ترموفرمینگ یکی از قدیمی ترین روش های شکل دهی قطعات پلاستیکی است. تکنیک های تشکیل صفحات با استفاده از موادی مانند فلز، شیشه و الیاف طبیعی در اواسط دهه 1800 با تشکیل ورقه های نیترات سلولز ظاهر شد. اصولی که امروزه برای شکل دهی حرارتی اعمال می شود در طول جنگ جهانی دوم با پیشرفت هایی مانند سایبان هواپیما و اکریلیک سرچشمه گرفت. رشد پس از جنگ جهانی دوم با پیشرفت در مواد و کاربردهای جدید به طور چشمگیری افزایش یافت [1].

فرآیند ترموفرمینگ به سادگی شامل تبدیل مواد ترموپلاستیک به شکل دلخواه با استفاده از حرارت است. امروزه، ترموفرمینگ به طور گسترده ای برای تولید انواع محصولات پلاستیکی از بسته های نمایشگر باتری کوچک تا پانل های داخلی هواپیماهای بزرگ استفاده می شود. رایج ترین کاربرد ترموفرمینگ در صنعت بسته بندی است، اما کاربردهای زیادی در صنایع حمل و نقل، هوافضا، برق و الکترونیک، پزشکی، کالاها و لوازم مصرفی و ساخت و ساز دارد. [1][2].

بازار پلاستیک های ترموفرم شده در سال 2019 12.3 میلیارد دلار تخمین زده شد و انتظار می رود که بین سال های 2020 تا 2027 حدود 4.9 درصد رشد کند. برخی از مناطق بر بازار جهانی تسلط دارند، که از این میان آمریکای شمالی (ایالات متحده، کانادا و مکزیک) در اختیار دارد. رتبه اول با تقریباً 54 درصد درآمد تا سال 2019. سایر مناطقی که نقش مهمی در بازار جهانی گرماسازی دارند، آسیا اقیانوسیه (چین، ژاپن، هند) و اروپا (بریتانیا، آلمان، فرانسه و ایتالیا) هستند. [2].

در این مقاله با موارد زیر آشنا خواهید شد:

• ترموپلاستیک های مورد استفاده در ترموفرمینگ
• فرآیند ترموفرمینگ
• انواع ترموفرمینگ
• روندهای آتی ترموفرمینگ

شکل 1. مجموعه ای از قطعات ترموفرم شده مورد استفاده برای بسته بندی (ExportersIndia).

ترموپلاستیک های مورد استفاده در ترموفرمینگ

پلاستیک ها را می توان به دو گروه اصلی ترموپلاستیک ها و ترموست ها تقسیم کرد. ترموپلاستیک ها موادی هستند که می توانند گرم شوند، نرم شوند یا ذوب شوند، سپس شکل داده شوند، تشکیل شوند و در هنگام سرد شدن جامد شوند. ترموپلاستیک ها همچنین می توانند در معرض چرخه های متعدد گرمایش و سرمایش قرار گیرند بدون اینکه آسیب قابل توجهی ببینند.

از طرف دیگر، ترموست ها از گرما برای پخت مواد استفاده می کنند و نمی توانند نرم یا اصلاح شوند.

تقریباً 80 تا 90 درصد پلاستیک‌های مورد استفاده صنعتی را گرمانرم تشکیل می‌دهند و ترموپلاستیک‌ها موادی هستند که در فرآیند ترموفرمینگ استفاده می‌شوند. [1][3].

ترموپلاستیک های موجود در بازار که عموماً برای ترموفرمینگ استفاده می شوند عبارتند از:

فرآیند ترموفرمینگ

در فرآیند ترموفرمینگ، یک ورقه ترموپلاستیک تا دمایی گرم می شود که قابل انعطاف باشد. سپس روی قالب کشیده می شود و در حالی که سرد می شود و به شکل دلخواه جامد می شود در جای خود نگه داشته می شود. ورق ترموپلاستیک بسته شده و توسط یک کوره با استفاده از همرفت یا گرما گرم می شود تا زمانی که ذوب شود. به صورت افقی نگه داشته می شود و با استفاده از نیروی مکانیکی، فشار خلاء یا فشار هوا روی قالب کشیده می شود. مواد اضافی در قسمت بریده شده و قسمت تشکیل شده آزاد می شود. مواد اضافی را نیز می توان بازیافت کرد و در نتیجه تولید زباله کمتری داشت. این فرآیند را می توان در مراحل زیر شرح داد [1]:

شکل 2. مراحل فرآیند ترموفرمینگ

ترموفرمینگ در کنار اکستروژن، قالب‌گیری تزریقی و قالب‌گیری بادی یکی از چهار فرآیند اصلی موجود در صنعت پلاستیک محسوب می‌شود. مزیت اصلی ترموفرمینگ نسبت به روش های دیگر، سرعت تولید انبوه بالا و دوام محصولات به دست آمده است. [4].

