ซีรีส์ การขึ้นรูปพลาสติก
เทอร์โมฟอร์มมิ่ง (Thermoforming)
อุ่นแผ่นให้นิ่ม แล้วดูดหรือเป่าให้แนบแม่พิมพ์
ถาด แก้ว blister และ clamshell ส่วนใหญ่ไม่ได้ฉีด แต่ขึ้นรูปจากแผ่นพลาสติกที่รีดมาก่อน บทความนี้อธิบายรอบการผลิต ตัวแปรที่ต้องคุม ความต่างของ vacuum กับ pressure forming และปัญหาหน้างานที่พบบ่อย
ฝ่ายการตลาด บริษัท แอดวานซ์ เคม โซลูชั่น จำกัด · 21 ต.ค. 2569 · อ่านประมาณ 7 นาที
หลักการใน 1 นาที
เทอร์โมฟอร์มมิ่งเริ่มจากแผ่นพลาสติก ไม่ใช่เม็ด แผ่นถูกยึดด้วยกรอบ แล้วให้ความร้อนด้วยฮีตเตอร์อินฟราเรดจนนิ่มพอจะยืดได้ จากนั้นแผ่นถูกดึงเข้าหาแม่พิมพ์ด้วยสุญญากาศ ลมอัด หรือทั้งสองอย่าง แผ่นแนบผิวแม่พิมพ์ที่เย็นกว่า แข็งตัว แล้วตัดขอบออกเป็นชิ้นงาน
สิ่งที่ต่างจากการฉีดคือ ไม่มีการหลอมเหลวเต็มที่และไม่มีการไหลของเนื้อพลาสติก มีแต่การ ยืด แผ่นที่มีความหนาเท่ากันจึงกลายเป็นชิ้นงานที่ผนังหนาไม่เท่ากันโดยธรรมชาติ ส่วนที่ยืดมากจะบาง งานส่วนใหญ่ของช่างเทอร์โมฟอร์มคือการกระจายความหนาให้พอดี
- Vacuum forming ดูดอากาศออกระหว่างแผ่นกับแม่พิมพ์ แรงกดสูงสุดเท่ากับความดันบรรยากาศ (ประมาณ 1 bar)
- Pressure forming เพิ่มลมอัดหลาย bar จากด้านบน แผ่นแนบแม่พิมพ์แรงกว่า ได้มุมคมและลายผิวชัดกว่า
- Plug assist ลูกสูบรูปทรงใกล้ชิ้นงานดันแผ่นลงไปก่อน (pre-stretch) เพื่อพาเนื้อลงไปถึงก้นและมุมของแม่พิมพ์ตัวเมีย
ขั้นตอนของรอบการผลิต
- ป้อนและยึดแผ่น งาน thin gauge ป้อนแผ่นจากม้วน (roll-fed) เข้ารางโซ่ที่จับขอบแผ่น งาน heavy gauge ป้อนเป็นแผ่นตัด (cut sheet) ทีละแผ่นเข้ากรอบยึด
- ให้ความร้อน ฮีตเตอร์อินฟราเรดด้านบน ด้านล่าง หรือทั้งสองด้าน แบ่งเป็นโซนที่ตั้งกำลังแยกกันได้ แผ่นนิ่มลงและเริ่มหย่อนตัว (sag) เพราะน้ำหนักตัวเอง
- ขึ้นรูป แม่พิมพ์ขึ้นมาประกบหรือแผ่นเลื่อนลง plug assist ดันเนื้อลงไปก่อน แล้วเปิดสุญญากาศและ/หรือลมอัดให้แผ่นแนบผิวแม่พิมพ์ ขั้นนี้ใช้เวลาสั้นที่สุดในรอบ
- เย็นตัว แผ่นถ่ายความร้อนให้แม่พิมพ์ที่มีน้ำหล่อเย็น ชิ้นงานต้องแข็งพอจะไม่เสียรูปเมื่อปลดออก
