيسية للتشكيل الحراري في تكاليف القوالب المنخفضة نسبيًا والقدرة على إنتاج كميات منخفضة من القوالب بشكل اقتصادي. هناك العديد من المواد المناسبة للتشكيل الحراري، بما في ذلك ABS، والأكريليك، والبولي كربونات، والكيديكس (أكريليك/بولي كلوريد الفينيل)، وبولي إيثيلين تيريفثاليت معدّل بالجليكول (PETG).

إعادة التفكير في التشكيل بالضغط

أسس جاي وادل، وهو خبير مخضرم في هذا المجال يتمتع بخبرة تزيد عن 40 عاماً، شركة شركة المفاهيم والابتكارات البلاستيكية المحدودة عام 1999. تتخصص شركته الاستشارية في التشكيل الحراري للصفائح الثقيلة/التشكيل الحراري. يعتقد واديل أن التشكيل بالضغط غالبًا ما يتم التقليل من شأن التشكيل بالضغط، خاصةً أنه يدخل الأسواق التي تهيمن عليها تقليديًا عملية التشكيل بالحقن. ويوضح قائلاً: "يوفر التشكيل بالضغط درجة عالية من المرونة في التصميم"، مشيرًا إلى أن المزيد من الشركات تتبنى التشكيل بالضغط اليوم مقارنة بما كان عليه الحال قبل 15-20 عامًا عندما كانت شركات قليلة فقط تستخدمه.

عادةً ما ينتج التشكيل الحراري للخدمة الشاقة قطعًا كبيرة، مما قد يؤدي إلى ارتفاع تكاليف الشحن. ونتيجة لذلك، غالبًا ما تكون الشركات التي تخدم هذه الأسواق إقليمية، حيث تتراوح عمليات الإنتاج من 500 إلى 10000 قطعة. تتنافس هذه العملية مع طرق التصنيع الأخرى، مثل التشكيل الدوراني والرغوة الهيكلية وتشكيل المعادن.

التطورات في قوالب التشكيل الحراري

كما أصبحت قوالب التشكيل الحراري أكثر تطورًا. ووفقًا لـ Waddell، تبلغ تكاليف القوالب حوالي 251 تيرابايت 3 تيرابايت من تكلفة قوالب الحقن، مما يوفر فوائد اقتصادية كبيرة، خاصةً بالنسبة للأعمال قصيرة المدى. ويقول: "لقد أصبح البلاستيك الطبي سوقًا رئيسيًا للتشكيل الحراري للخدمة الشاقة"، مشيرًا إلى منتجات مثل علب العرض وألواح المعدات. ويفضل مصنعو المركبات الترفيهية والقوارب والمعدات الزراعية والإنشائية الألواح البلاستيكية على المعدن بسبب متانتها وخفة وزنها، مما ساهم في تحقيق تقدم كبير في التشكيل الحراري للخدمة الشاقة في هذه القطاعات.

أدوات الحفز المضافة الحفازةحققت الشركة التي يقع مقرها في ويسترفيل بولاية أوهايو إنجازاً كبيراً في مجال تصنيع القوالب السميكة. وقد طوّرت الشركة التي أسسها داريل ستافورد وريك شيبكو، وكلاهما مهندس سيارات سابق في شركة هوندا، مواد خاصة تسمح لأجزاء القوالب المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد أن تدوم لآلاف الدورات.

الطباعة ثلاثية الأبعاد: صديق أم عدو؟

وينظر بعض مصنعي التشكيل الحراري للخدمة الشاقة إلى الطباعة ثلاثية الأبعاد بتشكك، خوفًا من أن تشكل تهديدًا لطلبات الشراء على المدى القصير. ومع ذلك، يرى واديل أنها تقنيات تكميلية. ويقول: "أعتقد أن مصنّعي التشكيل الحراري للخدمة الشاقة قد يرغبون في الاستثمار في الطابعات ثلاثية الأبعاد لوضع نماذج أولية سريعة وإجراء تعديلات دون الحاجة إلى العودة وإعادة العملية بأكملها قبل الإنتاج الكامل".

