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Thermoformen in der Praxis - ILLIG Maschinenbau GmbH & Co. KG

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<strong>Thermoformen</strong><br />

<strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Praxis</strong><br />

2. Auflage


Peter Schwarzmann<br />

<strong>Thermoformen</strong><br />

<strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Praxis</strong><br />

2. Auflage


Der Herausgeber:<br />

Illig Masch<strong>in</strong>enbau <strong>GmbH</strong> & <strong>Co</strong>., Mauerstraße 100, 74081 Heilbronn, Deutschland<br />

Der Autor:<br />

Peter Schwarzmann, Illig Masch<strong>in</strong>enbau <strong>GmbH</strong> & <strong>Co</strong>., Heilbronn, Deutschland<br />

Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek:<br />

Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation <strong>in</strong> <strong>der</strong> Deutschen Nationalbibliografie;<br />

detaillierte bibliografische Daten s<strong>in</strong>d im Internet über abrufbar.<br />

ISBN: 978-3-446-40794-7<br />

Die Wie<strong>der</strong>gabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen,Warenbezeichnungen usw. <strong>in</strong> diesem<br />

Werk berechtigt auch ohne beson<strong>der</strong>e Kennzeichnung nicht zu <strong>der</strong> Annahme, dass solche<br />

Namen im S<strong>in</strong>ne <strong>der</strong> Warenzeichen- und Markenschutzgesetzgebung als frei zu betrachten<br />

wären und daher von je<strong>der</strong>mann benutzt werden dürften.<br />

Alle <strong>in</strong> diesem Buch enthaltenen Verfahren bzw.Daten wurden nach bestem Wissen erstellt<br />

und mit Sorgfalt getestet.Dennoch s<strong>in</strong>d Fehler nicht ganz auszuschließen.Aus diesem Grund<br />

s<strong>in</strong>d die <strong>in</strong> diesem Buch enthaltenen Verfahren und Daten mit ke<strong>in</strong>er Verpflichtung o<strong>der</strong><br />

Garantie irgende<strong>in</strong>er Art verbunden. Autor und Verlag übernehmen <strong>in</strong>folgedessen ke<strong>in</strong>e<br />

Verantwortung und werden ke<strong>in</strong>e daraus folgende o<strong>der</strong> sonstige Haftung übernehmen,die auf<br />

irgende<strong>in</strong>e Art aus <strong>der</strong> Benutzung dieser Verfahren o<strong>der</strong> Daten o<strong>der</strong> Teilen davon entsteht.<br />

Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt.Alle Rechte,auch die <strong>der</strong> Übersetzung, des Nachdruckes<br />

und <strong>der</strong> Vervielfältigung des Buches o<strong>der</strong> Teilen daraus, vorbehalten.Ke<strong>in</strong> Teil des<br />

Werkes darf ohne schriftliche E<strong>in</strong>willigung des Verlages <strong>in</strong> irgende<strong>in</strong>er Form (Fotokopie,<br />

Mikrofilm o<strong>der</strong> e<strong>in</strong>em an<strong>der</strong>en Verfahren), auch nicht für Zwecke <strong>der</strong> Unterrichtsgestaltung<br />

– mit Ausnahme <strong>der</strong> <strong>in</strong> den §§ 53, 54 URG genannten Son<strong>der</strong>fälle – reproduziert o<strong>der</strong> unter<br />

Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt o<strong>der</strong> verbreitet werden.<br />

© Carl Hanser Verlag, München 2008<br />

Herstellung: Steffen Jörg<br />

Satz: Manuela Tre<strong>in</strong>dl, Laaber<br />

<strong>Co</strong>verabbildung: Illig Masch<strong>in</strong>enbau <strong>GmbH</strong> & <strong>Co</strong>., Heilbronn<br />

<strong>Co</strong>verconcept: Marc Müller-Bremer, www.rebrand<strong>in</strong>g.de, München<br />

<strong>Co</strong>verrealisierung: Stephan Rönigk<br />

Druck und B<strong>in</strong>dung: Kösel, Krugzell<br />

Pr<strong>in</strong>ted <strong>in</strong> Germany


Vorwortzur 2. Auflage<br />

Der Erfolg <strong>der</strong> 1. Auflage, die auch <strong>in</strong>die Sprachen Englisch, Französisch, Ch<strong>in</strong>esisch und<br />

Russischübertragen wurde, die umfangreichen technologischen Verän<strong>der</strong>ungen <strong>in</strong> <strong>der</strong> Thermoformung<br />

und neue Anwendungen führtenzue<strong>in</strong>er<strong>in</strong>wesentlichen Teilen überarbeiteten<br />

un<strong>der</strong>weiterten2.Auflage. Die ursprüngliche Zielsetzung des Buches wurde durch den Autor,<br />