- ปลดชิ้นงานและตัดขอบ งาน thin gauge มักตัดด้วยแม่พิมพ์ตัด (trim press) ในแม่พิมพ์หรือแยกสถานี งาน heavy gauge มักตัดด้วยเครื่อง CNC router เศษโครงแผ่นที่เหลือ (skeleton) ถูกส่งไปบด
รอบการผลิตส่วนใหญ่หมดไปกับ การให้ความร้อนและการเย็นตัว ไม่ใช่การขึ้นรูป ยิ่งแผ่นหนา สองขั้นนี้ยิ่งกินเวลา เพราะความร้อนต้องค่อยๆ ซึมเข้าไปถึงกลางเนื้อแผ่นและออกมาอีกครั้ง
ตัวแปรที่ต้องคุม
| ตัวแปร | คุมอะไร | ถ้าผิดจะเกิดอะไร |
|---|---|---|
| อุณหภูมิแผ่นและ profile ฮีตเตอร์รายโซน | ความนิ่มของแผ่นแต่ละจุด ซึ่งกำหนดว่าจุดไหนยืดมากหรือน้อย | ร้อนเกิน: sag มาก webbing ผิวเสีย · เย็นเกิน: ขึ้นรูปไม่เต็ม ผิวขาว (stress whitening) ชิ้นงานค้างความเค้น |
| เวลาให้ความร้อน | ความร้อนซึมถึงกลางเนื้อแผ่นหรือไม่ | ผิวร้อนแต่ไส้ยังเย็น ยืดไม่สม่ำเสมอ |
| ระดับและจังหวะ vacuum / ลมอัด | แรงที่กดแผ่นให้แนบแม่พิมพ์ | รายละเอียดไม่คม มุมไม่เต็ม ขนาดชิ้นงานคลาด |
| plug: ความลึก ความเร็ว อุณหภูมิ วัสดุ | ปริมาณเนื้อที่ถูกพาลงไปถึงก้นและมุม | ลึกไม่พอ: มุมบาง · plug เย็นเกิน: รอยด้าน (chill mark) ตรงที่ plug แตะ · เร็วเกินอาจทำให้แผ่นขาด |
| อุณหภูมิแม่พิมพ์และน้ำหล่อเย็น | ความเร็วเย็นตัว ความเงา การหดตัว | แม่พิมพ์ร้อนไม่เท่ากัน: ชิ้นงานบิด · เย็นเกิน: ผิวไม่เรียบ ความเค้นค้าง |
| คุณภาพแผ่น | ความหนาสม่ำเสมอ ความชื้น สัดส่วน regrind | แผ่นหนาไม่เท่ากันทำให้ผนังชิ้นงานไม่เท่ากัน PET ที่ชื้นเกิดฟองและขุ่น |
| ตำแหน่งการตัดขอบ | ขนาดและขอบชิ้นงาน | ขอบมีครีบ (burr) ฝุ่นจากการตัด ขอบแตกในวัสดุเปราะ |
อุณหภูมิอ้างอิงตามตำรา: แผ่นต้องร้อนเหนือ Tg สำหรับพลาสติก amorphous (PS ประมาณ 100 °C, PET ประมาณ 70–80 °C) และใกล้จุดหลอมสำหรับ PP (Tm ประมาณ 160–170 °C) ช่วงทั่วไป ให้ยึด TDS ของเกรดที่ใช้ ข้อสังเกตสำคัญคือ PP มีช่วงอุณหภูมิขึ้นรูปแคบกว่า PS มาก ร้อนไม่พอขึ้นรูปไม่ได้ ร้อนเกินนิดเดียวแผ่นหย่อนเร็ว
ชิ้นงานและเม็ดที่ใช้
อุตสาหกรรมแบ่งเทอร์โมฟอร์มมิ่งเป็นสองโลกที่ใช้เครื่องและเศรษฐศาสตร์ต่างกัน
| หัวข้อ | Thin gauge | Heavy gauge |
|---|---|---|
