Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Optimierung der Stempelverstreckung im Thermoformen zur Steigerung der Materialeffizienz

Bei der Produktion von Kunststoffverpackungen steht die Materialeinsparung im Fokus, da bis zu 90 % der Kosten eines thermogeformten Bauteils auf die Rohstoffkosten zurückzuführen sind. Im Thermoformen ist eine inhomogene Wanddickenverteilung für die hergestellten Bauteile charakteristisch. Dabei weisen i. d. R. die Bereiche dünner Wanddicke die geringsten qualitätsrelevanten Eigenschaften auf, sodass das gesamte Bauteil auf diese Dicke dimensioniert wird und alle anderen Bereiche entsprechend überdimensioniert werden. Beim Negativthermoformen werden Vorstreckstempel zur Homogenisierung der Wanddickenverteilung eingesetzt. Die Interaktion zwischen Stempel und Halbzeug wird von einer Vielzahl unterschiedlicher Effekte wie z. B. der temperaturabhängigen Reibung oder der Wärmeübertragung zwischen Stempel und Halbzeug beeinflusst. Aufgrund der Komplexität der sich überlagernden Einflüsse gestaltet sich eine genaue Beschreibung der Einzeleinflüsse als sehr schwierig. Daher ist der Auslegungsprozess neuer Stempel bislang durch ein langwieriges, iteratives Vorgehen geprägt. In diesem Forschungsvorhaben wird ein physikalisches Modell zur Beschreibung der Stempel-Halbzeuginteraktion kalibriert. Durch die Kombination von „Pin on Disk“-Analysen, Auswertungen der am Stempel resultierenden Verstreckkraft sowie Umformanalysen in einem Sichtwerkzeug mit anschließender optischer Auswertung der Bauteilverformungen werden Haft- und Gleitreibungseffekte separat voneinander beschrieben. Damit werden die Zusammenhänge zwischen der Stempelgeometrie, dem Stempelwerkstoff sowie der Prozessparameter einerseits und der Wanddickenverteilung des geformten Produkts andererseits besser verstanden. Zusätzlich wird eine Regelung anhand des am Stempel resultierenden Kraftverlaufs aufgebaut. Durch diese Strategien können Kunststoffbauteile hinsichtlich einer lastgerechten Wanddickenverteilung ausgelegt und die Produktivität des Thermoformens gesteigert werden.

Ergebniszusammenfassung:

Beim Thermoformen beläuft sich der Materialkostenanteil thermogeformter Produkte auf bis zu 90 %. Eine materialeffiziente Produktion ist somit entscheidend für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. Eine Möglichkeit zur Steigerung der Materialeffizienz bietet das Homogenisieren von Wanddickenverteilungen. Dazu werden in der Industrie hauptsächlich Vorstreckstempel genutzt. Durch die Wahl verschiedener Vorstreckstempelgeometrien sowie die Wahl geeigneter Prozessparameter soll die Folie unterschiedlich verstreckt werden, sodass eine Anpassung der Wanddickenverteilung ermöglicht wird.

Zur Beeinflussung der Wanddickenverteilung wurden verschiedene Vorstreckstempel auf Basis einer Konstruktionsrichtlinie nach Schwarzmann konstruiert. In verfahrenstechnischen Untersuchungen wurden z.B. mittels statistischer Versuchsplanung die Einflüsse verschiedener Prozessparameter auf die Wanddickenverteilung der rotationssymmetrischen Becherbauteile ermittelt. Sowohl durch Änderung der Stempelwandschräge und des Kantenradius, als auch durch die Variation der Prozessparameter ist eine Homogenisierung der Wanddickenverteilung möglich. Weiterhin wurden zur Beurteilung der Stempel-/Halbzeuginteraktion Reibwertuntersuchungen durchgeführt. Durch die Betrachtung des Prozesses mittels Sichtwerkzeug und die ermittelte Wanddickenverteilung konnten jedoch die Ergebnisse der Reibwerterfassung in keinen Zusammenhang gebracht werden, sodass dort weitere Untersuchungen nötig sind. Durch Anpassung der Wanddickenverteilung kann bspw. bei Verwendung von Polystyrol die Foliendicke von 1,3 auf 0,8 mm bei gleichzeitig höheren mechanischen Eigenschaften der Becher (Topload-Stabilität) verringert werden. Bei der gewählten Becherkavität konnte weiterhin bestätigt werden, dass eine besonders homogene Wanddickenverteilung zu besseren mechanischen Eigenschaften führt. Die Einflüsse der Stempelgeometrie sowie der Prozesseinstellungen auf die Wanddickenverteilung wurden in einem Leitfaden zusammengefasst.