HerrnPeter Schwarzmann, konsequent weitergeführt.<br />

Heilbronn, im Oktober 2008 <strong>ILLIG</strong>Masch<strong>in</strong>enbau <strong>GmbH</strong> &<strong>Co</strong>. <strong>KG</strong>


Vorwortzur 1. Auflage<br />

Die Fertigungsverfahren <strong>der</strong> Thermoformung werden <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>in</strong>dustriellen Produktion <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em<br />

vorwenigen Jahrzehnten nochnicht für möglichgehaltenen Ausmaß angewandt.<br />

Neben den traditionellen Gebieten, <strong>der</strong> Vakuumformung von Platten für Displays, Kühlschränke<br />

o<strong>der</strong> Automobilteile hat sich das <strong>Thermoformen</strong> bei <strong>der</strong> Druckluftformung von<br />

Verpackungen e<strong>in</strong>en bedeutenden Marktanteil erobert. Ständig verbesserte Thermoplaste<br />

erlauben mit mo<strong>der</strong>nsten Masch<strong>in</strong>en und Werkzeugen e<strong>in</strong>e Steigerung <strong>der</strong> Mengenleistung<br />

bei gleichzeitig erhöhter Präzision <strong>der</strong> Formteile.<br />

Das ursprünglichmehr handwerkliche <strong>Thermoformen</strong> hat sichals Fertigungsverfahren etabliert,<br />

das wissenschaftliche Erkenntnisse <strong>der</strong> Werkstoffkunde, <strong>der</strong> Mess- und Regelungstechnik<br />

konsequent nutzt. Die Reproduzierbarkeit <strong>der</strong> Verfahrensparameter erlaubt den E<strong>in</strong>satz des<br />

Verfahrens <strong>in</strong> Hochleistungsanlagen für den <strong>in</strong>dustriellen E<strong>in</strong>satz.<br />

Neben zahlreichen Zeitschriftenveröffentlichungen werden die Grundlagen des <strong>Thermoformen</strong>s<br />

seit Jahrzehnten <strong>in</strong> Lehrgängen <strong>der</strong> <strong>ILLIG</strong> Masch<strong>in</strong>enbau <strong>GmbH</strong> &<strong>Co</strong>. <strong>KG</strong> vermittelt.<br />

Es fehlt jedoche<strong>in</strong>e zusammenfassende Darstellung <strong>der</strong> Grundlagen und Verfahren, die gleichzeitig<br />

den Studierenden und den bereits <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Praxis</strong> stehenden Ingenieuren und Technikern<br />

e<strong>in</strong>e E<strong>in</strong>führung <strong>in</strong> das Fachgebiet ist und das Grundwissen zur vertieften Behandlung von<br />

E<strong>in</strong>zelfragen vermitteln kann.<br />

Die aufgezeigteLückemit <strong>der</strong> genannten Zielsetzung zu schließen, ist das Anliegen des Buches<br />

„<strong>Thermoformen</strong> für die <strong>Praxis</strong>“.<br />

Neben den Thermoplasten werden alle Verfahrensschrittebeim <strong>Thermoformen</strong>, die wesentlichen<br />

Masch<strong>in</strong>entypen und Grundlagen für den Bau vonFormen und Werkzeugen umfassend<br />

geschil<strong>der</strong>tund mit <strong>Praxis</strong>beispielen erläutert.<br />

Die Entstehungsgeschichte dieses Buches ist eng mit <strong>der</strong> 50-jährigen Firmengeschichte <strong>der</strong><br />

Firma <strong>ILLIG</strong> verbunden. Dementsprechend ist e<strong>in</strong>eVielzahl vonAnregungen und Erfahrungen<br />

e<strong>in</strong>geflossen, für <strong>der</strong>en umfassende Darstellung dem Autor, HerrnPeter Schwarzmann me<strong>in</strong><br />

beson<strong>der</strong>er Dank gilt.<br />

Für die kritische Durchsicht des Manuskriptes, zahlreiche Verbesserungsvorschläge und Ergänzungendankeich<br />

dem langjährigen Leiter <strong>der</strong> Entwicklung und Konstruktion bei <strong>ILLIG</strong>,<br />

HerrnGünther Kiefer und HerrnProf. Dr.Günther Harsch.<br />

Herausgeber und Autorhoffen, dass „<strong>Thermoformen</strong> für die <strong>Praxis</strong>“ die E<strong>in</strong>arbeitung <strong>in</strong> das<br />

<strong>Thermoformen</strong> erleichtertund bei <strong>der</strong> Lösung vonProblemen e<strong>in</strong>e nützliche Hilfe ist.<br />

Heilbronn, im Januar 1997 Adolf Illig


Inhaltsverzeichnis<br />

Vorwortzur 2. Auflage ........................................................... V<br />

