Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Verfahren zur lokalen aktiven Kühlung im Thermoformen für eine verbesserte Wanddickenverteilung der resultierenden Formteile

Bis zu 90 % der Kosten einer thermogeformten Verpackung sind auf die Rohstoffkosten zurückzuführen. Da im Thermoformen Halbzeuge mit einer homogenen Dicke unterschiedlich stark verstreckt werden, ist eine inhomogene Wanddickenverteilung für die hergestellten Bauteile charakteristisch. Die Bereiche dünner Wanddicken weisen die geringsten mechanischen Bauteileigenschaften auf, so dass das gesamte Bauteil üblicherweise auf diese Dicke ausgelegt wird und alle anderen Bereiche überdimensioniert werden. Um bei gleichbleibenden Eigenschaften das Bauteilgewicht zu verringern, bietet daher ein lastgerechter Dickenverlauf großes Potenzial.

In diesem Projekt wird ein Verfahren zur Halbzeugtemperaturprofilierung durch lokale Kühlung entwickelt. Durch gezielt eingebrachte Temperaturunterschiede lässt das Verformungsverhalten hinsichtlich einer lastgerechten Wanddickenverteilung einstellen. Nach der Entwicklung der Anlagentechnik wird durch eine Prozessparameterstudie ein Leitfaden zur gezielten Prozesseinstellung beschrieben. Darüber hinaus wird ein Modell zur Umformsimulation erarbeitet, um eine effiziente Auslegung der Temperierung zu ermöglichen. Die Temperaturprofilierung wird erstmals durch ein Temperieraggregat eingestellt, welches optional mittels Kontakt oder Konvektion kühlt und in oder unmittelbar vor der Kavität positioniert ist. Auf diese Weise lassen sich die Temperaturprofile mit hohen Temperaturgradienten exakt zur Kavität ausrichten, womit wesentliche Grenzen bestehender Ansätze zur Temperaturprofilierung erweitert werden. Schlussendlich kann durch das zu entwickelnde Verfahren der Materialverbrauch beim Thermoformen deutlich gesenkt werden. Da durch entsprechende Erweiterungen sich die Verfahrenstechnik zur Temperaturprofilierung auch in bestehenden Anlagen integrieren lässt, bieten die Ergebnisse dieses Projekts insbesondere für KMU einen kostengünstigen Einstieg in die Temperaturprofilierung.

Ergebniszusammenfassung:

Zur Anpassung der Wanddickenverteilung wurde der Einsatz einer aktiven lokalen Folienkühlung im

Thermoformen an Becherformteilen erprobt. Das lokale Abkühlen der Folie zielt darauf ab, die

Verstreckwiderstände der Folie so zu beeinflussen, dass die sonst inhomogene Wanddickenverteilung der

Formteile vergleichmäßigt wird. Die Kühlstempel, die den klassischen Vorstreckstempel ersetzen, sind mittels

Kohlenstoffdioxid gekühlt und erreichen Kühlstempeltemperaturen von 10 °C bzw. 20 °C. Die Kühlstempel

entziehen der Folie durch Kontakt lokal Wärme, sodass gekühlte Bereich der Folie weniger verstreckt werden als

Bereiche, die eine höhere Folientemperatur aufweisen. Da die Temperaturausgleichsvorgänge in der Folie

langsamer ablaufen als die Umformung, müssen Kühl- bzw. Verzögerungszeiten bis zum Einsetzen der Formluft

vorgesehen werden.

Numerische Simulationen sowie praktische Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Anpassung der

Wanddickenverteilung durch den Einsatz der lokalen Kühlung möglich ist. Die Ausprägung der

Wanddickenverteilung der Formteile kann besonders durch die Kühlstempelgeometrie sowie die Kontaktzeit

zwischen Folie und Kühlstempel beeinflusst werden. Bei der Durchführung der Versuche konnte bei Verwendung

eines Becherformteils mit 60 mm Durchmesser, einer Tiefe von 40 mm sowie einer Entformungsschräge von 4°

die Wanddickenverteilung mit einem Kühlstempeldurchmesser von 30 mm homogenisiert werden. In Abhängigkeit

weiterer Prozesseinstellungen wie Kühlzeiten oder der Folientemperatur ist die Wanddickenverteilung weiter in

ihrer lokalen Ausprägung einstellbar. Eine globale Änderung der Wanddickenverteilung wird jedoch hauptsächlich

über die Änderung des Kühlstempeldurchmessers erzeugt. Eine Übertragung der Erkenntnisse auf weitere

Geometrien ist unter Berücksichtigung des Foliendurchhangs durch die Gravitation möglich.

Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.