يسلط كونور كارلين، المدير الإداري لشركة Illig North America، وهي شركة ألمانية مصنعة للماكينات، الضوء على كيفية أن التطورات في الراتنج ومواد الألواح والأدوات قد سمحت للتشكيل الحراري بتلبية الطلب على الأجزاء فائقة الخفة ذات الخصائص الممتازة للحواجز، مما يوفر فوائد اقتصادية وبيئية. يشير كارلين أيضًا إلى أن أدوات التحكم في الماكينات أصبحت أكثر ذكاءً، حيث تتكيف مع بروتوكولات الصناعة 4.0.

استخدام rPET لحاويات الأطعمة المختلطة

تلتزم شركة Illig Maschinenbau GmbH & Co. KG منذ فترة طويلة بتطوير تكنولوجيا التشكيل الحراري للملصقات داخل القالب (IML-T). على مدار العامين الماضيين، عملت الشركة مع مجموعة PFF Group لتوفير آلات المعالجة التي تتيح إنتاج مفهوم جديد للتغليف الغذائي. ويسمح هذا النظام، المعروف باسم IMPAC-T، بإنتاج عبوات مختلطة من البولي إيثيلين تيريفثاليت (PET) المعاد تدويره مع تغليف البطاقات في عملية واحدة.

وتشير شركة PFF إلى أن استخدام البولي بروبيلين تيريفثاليت rPET يوفر فرصًا لصناعات مثل منتجات الألبان للانتقال من البولي بروبيلين التقليدي إلى التغليف الدائري الاقتصادي. كانت شركة ألستون ديري أول من تبنى عبوات IMPAC-T الجديدة لبعض منتجاتها من الزبادي. وتذكر شركة PFF أن عملية التصنيع المضمنة تستهلك طاقة أقل وتسمح بمستويات أعلى من البولي إيثيلين تيرفثالات البولي إيثيلين المعاد تدويره بعد الاستهلاك، مما يحقق محتوى معاد تدويره لا يقل عن 501 تيرفثالات البولي تيرفثالات البولي تيرفثالات مع إمكانية الوصول إلى 1001 تيرفثالات البولي تيرفثالات البولي تيرفثالات. تستخدم عبوات البطاقات ما يصل إلى 100% من نفايات ما بعد الاستهلاك، وتأتي جميع المواد الخام من منتجات الغابات المستدامة المعتمدة. يمكن للمستهلكين فصل البلاستيك والبطاقات بسهولة لإعادة تدويرها مرة أخرى، ويمكن إعادة استخدام هذه المواد في عبوات جديدة. يقال إن عملية IMPAC-T تقلل من البصمة الكربونية بمقدار 46% مقارنة بأنظمة التجميع الحالية.

يساعد وضع الملصقات داخل القالب للتشكيل الحراري (IML-T) على زيادة استخدام البولي إيثيلين تيرفثالات البولي إيثيلين تيرفثالات المعاد تدويره مقابل البولي بروبيلين في تطبيقات حاويات الأغذية. الصورة مقدمة من شركة Illig Maschinenbau GmbH & Co. KG.

مزايا التشكيل الحراري للتغليف ذي الجدران الرقيقة

يشير سفين إنجلمان، زميل كارلين، إلى أن التشكيل الحراري هو أحد أفضل العمليات لتحقيق أنحف سماكة الجدار مع قوة تحميل علوية عالية للتغليف الصلب ذي الجدران الرقيقة. ويضيف إنجلمان، الذي يشغل منصب رئيس قسم تكنولوجيا التغليف في شركة Illig Maschinenbau وعضو مجلس إدارة قسم التشكيل الحراري الأوروبي SPE:

توفر سماكة الجدران الرقيقة فوائد اقتصادية وبيئية.
تؤدي العمليات السريعة إلى مخرجات أعلى.
تكاليف قوالب التشكيل الحراري أقل من قوالب الحقن.
تتطلب معظم تطبيقات التشكيل الحراري نصف قالب فقط.