Vorwortzur 1. Auflage ..........................................................VII<br />

1 E<strong>in</strong>führung ...................................................................1<br />

2 Grundlagen und Begriffe im <strong>Thermoformen</strong>.....................................5<br />

2.1 Verfahrensablauf .........................................................5<br />

2.2 Positiv- und Negativformung ..............................................6<br />

2.3 Umformdruck, Ausformdruck, Ausformschärfe ..............................7<br />

2.4 Vorblasen, Vorsaugen, Druckausgleich, Belüften..............................9<br />

2.5 Formfläche, E<strong>in</strong>zugsfläche, Spannrand .................................... 10<br />

2.6 Nie<strong>der</strong>halter,Hochhalter ................................................ 11<br />

2.7 Entformungsschrägen................................................... 12<br />

2.8 Entlüftungsquerschnitte................................................. 13<br />

2.9 Markierungen, Schreckmarken, Abrisse ................................... 13<br />

2.10 Der Werkzeugsatz....................................................... 14<br />

2.11 Umform- und Verstreckungsverhältnis.................................... 15<br />

2.12 Faltenbildung beim <strong>Thermoformen</strong> ...................................... 16<br />

2.13 Verh<strong>in</strong><strong>der</strong>n<strong>der</strong> Faltenbildung ............................................ 18<br />

2.13.1 Verh<strong>in</strong><strong>der</strong>nvon Falten an Positivformen ........................... 18<br />

2.13.2 Verh<strong>in</strong><strong>der</strong>nvon Falten an Negativformen .......................... 19<br />

2.13.3 Verh<strong>in</strong><strong>der</strong>nvon Flächenfalten <strong>in</strong>folge starkenFoliendurchhangs. ..... 19<br />

