Extrusion 5-2019

Optimierung der Stempelvorstreckung im Thermoformen zur Steigerung der Materialeffizienz Aufgrund der immer steigenden Nachfrage von Nachhaltigkeit von Kunststoffbauteilen, insbe- sondere in Bezug auf Verpackungsprodukte, ist die Steigerung der Materialeffizienz im Thermo- formen durch Anpassung der Prozesstechnik von immer größerer Bedeutung. Neben der Ein- sparung an Material ist des Weiteren durch eine Optimierung der Wanddickenverteilung im Produkt eine Minimierung der benötigten Ener- gie sowie eine Reduzierung der Zykluszeit mög- lich, da weniger Material aufgeheizt bzw. abge- kühlt werden muss. Somit kann neben der Reduktion der Abfallmenge der gesamte Thermoformprozess effizienter betrieben werden [Ede14, Mos13, TB99]. Z ur Anpassung der Wanddickenverteilung existieren verschie- dene Ansätze. Neben der Möglichkeit zur Temperaturprofi- lierung, also dem Ausnutzen des stark temperaturabhängigen Materialverhaltens von Kunststoffen, werden insbesondere bei der Herstellung von Verpackungsprodukten im Negativformen Vorstreckstempel eingesetzt. Die Vorstreckstempel ziehen das Material in Bereiche, in denen ohne Verstreckhilfen Dünnstellen entstehen würden, die die Schwachstellen der Becher darstel- len. Da der gesamte Becher auf diese Dünnstelle hin dimensio- niert werden muss, werden die restlichen Bereiche überdimen- sioniert. Eine Anpassung der Wanddickenverteilung bzw. ein Aufdicken der Dünnstellen durch geringere Verstreckung führt zu besseren mechanischen Eigenschaften, wodurch rückwir- kend eine insgesamt dünnere Folie eingesetzt werden kann. Die sich durch den Einsatz von Vorstreckstempeln einstellende Wanddickenverteilung ist jedoch stark von der Stempelgeome- trie, der Prozessführung sowie vom Halbzeugmaterial abhängig aus dem die Becher hergestellt werden sollen [HM15, IS16]. Auslegung von Vorstreckstempeln im Thermoformen Zur Auslegung von Vorstreckstempeln im Thermoformen exis- tieren nur wenige Richtlinien. Diese sind des Weiteren sehr all- gemein gehalten und es werden keine Angaben zu der resultie- renden Wanddickenverteilung gemacht, da diese von vielen verschienden Faktoren abhängig ist. Zwar existieren zahlreiche Veröffentlichung zum Thermoformen mit Vorstreckstempeln mit den dazugehörigen Wanddickenverteilungen beim Einsatz verschiedener Stempelgeometrien, jedoch sind diese Geome- trien nicht direkt miteinander vergleichbar, sodass sich kaum 38 Thermoformen – Aus der Forschung Extrusion 5/2019 Bild 1: Ausgewählte Vorstreckstempel zur Analyse der sich einstellenden Wanddickenverteilung Gesetzmäßigkeiten ableiten lassen [CHM02, HW03, IS16, MCO13, MM10, MMH06, OMS+13]. Aus diesem Grund wird in einem Forschungsvorhaben am IKV die Stempelvorverstreckung weiter untersucht, um den Einfluss der Stempelgeometrie auf die Wanddickenverteilung genauer zu analysieren. Hierbei wird zunächst ein Vorstreckstempel nach Schwarzmann [IS16] konstruiert. Auf die Auslegungsvorschriften und das ge- naue Vorgehen sei auf die entsprechende Literatur sowie die Veröffentlichung [HB18] verwiesen. Ausgehend von diesem Stempel werden systematisch die Stempelwandschrägen und die Radien an der Stempelkante von der Seitenwand zum Sei- tenboden verändert. Die 4° Wandschräge sowie der 3 mm Ra- dius entsprechen dabei den Vorgaben aus der Konstruktions- vorschrift und basieren auf den geometrischen Abmessungen des Negativwerkzeugs und somit des Becherbauteils. Das ge- wählte Becherbauteil besitzt einen Öffnungsdurchmesser von 60 mm, eine Entformunsgschräge von 4° sowie eine Tiefe von 40 mm. Das verwendete Stempelmaterial ist ein syntaktischer Schaum (Typ: Hytac W, Hersteller: CMT Europe BV, Waalwijk/ Niederlande). Die ausgewählte Stempelgeometrien sind in Bild 1 dargestellt. Neben der systematischen Veränderung der Wandschräge und dem Radius werden Stempel untersucht, die größere Wand- schrägen aufweisen und am Stempel unten tangential in Ra- dien übergehen, sodass keine flachen Stempel mehr entstehen. Stempel, die unten eine Fläche aufweisen, werden im Folgen- den „flache“ Stempel genannt. Die anderen Stempel werden als „spitze“ Stempel bezeichnet. Neben den so entwickelten