| ความหนาแผ่น | แผ่นบาง โดยทั่วไปต่ำกว่าราว 1.5 mm | แผ่นหนา โดยทั่วไปมากกว่าราว 3 mm |
| การป้อนแผ่น | ม้วน (roll-fed) ต่อเนื่อง | แผ่นตัดทีละแผ่น |
| ชิ้นงาน | แก้ว ถาดอาหาร กล่องฝาพับ (clamshell) blister ถาดใส่ชิ้นส่วน | ฝาครอบเครื่องจักร ชิ้นส่วนรถ อ่างอาบน้ำ พาเลท ป้าย |
| ปริมาณที่คุ้ม | สูงมาก หลายแม่พิมพ์ต่อรอบ | น้อยถึงกลาง |
เส้นแบ่งความหนาต่างกันตามแหล่งอ้างอิง ใช้เป็นแนวทางเท่านั้น
- PS / HIPS ขึ้นรูปง่าย ช่วงอุณหภูมิกว้าง ใช้มากในแก้ว ถาด และฝา
- APET / RPET ใส แข็ง ใช้ในกล่องฝาพับ blister และถาดผลไม้ ต้องคุมความชื้นและไม่ให้ร้อนเกินจนเกิดผลึกขุ่น
- PP ทนความร้อน เข้าไมโครเวฟได้ ทนสารเคมี แต่ช่วงอุณหภูมิขึ้นรูปแคบ เกรดแผ่นมักใช้ nucleating agent หรือ clarifier เพื่อความใสและความแข็ง
- PE (HDPE) และ ABS, PMMA พบมากในงาน heavy gauge ที่ต้องการความเหนียวหรือผิวสวย
แผ่นทุกชนิดผลิตจาก การรีดแผ่น (sheet extrusion) ก่อน จึงต้องการเม็ดที่ MFI ต่ำกว่าเกรดฉีด เพื่อให้แผ่นมี melt strength พอที่จะไม่หย่อนเร็วเกินไปเมื่อถูกอุ่น
ปัญหาที่พบบ่อย
ปัญหาส่วนใหญ่ในเทอร์โมฟอร์มมิ่งแก้ที่กระบวนการและแม่พิมพ์ ไม่ใช่ที่สูตร ตารางนี้บอกตรงๆ ว่าข้อไหนสารเติมแต่งช่วยได้และข้อไหนไม่ได้
| อาการ | สาเหตุที่เป็นไปได้ | วิธีตรวจ | สารเติมแต่งช่วยไหม |
|---|---|---|---|
| Webbing (เนื้อพับเป็นครีบที่มุม) | แผ่นร้อนเกินจน sag มาก draw ratio สูง ชิ้นงานหลายช่องอยู่ชิดกันเกินไป | ดูตำแหน่งที่พับซ้ำๆ เทียบกับโซนฮีตเตอร์และระยะห่างช่องแม่พิมพ์ | ไม่ใช่ทางแก้หลัก แก้ด้วยการลดความร้อนโซนนั้น web catcher หรือ plug และปรับแม่พิมพ์ |
| มุมก้นบาง | แผ่นแตะผนังก่อนแล้วหยุดยืด เนื้อไปไม่ถึงมุม รัศมีมุมเล็ก | ตัดชิ้นงานวัดความหนาเป็นจุดๆ ตามแนวผนังลงไปถึงมุม | ไม่ใช่ แก้ด้วย plug assist profile ความร้อน และรัศมีมุม |
| ผนังหนาไม่เท่ากัน | ความร้อนรายโซนไม่สม่ำเสมอ แผ่นหนาไม่เท่ากันตั้งแต่การรีด ฮีตเตอร์บางตัวเสีย | วัดอุณหภูมิผิวแผ่นด้วยกล้องอินฟราเรด วัดความหนาแผ่นก่อนขึ้นรูป | ไม่ใช่ แก้ที่ฮีตเตอร์และการรีดแผ่น |