2.14 Wanddickenberechnung................................................. 19<br />

3 ThermoplastischeHalbzeuge ................................................. 21<br />

3.1 Aufbau und Struktur <strong>der</strong> Thermoplaste................................... 21<br />

3.2 Aufnahme vonFeuchtigkeit im Halbzeug.................................. 22<br />

3.3 Reibverhalten beim <strong>Thermoformen</strong> ...................................... 23<br />

3.4 Verhalten beim Aufheizen ............................................... 24<br />

3.5 Ausdehnung und Durchhang ............................................ 26<br />

3.6 Umformtemperaturbereiche ............................................. 27<br />

3.7 Ausformschärfe ........................................................ 28<br />

3.8 Schrumpfung .......................................................... 29<br />

3.9 Schw<strong>in</strong>dung............................................................ 30<br />

3.10 Orientierung ........................................................... 32<br />

3.11 Statische Aufladung ..................................................... 33<br />

3.12 Folgen des viskoelastischen Verhaltens <strong>der</strong> Thermoplaste. ................... 33<br />

3.13 Abkühlverhalten........................................................ 35<br />

3.14 Toleranzen vonHalbzeugen.............................................. 35<br />

3.15 Herstellungsverfahren für thermoplastische Halbzeuge ..................... 36


X Inhaltsverzeichnis<br />

3.15.1 Herstellung vonFolien und Platten durch Extrudieren .............. 36<br />

3.15.2 Herstellen vonFolien auf Kalan<strong>der</strong>n. .............................. 37<br />

3.15.3 Gießen vonthermoplastischen Folien und Platten .................. 37<br />

3.15.4 Son<strong>der</strong>verfahren zur Herstellung vonthermoplastischen<br />

Halbzeugen..................................................... 38<br />

3.15.5 Veredlungsverfahren für thermoplastisches Halbzeug ............... 38<br />

3.16 Tabelle für den Thermoformer ........................................... 38<br />

3.17 Thermoplaste für das <strong>Thermoformen</strong> im Detail............................ 42<br />

3.17.1 Polystyrol (PS).................................................. 42<br />

3.17.2 Schlagfestes Polystyrol (PS-HI) ................................... 43<br />

3.17.3 Styrol-Butadien-Styrol-Blockcopolymer (SBS) ..................... 44<br />

3.17.4 OrientiertesPolystyrol (OPS)..................................... 45<br />

3.17.5 Acrylnitril-Butadien-Styrol-<strong>Co</strong>polymer (ABS) ..................... 46<br />

3.17.6 Acrylnitril-Styrol-Acrylester-<strong>Co</strong>polymer (ASA)..................... 47<br />

3.17.7 Styrol-Acrylnitril-<strong>Co</strong>polymer (SAN) .............................. 48<br />

3.17.8 Polyv<strong>in</strong>ylchlorid (PVC-U)........................................ 48<br />

3.17.9 Polyethylen hoher Dichte(PE-HD) ............................... 49<br />

3.17.10 Polypropylen (PP)............................................... 50<br />

3.17.11 ExtrudiertesPolymethylmethacrylat (PMMA)...................... 51<br />

3.17.12 Gegossenes Polymethylmethacrylat (PMMA) ...................... 53<br />

3.17.13 Polycarbonat (PC) .............................................. 54<br />

3.17.14 Polyamid (PA) .................................................. 55<br />

3.17.15 Polyethylenterephthalat, nicht kristallisierend(PET-G) .............. 56<br />

3.17.16 Amorphes Polyethylenterephthalat (APET) ........................ 57<br />

3.17.17 Kristallisierbares Polyethylenterephthalat (CPET). .................. 58<br />

3.17.18 Polysulfon (PSU). ............................................... 59<br />

3.17.19 EPE und EPP-Schaumfolien ...................................... 60<br />

3.17.20 Biokunststoffe .................................................. 61<br />

3.17.21 Halbzeuge mit Barriereschichten.................................. 61<br />

3.17.22 SonstigethermoformbareHalbzeuge .............................. 63<br />

4 Heizungstechnikenim<strong>Thermoformen</strong> –Allgeme<strong>in</strong>es........................... 65<br />

4.1 Strahlungsheizungen.................................................... 65<br />

4.1.1 Pr<strong>in</strong>zip <strong>der</strong> Wärmeübertragung durch Infrarotstrahlung ............ 65<br />

4.1.2 Durch Strahlung übertragbareWärmemenge....................... 67<br />

4.1.3 Auswirkung <strong>der</strong> Strahlergröße auf das Heizergebnis................. 69<br />

4.1.4 Gleichmäßiges Beheizen mit Strahlungsheizungen .................. 71<br />

4.1.5 Ausspiegeln und Temperieren vonSpannrahmen <strong>in</strong> Plattenmasch<strong>in</strong>en<br />

und Folientransporten<strong>in</strong>Rollenautomaten ........................ 72<br />

4.1.6 Auswirkung des Abstandes zwischen den Strahlern<br />

auf das Heizergebnis ............................................ 75<br />

4.1.7 Auswirkung <strong>der</strong> Transportschritteunter e<strong>in</strong>er langen Heizung ....... 76<br />

4.1.8 Überfahreffekt bei Strahlungsheizungen ........................... 77<br />

4.1.9 E<strong>in</strong>fluss <strong>der</strong> Kühlgebläse auf das Heizbild <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Plattenmasch<strong>in</strong>e ... 78<br />

4.1.10 E<strong>in</strong>fluss vonLuftzug ............................................. 78<br />

4.1.11 Keramik-, Quarzgut- und Hellstrahler im Vergleich................. 79


Inhaltsverzeichnis<br />

4.1.12 Die wesentlichen Unterschiede zwischen Keramik-, Quarz- und<br />

Hellstrahlern ................................................... 80<br />

4.2 Verbesserung <strong>der</strong> Reproduzierbarkeit vonHeizergebnissen <strong>der</strong><br />

Strahlungsheizungen.................................................... 83<br />

4.2.1 Die Problematik <strong>der</strong> Reproduzierbarkeit ........................... 83<br />

4.2.2 Kompensation <strong>der</strong> nicht bee<strong>in</strong>flussbaren Außene<strong>in</strong>flüsse<br />

auf den Heizprozess im Fall vonStrahlungsheizungen............... 85<br />

4.3 Kontaktheizungen ...................................................... 87<br />

4.4 Konvektionsheizungen .................................................. 87<br />

5 Heizungen<strong>in</strong>Plattenmasch<strong>in</strong>en .............................................. 89<br />

5.1 Grundlagen <strong>der</strong> isothermengeregelten Heizung ............................ 89<br />

5.1.1 Fachbegriffe .................................................... 89<br />

5.1.2 Details zur Temperaturregelung vonKeramikstrahlern .............. 92<br />

5.1.3 Vorteile vonpilotstrahlergeregelten Heizungen ..................... 92<br />

5.2 Joystickteilung des Heizbilds ............................................. 93<br />

5.3 Mehrstellungsschaltung ................................................. 94<br />

5.4 Strahlertemperaturregelung mit überlagerterProzent-Stellung .............. 96<br />

5.5 IR-Messe<strong>in</strong>richtungzur Temperaturmessung o<strong>der</strong> Steuerung <strong>in</strong> temperaturgeregelten<br />

