Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung einer Methode zur anwendungsspezifischen Parametrierung der Formluft-Impact Technologie

Der jährliche europäische Kunststoffverbrauch lag 2016 bei 50 Mio. Tonnen (40 % Verpackungen). Um einen schonenden Umgang mit unseren natürlichen Ressourcen zu gewährleisten, besteht ein vielversprechender Ansatz in der Minimierung des notwendigen Materialeinsatzes bei gleichbleibender Funktionalität. Ein häufig eingesetztes Verfahren, z. B. zur Herstellung von Verpackungen ist das Thermoformen. Mit Hilfe des Thermoformens können insbesondere dünnwandige Formteile hergestellt werden, wobei sich diese durch erhebliche Materialdickenunterschiede auszeichnen. Aus diesem Grund besteht von Seiten der KMU-geprägten kunststoffverarbeitenden Industrie, sowie des Werkzeug- und Maschinenbaus der Bedarf nach innovativen Technologien zur Reduktion des Materialeinsatzes.

Im vorangegangenen Projekt (IGF: 18536 BG) wurde nachgewiesen, dass mit Hilfe der Formluft-Impact-Technologie (FIT) eine Erhöhung der lokalen Wanddicke um bis zu 190 % im Vergleich zu konventionellen Technologien erreicht werden kann. Auf Basis dieser Erkenntnisse ist das Hauptziel des vorgeschlagenen Forschungsprojektes eine Methode zur Parametrierung der Technologie und ein Konzept zur Integration von FIT in bestehende Maschinen zu entwickeln.

Dafür sind Produktklassen zu definieren, eine Datenbasis und Gesetzmäßigkeiten zwischen den Düsenkonfigurationen, zeitlich veränderlichem Temperaturprofil und Formteilqualität zu erarbeiten und verschiedene Ansätze zur Parametrierung zu verifizieren. Abschließend wird ein Konzept unter Berücksichtigung der industriellen Randbedingungen zur Umsetzbarkeit von FIT erstellt.

Die komplexen Zusammenhänge von Parametriermethoden, nichtlinearen Polymereigenschaften und Strömungsbedingungen erfordern eine fachübergreifende wissenschaftliche Zusammenarbeit, die von Seiten der KMU-geprägten Industrien nicht zu leisten ist. Es ist somit erforderlich, dass entsprechende Grundlagen durch interdisziplinäre Forschung erarbeitet und für die industrielle Anwendung aufbereitet werden.

Ergebniszusammenfassung:

In diesem Forschungsvorhaben wurde der neuartige Ansatz „Formluft-Impact-Technologie“ (FIT) weiterentwickelt. Im Vergleich zum Druckluft-Negativ-Verfahren herkömmlicher Thermoformprozesse, wird hierbei Formluft über Düsensysteme auf den Kunststoff aufgebracht und somit lokal abgekühlt. Das Ziel des Vorhabens war die Wechselwirkung zwischen Düsenparametern, Temperaturprofil im Halbzeug und der Wanddickenverteilung im Formteil zu verstehen und geeignete Parametrierungsansätze zu entwickeln. Hierzu wurden Thermoformwerkzeuge ausgelegt und ein experimenteller Versuchsaufbau aufgebaut, womit die zeitabhängige Folientemperatur und Wanddickenverteilung in Abhängigkeit von den Düsen- und Prozessparametern untersucht wurden. In Kombination wurde ein numerisches Simulationsmodell entwickelt. Mit Hilfe dieser Entwicklungen konnte gezeigt werden, dass FIT die Erzeugung verschiedener Temperaturprofile ermöglicht und darüber das Umformverhalten bzw. die Wanddickenverteilung hinsichtlich der Standardabweichung der Wanddickenverteilung und -homogenität signifikant beeinflusst werden kann. Weiterhin wurden drei Parametrierungsansätze entwickelt: ein numerischer, ein analytisch/experimenteller und ein Ansatz basierend auf maschinellem Lernen. Der Vergleich zeigt, dass alle Ansätze zur Findung optimaler Parameterkombinationen geeignet sind. Jedoch ist von zentraler Bedeutung, inwieweit die in den Ansätzen verwendeten Modelle die Wechselwirkung zwischen der FIT, Folie und Kavität wiedergeben. Zusammenfassend konnten wesentliche Erkenntnisse zur FIT und deren Wechselwirkung mit der Folie und der Parametrierung gesammelt, das erreichbare Potenzial der FIT quantifiziert und wesentliche Einflussparameter identifiziert werden. Diese Erkenntnisse flossen in ein Konzept zur Implementierung der Technologie in herkömmliche Maschinen und Prozesse ein. Gleichzeitig verbleiben offene Fragestellungen zur Anwendbarkeit auf weitere Materialien und Geometrien als auch zur Werkzeuggestaltung.