انواع ترموفرمینگ

در طول فرآیند شکل دهی، از سه روش می توان استفاده کرد [5]:

• شکل دهی مکانیکی: ورق ترموپلاستیک با عمل مستقیم با استفاده از فشار هوا، به طور کلی با استفاده از یک پلاگین هسته برای فشار دادن ورق به داخل حفره وارد قالب می شود و به شکل دلخواه در می آید.
• شکل دهی خلاء: ورق گرم می شود و سپس از یک سیستم فشار خلاء برای مهر و موم کردن لبه های قالب به پلاستیک گرم شده بدون نشتی استفاده می شود.
• تشکیل فشار: فشار اضافی از طریق جعبه ای اعمال می شود که قالب را محصور می کند تا یک ناحیه ترموفرمینگ مقاوم در برابر فشار ایجاد شود.

بارزترین مزایای ترموفرمینگ عبارتند از ابزارها و قالب های مقرون به صرفه آن، زمان مناسب برای پردازش از طراحی تا نمونه اولیه، نسبت سطح به ضخامت زیاد، امکان پردازش قطعات بزرگ و چند لایه، و انتخاب متنوع ماشین آلات.

برخی از محدودیت ها عبارتند از ضخامت غیر یکنواخت دیوار، هزینه ساخت ورق، نیاز به پیرایش و هزینه مربوط به آن، محدودیت در هندسه قطعات، و انتخاب محدود ترموپلاستیک. [1][3].

روند آینده، رویداد آینده، روندی که در آینده پیش خواهد رفت

به طور گسترده ای شناخته شده است که فرآیند ترموفرمینگ فعلی از آزمون و خطا برای تعیین دمای گرمایش استفاده می کند که منجر به ضخامت غیر یکنواخت قطعات می شود. مدل‌سازی عددی ترموپلاستیک‌های گرمایشی موضوع تلاش‌های تحقیقاتی متعددی است که منجر به پیشرفت‌های بیشتر در فناوری‌های گرمایشی می‌شود. [6].

از سوی دیگر، پیشرفت‌های اضافی فناوری ترموفرمینگ بر رایج‌ترین کاربرد آن یعنی بسته‌بندی متمرکز خواهد بود. ترموفرمینگ پلاستیک ها برای برآورده کردن فرآیندهای بهبود یافته برای نگهداری و استریل کردن مواد غذایی تکامل خواهد یافت. [7].

شکل 3. یک دستگاه ترموفرمینگ خلاء.

[1] کلاین، پی دبلیو، اصول ترموفرمینگ پلاستیک، مورگان و کلیپول، 2009

[2] تحقیقات گراند ویو، “اندازه بازار پلاستیک گرما شکل، گزارش تجزیه و تحلیل سهم و روند بر اساس محصول (پلیمرهای تجزیه پذیر، پلی اتیلن، پی وی سی، PP)، بر اساس فرآیند، بر اساس برنامه، بر اساس منطقه، و پیش بینی های بخش، 2020 – 2027، https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/thermoformed-plastics-market (دسترسی در 21 فوریه 2020)

[3] Biron, M., Thermoplastics and Thermoplastic Composites, William Andrew, Elsevier, Oxford, United Kingdom, 2nd نسخه، 2013

[4] روزیاتو، دی دبلیو، کتابچه راهنمای قالب گیری تزریقیSpringer Science + Business Media, LLC, 3rd نسخه، نیویورک، ایالات متحده، 2000

[5] روزن، SN، بهبود عملکرد فرآیند، جامعه مهندسین تولید، میشیگان، ایالات متحده، 2002

[6] Ashter، SA، ترموفرمینگ ورقه‌های تک لایه و چند لایه، فناوری‌ها، آزمایش‌ها و کاربردهای فیلم‌های پلاستیکی، 2014، https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9781455731725000013 (دسترسی در 21 فوریه 2020)

[7] Gruenwald, G., Thermoforming, A Plastics Processing Guide, Technoming Publishing Company, 2nd نسخه، بازل، سوئیس، 1998