Heizungen ................................................... 97<br />

6 Heizungen<strong>in</strong>Rollenautomaten ............................................... 99<br />

6.1 Allgeme<strong>in</strong>es............................................................ 99<br />

6.2 PilotstrahlergeregelteHeizungen<strong>in</strong>Rollenautomaten...................... 100<br />

6.2.1 Heizung mit Temperatur-Längsreihenregelung .................... 100<br />

6.2.2 Heizung mit Temperatur-Gesamtfeldregelung ..................... 101<br />

6.2.3 Heizungmit Querreihen-Bee<strong>in</strong>flussung........................... 102<br />

7 Beheizen vonmehrfarbigen und vorbedruckten Halbzeugen<br />

mit IR-Strahlungsheizungen................................................. 103<br />

7.1 Allgeme<strong>in</strong>es........................................................... 103<br />

7.2 Wahl <strong>der</strong> Infrarot-Strahler .............................................. 103<br />

8 Thermoformverfahren auf Plattenmasch<strong>in</strong>en................................. 105<br />

8.1 Positivformung........................................................ 106<br />

8.1.1 Positivformung mit mechanischem Vorstrecken ................... 106<br />

8.1.2 Positivformung mit Vorblasen ................................... 107<br />

8.1.3 Positivformung mit Vorblasen gegen e<strong>in</strong> Brett ..................... 110<br />

8.1.4 Positivformung mit Vorsaugen und Abrollen <strong>der</strong> Blase<br />

auf das Formwerkzeug .......................................... 111<br />

8.1.5 Positivformung mit Vorsaugen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>e Glocke ..................... 112<br />

8.1.6 E<strong>in</strong>satz vonEckenblasdüsen bei <strong>der</strong> Positivformung................ 113<br />

8.2 Negativformung ....................................................... 113<br />

8.2.1 Negativformung ohne Vorstreckstempel .......................... 113<br />

8.2.2 Negativformung mit Vorstreckstempel............................ 114<br />

8.3 Positiv-Negativ-Formung............................................... 116<br />

XI


XII Inhaltsverzeichnis<br />

8.4 Zweikammerverfahren (3K-Verfahren)................................... 117<br />

8.5 Tw<strong>in</strong>sheetformung..................................................... 119<br />

8.5.1 Allgeme<strong>in</strong>e Regeln für die Tw<strong>in</strong>sheetformung<br />

auf Serien-Thermoformmasch<strong>in</strong>en............................... 119<br />

8.5.2 Verfahrensablauf Tw<strong>in</strong>sheetformung,<br />

UA-Masch<strong>in</strong>e mit Handbeschickung ............................. 120<br />

8.5.3 Schweißnahtgestaltung für Tw<strong>in</strong>sheetteile......................... 124<br />

8.5.4 Masch<strong>in</strong>envarianten für die Tw<strong>in</strong>sheetformung.................... 125<br />

8.6 Klebekaschieren ....................................................... 126<br />

8.6.1 Allgeme<strong>in</strong>es ................................................... 126<br />

8.6.2 Kaschierverfahren .............................................. 127<br />

8.7 Herstellen vonglasklaren technischen Teilen.............................. 129<br />

8.7.1 E<strong>in</strong>flussfaktoren beim Formen vonglasklaren Teilen ............... 129<br />

8.7.2 Ausformen mit Skelettwerkzeugen ohne Formvakuum ............. 130<br />

8.7.3 Ausformen mit Vakuum ........................................ 130<br />

8.7.4 Verarbeiten vonPlatten mit Schutzfolie........................... 130<br />

8.7.5 Herstellen e<strong>in</strong>es Ziehteils mit e<strong>in</strong>er Wölbung ohne Formkontakt .... 131<br />

8.7.6 Werkstoffauswahl für das Formwerkzeug für das Formen<br />

vonglasklaren Teilen ........................................... 131<br />

8.7.7 Kühlzeiten beim Formen vonglasklaren Teilen .................... 132<br />

8.7.8 Verfahrensbeispiele –Herstellen vonglasklaren Teilen .............. 132<br />

9 Thermoformverfahren auf Rollenautomaten –Ausstanzen <strong>der</strong> Formteile<br />

mitBandstahlschnittl<strong>in</strong>ien .................................................. 135<br />

9.1 Pr<strong>in</strong>zipieller Ablauf <strong>in</strong> <strong>der</strong> Formstation .................................. 135<br />

9.1.1 E<strong>in</strong>transport<strong>der</strong> beheizten Folie <strong>in</strong> die Formstation................ 135<br />

9.1.2 Spannen <strong>der</strong>Folie für den Formprozess........................... 135<br />

9.1.3 Vorformen des Formteils........................................ 137<br />

9.1.4 Ausformen des Formteils........................................ 137<br />

9.1.5 Kühlen........................................................ 138<br />

9.1.6 Entformen .................................................... 138<br />

9.1.7 Austransport<strong>der</strong> geformten Teile ................................ 138<br />

9.2 Universal-Ablaufdiagramm für den Formungsablauf ...................... 138<br />

9.3 Masch<strong>in</strong>enausstattungen mit Auswirkung auf die Formungsverfahren<br />

und die Taktzeit ....................................................... 140<br />