يشرح ستيف زامبريللي، نائب رئيس شركة فورميد بلاستيك، وهي شركة مقرها في لونغ آيلاند، نيويورك، ولها تاريخ يمتد إلى 77 عامًا، بعض مزايا التشكيل الحراري:

وعادةً ما تكون عملية منخفضة الإجهاد تنتج أجزاء أقوى مع قلق أقل بشأن الالتواء أو التشويه.
وقت أسرع للوصول إلى السوق، مع انخفاض تكاليف الأدوات في كثير من الأحيان، مما يسمح بإجراء تعديلات سهلة أثناء المعالجة الثانوية.
يمكنها ضبط سُمك جدار المادة واستخدام مواد متعددة على القالب نفسه.
يمكن للمصنعين إنتاج قطع أكبر بتكاليف أقل وكميات أقل.

دوردان الحد من تكاليف الأدوات وزيادة الإنتاجية

رسخت شركة Dordan Manufacturing Inc.، وهي شركة عائلية في وودستوك بولاية إلينوي يمتد تاريخها إلى 61 عامًا، مكانتها كشركة رائدة في التشكيل الحراري رقيق الجدران لمنتجات مثل أكواب المشروبات والأغطية وحاويات الطعام. يسلط تشاندلر سلافين بوند، كبير مسؤولي التسويق في شركة Dordan، الضوء على المزايا الكبيرة للتشكيل الحراري مقارنةً بالقولبة بالحقن، خاصةً في خفض تكلفة القالب وزيادة سرعة الإنتاج. وتقول: "بالمقارنة مع القولبة بالحقن، يوفر التشكيل الحراري وفورات كبيرة في تكاليف القوالب وتحسينات في الإنتاجية".

وبالإضافة إلى ذلك، تشير إلى أن التشكيل الحراري ثنائي الصفائح - وهي عملية تصنيع مكونات بلاستيكية مجوفة مزدوجة أو متعددة الطبقات - تكتسب زخمًا في سوق التشكيل بالنفخ الصناعي. "مثل القولبة بالحقن، تعتبر قوالب التشكيل الحراري ثنائية الصفائح أرخص من قوالب التشكيل بالنفخ ويمكنها إنتاج أشكال أكثر تعقيدًا."

وتضيف سلافين-بوند أيضًا أن عوامل الاقتصاد الكلي تدفع نمو مجال آخر من مجالات المنتجات: الصواني البلاستيكية المشكلة بالحرارة المستخدمة في التجميع الآلي للأجزاء. تُستخدم هذه الصواني الصلبة ذات الجدران الرقيقة لوضع المكونات بدقة على خطوط التجميع.

يمثل دور دور دوردان في التشكيل الحراري لصندوق حذاء نايك SB Green Lobster الرياضي مثالاً بارزًا على التغلب على قيود الإنتاج. قامت نايك بتسويق الحذاء الرياضي لعشاق ألواح التزلج، مستخدمةً موضوع جراد البحر وتصميم صندوق مُشكّل حرارياً يشبه حقيبة الصيد المستخدمة في القوارب التجارية. تميزت العلبة بلوحة أكريليك بسماكة 1/8 بوصة مصممة لتبدو وكأنها بحيرة متجمدة.

الاعتراف المتنامي بالتشكيل الحراري

على الرغم من هذه الابتكارات والتقدم، يشير واديل إلى أن الكثير من الناس لا يزالون لا يفهمون تمامًا قدرات التشكيل الحراري. "فهم لا يعرفون عن التشكيل بالصفائح المزدوجة أو التشكيل بالضغط، أو ما يمكن تحقيقه من خلال هذه العمليات. فهم يعتقدون أن كل شيء يجب أن يكون مصبوبًا بالحقن." ومع ذلك، مع استمرار قادة الصناعة مثل واديل وكارلين وإنجلمان وسلافين بوند في الترويج للتشكيل الحراري وقدراته المتنوعة، من المرجح أن يزداد الوعي بهذه التقنية.

للاطلاع على المزيد من الأمثلة على الأجزاء المُشكَّلة بالحرارة المبتكرة، اطلع على عرض شرائح بلاستيك توداي الذي يعرض بعضًا من الأجزاء الفائزة في قسم التشكيل الحراري التابع لقسم التشكيل الحراري SPE مسابقة الأجزاء التي تُعقد كل سنتين، والتي أقيمت خلال اجتماع الجمعية في كليفلاند في الفترة من 23 إلى 26 أكتوبر.