| ผิวขาวที่จุดยืดมาก (stress whitening) | ขึ้นรูปตอนแผ่นเย็นเกิน โดยเฉพาะเกรดที่มียาง เช่น HIPS และ PP copolymer | ดูว่าขาวเฉพาะจุดยืดมากหรือไม่ ลองเพิ่มความร้อนโซนนั้น | ส่วนใหญ่ไม่ใช่ แก้ที่อุณหภูมิแผ่น |
| ผิวขุ่นเป็นฝ้า (blushing / haze) | APET ร้อนเกินจนเกิดผลึก แผ่นชื้น แม่พิมพ์เย็นไม่เท่ากัน PP ที่ไม่มี clarifier | เทียบความขุ่นกับอุณหภูมิแผ่นและความชื้นแผ่น | ใน PP ใช่: clarifier/nucleating agent ช่วยความใส ดู โซลูชันผลึกใน PP · ใน APET แก้ที่ความร้อนและการอบแห้ง |
| ชิ้นงานบิด (warpage) | เย็นตัวไม่เท่ากัน ปลดชิ้นงานตอนยังร้อน ความเค้นค้างจากการขึ้นรูปเย็น | วางชิ้นงานบนพื้นราบหลังเย็น 24 ชั่วโมง เทียบกับอุณหภูมิแม่พิมพ์แต่ละจุด | บางส่วน: ใน PP nucleating agent ทำให้การหดตัวสม่ำเสมอขึ้น แต่ต้องแก้การหล่อเย็นก่อน |
| ถาดดูดฝุ่น ซ้อนกันแล้วแยกยาก | ไฟฟ้าสถิตบนผิวแผ่น ผิวเสียดทานสูง | สังเกตฝุ่นเกาะหลังตัดขอบ วัดค่าความต้านทานผิว | ใช่: antistatic ในแผ่น ดู โซลูชันไฟฟ้าสถิต · slip ช่วยการแยกแก้วที่ซ้อนกัน (denesting) ดู slip และ antiblock |
เศษโครงแผ่น (skeleton) และการรีไซเคิล
เทอร์โมฟอร์มมิ่งสร้างเศษมากกว่ากระบวนการส่วนใหญ่ เพราะเนื้อแผ่นระหว่างช่องและขอบที่ใช้ยึดต้องตัดทิ้งทุกรอบ เศษนี้ถูกบดและป้อนกลับไปที่การรีดแผ่น สิ่งที่ต้องคุมคือ สัดส่วนที่คงที่ เพราะเนื้อที่ผ่านความร้อนซ้ำมีความหนืดลดลง สีเพี้ยน และความใสลดลง ถ้าสัดส่วน regrind แกว่ง แผ่นและชิ้นงานจะแกว่งตาม ถ้าใช้เม็ดรีไซเคิลจากภายนอกร่วมด้วย ดู โซลูชันเม็ดรีไซเคิล PCR
สารเติมแต่งในกระบวนการนี้
เครื่องเทอร์โมฟอร์มรับแผ่นที่ผลิตเสร็จแล้ว สารเติมแต่งทุกตัวจึงใส่ที่ เครื่องรีดแผ่น โดยผสม masterbatch กับเม็ดหลักที่ hopper ด้วยเครื่องโดสแบบชั่งน้ำหนัก (gravimetric) ตามค่าการเติม (let-down ratio) ที่ตั้งไว้ สารที่สำคัญในงานนี้:
- Antistatic สำหรับถาดบรรจุภัณฑ์และถาดใส่ชิ้นส่วน ชนิด migrating ต้องใช้เวลาเคลื่อนตัวขึ้นผิวหลังการผลิต งานที่ต้องการค่าคงที่ยาวนานต้องพิจารณาชนิด permanent
- Nucleating agent / clarifier สำหรับแผ่น PP ที่ต้องการความใส ความแข็ง และการหดตัวที่นิ่ง