9.4 Auswahl des richtigen Formungsverfahrens und des Werkzeugaufbaus ...... 141<br />

9.5 H<strong>in</strong>weise für die Bee<strong>in</strong>flussung <strong>der</strong> Wanddickenverteilung ................. 142<br />

9.5.1 Negativformung ohne Vorstrecken ............................... 142<br />

9.5.2 Positivformung ohne Vorstrecken ................................ 142<br />

9.5.3 Negativformung mit Vorstreckstempel;<br />

die Form überfährtnicht o<strong>der</strong> nurger<strong>in</strong>gfügig die<br />

E<strong>in</strong>spannebene................................................. 143<br />

9.5.4 Positiv-/Negativformung mit Vorstreckstempel;<br />

die Form überfährtstarkdie E<strong>in</strong>spannebene ...................... 145<br />

9.5.5 Verfahren mit beson<strong>der</strong>s großer E<strong>in</strong>flussmöglichkeit<br />

auf die Wanddickenverteilung ................................... 146


Inhaltsverzeichnis<br />

XIII<br />

10 Thermoformverfahren auf Rollenautomaten mit Form-Stanzwerkzeugen<br />

mitScherschnitt............................................................ 149<br />

10.1 Die K<strong>in</strong>ematik <strong>der</strong> Form-Stanz-Station e<strong>in</strong>es Rollenautomaten<br />

mit Form-Stanzwerkzeug mit Scherschnitt ............................... 149<br />

10.2 Die Beson<strong>der</strong>heitene<strong>in</strong>er mechanischen Kurvensteuerung ................. 151<br />

10.3 Ablaufdiagramm e<strong>in</strong>er Formstation mit Negativ-Form-Stanzwerkzeug<br />

mit Scherschnitt (Becherformung) ...................................... 152<br />

10.3.1 Zuschalten <strong>der</strong> Formluft ........................................ 153<br />

10.3.2 Die Formluftreduzierung ....................................... 153<br />

10.3.3 Nie<strong>der</strong>halter-Steuerung ......................................... 154<br />

10.4 Ablaufdiagramm e<strong>in</strong>er Formstation mit Positiv-Form-Stanzwerkzeug<br />

mit Scherschnitt (Deckelformung)....................................... 155<br />

11 Son<strong>der</strong>verfahren mit komb<strong>in</strong>iertenForm-Stanzwerkzeugen <strong>in</strong> Rollenautomaten 157<br />

11.1 Auskleiden vonBechern, Trays, usw...................................... 157<br />

11.1.1 Verfahrensablauf Auskleiden .................................... 157<br />

11.1.2 Voraussetzungen für das Auskleiden.............................. 158<br />

11.1.3 Vorteile des Verfahrens.......................................... 158<br />

11.2 Etikettieren im Formwerkzeug (In-Mould-Label<strong>in</strong>g IML) .................. 158<br />

11.2.1 Verfahrensablauf IML-T ........................................ 159<br />

11.2.2 Anfor<strong>der</strong>ungen an die Etiketten.................................. 160<br />

11.3 Form-Stanzwerkzeug für randlose Formteile.............................. 161<br />

11.4 <strong>Thermoformen</strong> vonHohlboden-Bechern ................................ 162<br />

11.5 <strong>Thermoformen</strong> mit Form und Gegenform ............................... 163<br />

12 <strong>Thermoformen</strong>von vorbedrucktenHalbzeugen............................... 165<br />

