Porównanie formowania wtryskowego i rotacyjnego dla przemysłu tworzyw sztucznych

W dziedzinie produkcji części i produktów z tworzyw sztucznych, projektanci stają przed wieloma opcjami technologii formowania, gdzie kluczowymi czynnikami są koszty, jakość, wszechstronność i cykl produkcyjny. Podczas gdy formowanie wtryskowe od dawna dominuje jako podstawowa metoda produkcji, formowanie rotacyjne (zwane również rotomoldingiem) zyskuje na znaczeniu dzięki ciągłym innowacjom, stopniowo kwestionując supremację formowania wtryskowego.

Formowanie rotacyjne to unikalny proces formowania tworzyw sztucznych, w którym do formy wsypuje się z góry określona ilość proszku polimerowego lub żywicy. W przeciwieństwie do konwencjonalnych metod, formy do rotomoldingu są wysoce mobilne – umieszcza się je w komorze grzewczej, gdzie jednocześnie obracają się wokół dwóch prostopadłych osi. Ta ciągła rotacja zapewnia równomierne rozprowadzanie ciepła, pozwalając polimerowi równomiernie się stopić i pokryć wewnętrzną powierzchnię formy.

W przeciwieństwie do produktów formowanych wtryskowo, elementy rotomoldowane nie zawierają wewnętrznych punktów koncentracji naprężeń, co znacznie zwiększa ich odporność na ciśnienie i uderzenia, jednocześnie zmniejszając ryzyko pęknięć pod wpływem naprężeń. Po podgrzaniu forma jest chłodzona (zazwyczaj za pomocą wentylatorów lub chłodzenia wodą), aby zestalić polimer w pożądany kształt. Proces wyjmowania z formy jest stosunkowo prosty i nie wymaga skomplikowanych urządzeń mechanicznych.

Stanowiąc ponad 30% globalnie produkowanych produktów, formowanie wtryskowe pozostaje „koniem roboczym” produkcji. Jednak jego wymaganie drogiego sprzętu zazwyczaj sprawia, że jest ono opłacalne tylko w przypadku produkcji masowej, aby osiągnąć korzyści skali. Chociaż ma pewne wspólne zasady z rotomoldingiem, cechą charakterystyczną formowania wtryskowego jest jego zależność od wysokiego ciśnienia.

Proces rozpoczyna się od stopienia termoplastycznych granulek w podgrzewanym cylindrze. Ciśnienie hydrauliczne następnie wtłacza stopiony plastik do gniazda formy. Po schłodzeniu i utwardzeniu gotowy produkt jest wyrzucany, zwykle wymagając minimalnej obróbki końcowej. Pomimo pewnych podobieństw, oba procesy mają krytyczne różnice, które bezpośrednio wpływają na decyzje produkcyjne.

Formowanie rotacyjne wykorzystuje głównie polietylen (PE) – lekki, wszechstronny, nadający się do recyklingu polimer stanowiący około 30% wszystkich tworzyw sztucznych na świecie. Jego popularność wynika z niskich kosztów, łatwości przetwarzania, doskonałej izolacji elektrycznej, wytrzymałości, elastyczności i nietoksyczności. Chociaż polipropylen (PP), PVC i nylon są sporadycznie używane, są mniej powszechne.

Formowanie wtryskowe uwzględnia szerszy zakres termoplastów, w tym:

• ABS : Nieprzezroczysty termoplast znany z wytrzymałości i odporności na uderzenia, stosowany w obudowach elektroniki, częściach samochodowych i klockach LEGO.
• Polikarbonat (PC) : Przezroczysta, lekka, trwała alternatywa dla szkła do pokryć dachowych lub gogli ochronnych.
• Poliamid : Syntetyczny polimer na bazie ropy naftowej, oferujący odporność na zużycie przy niskich kosztach.
• Polistyren : Lekki polimer syntetyczny ceniony za właściwości izolacyjne i ochronne w opakowaniach i budownictwie.

Formowanie wtryskowe przetwarza również polimery termoutwardzalne. Podczas gdy termoplasty można ponownie stopić i uformować, termoutwardzalne stają się trwale sztywne po utwardzeniu, zazwyczaj oferując większą wytrzymałość.

Formy wtryskowe – zwykle wykonane z drogiej stali nierdzewnej, stali P20 lub stali H13 – są trudne do modyfikacji po utworzeniu. Zmiany w projekcie często wymagają całkowitego złomowania i ponownego tworzenia narzędzi. Natomiast formy do rotomoldingu (zazwyczaj o grubości 2-3 mm) wykorzystują stal niskowęglową lub aluminium, ponieważ proces nie wymaga ciśnienia, co sprawia, że są one znacznie tańsze i łatwiejsze do modyfikacji.

Formowanie rotacyjne tradycyjnie wykonywało tylko 1-2 cykle na godzinę ze względu na wymagania dotyczące ogrzewania/chłodzenia, co ograniczało wydajność. Jednak formy ogrzewane elektrycznie i zrobotyzowane jednostki produkcyjne umożliwiają teraz szybsze i bardziej energooszczędne skalowanie. Chociaż poszczególne cykle pozostają wolniejsze niż w formowaniu wtryskowym, osiągnięcie etapu produkcji zajmuje zazwyczaj mniej czasu – czasami o kilka miesięcy szybciej niż projekty formowania wtryskowego.

Dzięki niższym kosztom form i materiałów, rotomolding okazuje się opłacalny w przypadku małych i średnich serii produkcyjnych, zmniejszając ilość odpadów w przypadku potrzeb o ograniczonej ilości. Formowanie wtryskowe doskonale sprawdza się w szybkiej produkcji masowej – pomimo wyższych początkowych kosztów form, koszty jednostkowe znacznie spadają w skali, co czyni je nieefektywnym w przypadku małych partii.

Formowanie rotacyjne oferuje wyjątkową swobodę projektowania, wytwarzając złożone kształty, rozmiary i cechy, których nie można osiągnąć innymi metodami. Jego stabilność wymiarowa obsługuje duże puste elementy, takie jak zbiorniki magazynowe, a także łatwo integruje wkładki, gwinty lub elementy dwuścienne. Proces tworzy bezszwowe elementy jednoczęściowe z mniejszą liczbą punktów naprężeń i niższym ryzykiem pęknięć.

Formowanie wtryskowe zapewnia wysoką precyzję w powtarzalnej produkcji masowej, osiągając projekty z dokładnością do ±0,001 cala z spójnymi wynikami w całym cyklu produkcyjnym.

Formowanie rotacyjne wyłania się jako jeden z najszybciej rozwijających się sektorów produkcji tworzyw sztucznych, szczególnie w obliczu rosnącego zapotrzebowania na produkty zrównoważone. Globalny rynek maszyn do rotomoldingu – wyceniony na 918,7 mln USD w 2023 r. – ma osiągnąć 1,32 mld USD do 2033 r. Obecnie stanowiąc 1-2% maszyn pakujących, udział ten ma gwałtownie wzrosnąć, ponieważ postęp technologiczny nadal zwiększa rentowność środowiskową procesu.