- Slip ช่วยการแยกแก้วหรือถาดที่ซ้อนกัน
- UV stabilizer สำหรับงาน heavy gauge ที่อยู่กลางแจ้ง ดู โซลูชัน UV
- สีและ stabilizer สำหรับ regrind เมื่อสัดส่วนเศษบดสูง
สารที่ไหลขึ้นผิว (migrating) บางตัวอาจมีผลต่อการพิมพ์ การซีล หรือการติดฉลาก ควรทดสอบทั้งสายการผลิตก่อนเปลี่ยนสูตร ไม่ใช่ทดสอบเฉพาะแผ่น
FAQ
คำถามที่พบบ่อยเรื่องเทอร์โมฟอร์มมิ่ง
vacuum forming กับ pressure forming เลือกอย่างไร
vacuum forming ใช้ความต่างความดันได้ไม่เกินความดันบรรยากาศ แม่พิมพ์และเครื่องถูกกว่า เหมาะกับชิ้นงานที่ไม่ต้องการรายละเอียดคมมาก pressure forming เพิ่มลมอัดจากด้านบน จึงกดแผ่นแนบแม่พิมพ์ได้แรงกว่า ได้มุมคม ลาย texture และตัวอักษรชัดกว่า แต่ต้องใช้กล่องรับแรงดันและแม่พิมพ์ที่แข็งแรงขึ้น เครื่อง thin gauge จำนวนมากใช้ทั้งสองอย่างร่วมกัน
ทำไมมุมก้นถาดบางกว่าส่วนอื่น แก้อย่างไร
ในแม่พิมพ์ตัวเมีย แผ่นแตะผนังด้านข้างก่อนแล้วเย็นตัวและหยุดยืด ส่วนที่ยังร้อนต้องยืดต่อไปจนถึงมุมก้น มุมจึงบางที่สุด ทางแก้หลักอยู่ที่กระบวนการและแม่พิมพ์ ได้แก่ ใช้ plug assist ช่วยดันเนื้อลงไปก่อน ปรับ profile ฮีตเตอร์ เพิ่มรัศมีมุม และลด draw ratio ถ้าออกแบบได้
เติมมาสเตอร์แบตช์ที่เครื่องเทอร์โมฟอร์มได้หรือไม่
โดยทั่วไปไม่ได้ เพราะเครื่องเทอร์โมฟอร์มรับแผ่นที่ผลิตเสร็จแล้ว สารเติมแต่งและสีต้องใส่ตอนรีดแผ่น (sheet extrusion) ผ่าน hopper ของเครื่องรีด ยกเว้นสายการผลิตแบบ in-line ที่รีดแผ่นแล้วขึ้นรูปต่อเนื่อง ซึ่งก็ยังเติมที่เครื่องรีดเช่นกัน
เศษโครงแผ่นหลังตัดขอบนำกลับมาใช้ได้ไหม
ได้ โรงงานส่วนใหญ่บดเศษโครงแผ่น (skeleton) กลับไปผสมในการรีดแผ่น แต่ต้องคุมสัดส่วนให้คงที่ เพราะเนื้อที่ผ่านความร้อนซ้ำมีความหนืด สี และความใสเปลี่ยนไป PET ต้องอบแห้งก่อนรีดใหม่ และงานบรรจุภัณฑ์สัมผัสอาหารต้องตรวจข้อกำหนดของลูกค้าและกฎระเบียบที่เกี่ยวข้องก่อน
ข้อควรระวังทางเทคนิค
ค่าการเติม (let-down ratio) และข้อมูลทางเทคนิคในหน้านี้เป็นค่าอ้างอิงทั่วไป ไม่ใช่การรับประกันคุณสมบัติ ต้องยืนยันด้วยการทดลองในกระบวนการผลิตของคุณเองก่อนใช้งานจริง