12.1 Druckbildvarianten .................................................... 165<br />

12.2 Anfor<strong>der</strong>ungen an die Druckfarbe ....................................... 165<br />

12.3 Anfor<strong>der</strong>ungen an die Halbzeuge........................................ 166<br />

12.4 Anfor<strong>der</strong>ungen an die Thermoformmasch<strong>in</strong>e............................. 166<br />

12.5 Anfor<strong>der</strong>ungen an das Formwerkzeug ................................... 167<br />

12.6 H<strong>in</strong>weise auf das Umformverfahren ..................................... 168<br />

12.7 H<strong>in</strong>weise für die Zerrdruckbild-Gestaltung ............................... 168<br />

12.7.1 Entfall des Zerrdrucks .......................................... 168<br />

12.7.2 Ermittlung des Zerrdrucks ...................................... 168<br />

13 Kühlen <strong>der</strong>geformten Teile.................................................. 173<br />

13.1 Allgeme<strong>in</strong>es........................................................... 173<br />

13.2 Messen <strong>der</strong> Entformtemperatur ......................................... 173<br />

13.3 Bee<strong>in</strong>flussende Faktoren für die Kühlzeit ................................. 174<br />

13.4 Berechnen <strong>der</strong> Kühlzeit ................................................ 175<br />

14 Entformen ................................................................. 177<br />

14.1 Entformtemperatur.................................................... 177<br />

14.2 Druckausgleich. ....................................................... 177<br />

14.3 Lösen des Formteils vomFormsegment .................................. 178


XIV Inhaltsverzeichnis<br />

14.4 Entformen vonH<strong>in</strong>terschnitten ......................................... 178<br />

14.5 Entformungsbewegung................................................. 179<br />

15 Stapeln vonTeilen .......................................................... 181<br />

15.1 Beurteilung <strong>der</strong> Stapelbarkeit ........................................... 181<br />

15.2 Der Stapelabstand ..................................................... 182<br />

15.3 Der Seitenabstand im Stapel ............................................ 182<br />

15.4 DieStapellänge........................................................ 183<br />

15.5 Der Stapelh<strong>in</strong>terschnitt................................................. 184<br />

15.5.1 Formteilstapelung mit Stapelh<strong>in</strong>terschnitt oben ................... 184<br />

15.5.2 Formteilstapelung mit Stapelh<strong>in</strong>terschnitt unten................... 184<br />

15.6 Stapeln vonDeckeln ................................................... 186<br />

15.7 Wechselstapelung <strong>in</strong> <strong>der</strong> Stapelstation.................................... 187<br />

16 Nachbearbeitung an thermogeformten Teilen................................. 189<br />

16.1 Trennen, Schneiden .................................................... 189<br />

16.1.1 Sägenmit Trennsägen .......................................... 189<br />

16.1.2 Stanzen mit Bandstahlschnittl<strong>in</strong>ien (Messerschnitt) ................ 190<br />

16.1.3 Stanzenmit Durchfallschnittwerkzeugen (Scherschnitt) ............ 191<br />

16.1.4 Grobbeschnitt mit Zackenmesser ................................ 191<br />

16.1.5 Dreidimensionale Schnitte ...................................... 191<br />

16.2 Entgraten............................................................. 192<br />

16.3 Verb<strong>in</strong>den ............................................................ 193<br />

16.3.1 Schweißen..................................................... 193<br />

16.3.2 Kleben........................................................ 193<br />

16.3.3 Nieten, Schrauben.............................................. 193<br />

16.3.4 Versteifen ..................................................... 194<br />

16.3.5 Oberflächenbehandlung ........................................ 194<br />

16.4 Recycl<strong>in</strong>g ............................................................. 195<br />

17 Stanzenvon thermogeformten Teilen ........................................ 197<br />

17.1 Messerschnitt –Begriffe, Grundlagen .................................... 197<br />

17.1.1 Das Messerschnitt-Schneidverfahren ............................. 197<br />

17.1.2 Messerformen und Stanzgegenlagen für Messerschnittwerkzeuge .... 198<br />

17.1.3 Beispielefür Messerschnittwerkzeuge, Skizzen..................... 199<br />

17.1.4 Beispielefür Messerschnittwerkzeuge............................. 200<br />

17.2 Scherschnitt –Begriffe, Grundlagen ..................................... 204<br />

17.2.1 Das Scherschnitt-Schneidverfahren............................... 204<br />

17.2.2 Merkmale <strong>der</strong> Scherschnittwerkzeuge ............................ 205<br />

17.2.3 Beispielefür Scherschnittwerkzeuge .............................. 207<br />

17.3 Messer-und Scherschnittwerkzeuge im Vergleich ......................... 211<br />

17.4 VergleichMesserschnitt im Form-Stanzwerkzeug und Messerschnitt<br />

im separaten Stanzwerkzeug ............................................ 212<br />

17.5 VergleichScherschnitt im Form-Stanzwerkzeug und Scherschnitt<br />

im separaten Stanzwerkzeug ............................................ 213<br />

17.6 E<strong>in</strong>flussfaktoren auf das Stanzen ........................................ 214


Inhaltsverzeichnis<br />

17.7 Engelshaarbildung ..................................................... 215<br />

17.7.1 Schematische Erklärung <strong>der</strong> Engelshaarbildung.................... 216<br />

17.7.2 Materialien mit Neigung zur Engelshaarbildung ................... 218<br />

17.7.3 Verr<strong>in</strong>gerung <strong>der</strong> Engelshaarbildung<br />

beim Stanzen mit Messerschnittwerkzeugen....................... 218<br />

17.7.4 Verr<strong>in</strong>gerung <strong>der</strong> Engelshaarbildung<br />

beim Stanzen mit Scherschnittwerkzeugen ........................ 218<br />

17.8 UnsaubereSchnitte–Bartbildung ....................................... 219<br />

17.8.1 Materialien mit Neigung zur unsauberen Schnitten und Bartbildung. 219<br />

17.8.2 Bee<strong>in</strong>flussung<strong>der</strong> Bartbildung<br />

beim Stanzen mit Messerschnittwerkzeugen....................... 220<br />

17.8.3 Bee<strong>in</strong>flussung<strong>der</strong> Bartbildung beim Stanzen mit Scherschnittwerkzeugen....................................................<br />

