Profilierung der Halbzeugtemperatur zur Steigerung der Materialeffizienz beim Thermoformen
Jonathan Martens
Für thermogeformte Verpackungen sind die Materialkosten der Hauptkostentreiber. Die Verbesserung der Materialeffizienz ist daher aus ökonomischer aber auch aus ökologischer Sicht für thermoformende Unternehmen wichtig. Im Thermoformen werden Halbzeuge gleichmäßiger Dicke lokal unterschiedlich stark verstreckt, wodurch eine inhomogene Wanddickenverteilung der Formteile resultiert. Bauteile werden üblicherweise hinsichtlich der kritischen Wanddicken ausgelegt, die in der Regel an der dünnsten Stelle vorliegt, sodass andere Bereiche des Formteils überdimensioniert werden. Durch die gezielte Steuerung der Wanddickenverteilung eröffnet sich das Potenzial, bei gleichbleibenden Bauteileigenschaften die Halbzeugdicke zu verringern und Materialkosten einzusparen.
Eine Möglichkeit zur Verbesserung der Wanddickenverteilung ist die Temperaturprofilierung, bei der über der Oberfläche des Halbzeugs vor dem Umformschritt ein Temperaturprofil eingestellt wird. Das Wirkprinzip der Temperaturprofilierung beruht darauf, dass die Umformeigenschaften von Kunststoffen eine ausgeprägte Abhängigkeit von der Temperatur aufweisen. In dieser Arbeit wird ein Ansatz zur Temperaturprofilierung durch Masken entwickelt. Die Masken werden zeitweise während der Heizphase zwischen der Heizung und dem Halbzeug positioniert, sodass die Einstrahlzahlen zwischen diesen Komponenten lokal variiert werden.
Zur Beschreibung und Auslegung des Einflusses der Temperaturprofilierung wird das Halbzeug durch ein heuristisches Modell abstrahiert, wodurch die temperaturabhängigen Umformeigenschaften mit den lokalen Verstreckgraden des Formteils verknüpft werden. Entsprechend des mit dem heuristischen Modell berechneten Temperaturverlaufs werden die Randbedingungen der Heizung der Thermoformanlage angepasst. Experimentelle Untersuchungen belegen, dass die durch Masken resultierenden lokal unterschiedlichen Einstrahlzahlen zwischen der Heizung und dem Halbzeug den dominierenden Einfluss auf die resultierende Temperaturverteilung des Halbzeugs haben. Als Ergebnis der experimentellen Untersuchung des Aufheizprozesses mit Temperaturprofilierung werden konkrete Maßnahmen zur Prozessgestaltung und Prozessführung abgeleitet.
Zusätzlich zu den experimentellen Untersuchungen wird der Heizprozess mit Temperaturprofilierung in einer Finite-Elemente Simulation modelliert. Die Simulation ermöglicht einerseits die virtuelle Auslegung und Optimierung des Verfahrens der Temperaturprofilierung und andererseits die Bewertung zusätzlicher Konstellationen der Temperaturprofilierung.