220<br />

17.9 Stanzkräfte. ........................................................... 220<br />

17.9.1 Schnittkräfte für Messerschnittwerkzeuge ......................... 220<br />

17.9.2 Folgen <strong>der</strong> Materialverdrängung beim Schneiden mit Messerl<strong>in</strong>ien .. 220<br />

17.9.3 Schnittkräftefür Scherschnittwerkzeuge .......................... 222<br />

17.10Schlussfolgerung ...................................................... 223<br />

17.10.1 Messerschnitt-Stanzwerkzeuge für separateStanzstationen.......... 223<br />

17.10.2 Scherschnitt- Stanzwerkzeuge für separateStanzstationen .......... 223<br />

17.10.3 Form-Stanzwerkzeuge mit Messerschnitt ......................... 224<br />

17.10.4 Form-Stanzwerkzeuge mit Scherschnitt........................... 225<br />

17.11 VerwandteSchneidverfahren............................................ 225<br />

17.11.1 VerwandteSchneidwerkzeuge mit Messerschnitt................... 225<br />

17.11.2 VerwandteSchneidwerkzeuge mit Scherschnitt .................... 226<br />

18 Deformation vonthermogeformten Teilen.................................... 229<br />

18.1 Def<strong>in</strong>ition ............................................................ 229<br />

18.2 Ursachen vonDeformationen........................................... 229<br />

18.2.1 E<strong>in</strong>fluss <strong>der</strong> Wanddickenverteilung ............................... 229<br />

18.2.2 E<strong>in</strong>fluss <strong>der</strong> Kühlung ........................................... 230<br />

18.2.3 Isotrope und anisotrope Halbzeuge .............................. 232<br />

18.2.4 E<strong>in</strong>fluss des Schrumpfverhaltens über die Dicke ................... 232<br />

18.2.5 Ergänzende Ursachen am Beispiel Deformationen vonBechern ..... 234<br />

18.2.6 Ergänzende Ursachen am Beispiel Kaschieren ..................... 234<br />

18.2.7 Ergänzende Ursachen am Beispiel Etikettieren im Werkzeug<br />

im Thermoformverfahren (IML-T) .............................. 235<br />

18.3 Regeln zur Bee<strong>in</strong>flussung <strong>der</strong> Verarbeitungsschw<strong>in</strong>dung und <strong>der</strong><br />

Deformation.......................................................... 237<br />

19 Thermoformwerkzeuge ..................................................... 239<br />

19.1 Grundlagen ........................................................... 239<br />

19.2 Werkstoffwahl für Thermoformwerkzeuge ............................... 241<br />

19.2.1 Holzwerkzeuge................................................. 241<br />

19.2.2 Harzwerkzeuge ................................................ 241<br />

19.2.3 Alum<strong>in</strong>iumwerkzeuge .......................................... 242<br />

XV


XVI Inhaltsverzeichnis<br />

19.2.4 Stahlwerkzeuge ................................................ 243<br />

19.2.5 Son<strong>der</strong>werkstoffe für Thermoformwerkzeuge ..................... 243<br />

19.3 Gestaltungsrichtl<strong>in</strong>ien fürThermoformwerkzeuge ........................ 244<br />

19.3.1 Seitenwandschrägen ............................................ 244<br />

19.3.2 Radien ........................................................ 245<br />

19.3.3 Oberflächenrauheit <strong>der</strong> Formwerkzeuge .......................... 245<br />

19.3.4 Abluftquerschnitte ............................................. 246<br />

19.3.5 Hohlräume .................................................... 247<br />

19.3.6 Werkzeugtemperierung ......................................... 248<br />

19.3.7 Auslegung <strong>der</strong> Formfläche....................................... 248<br />

19.3.8 Werkzeuge für Filmscharniereund Schnappverschlüsse............. 251<br />

19.4 Vorstreckstempel ...................................................... 258<br />

19.4.1 Stempelwerkstoffe.............................................. 258<br />

19.4.2 Gestaltung vonVorstreckstempeln ............................... 259<br />

19.4.2.1 Vorstreckstempel für Negativwerkzeuge bzw.<br />

Negativbereiche........................................ 259<br />

19.4.2.2 Vorstreckstempel für Positivwerkzeuge ................... 262<br />

20 Werkzeuge für Rollenautomaten mit Bandstahlschnitttechnik.................. 263<br />

20.1 Allgeme<strong>in</strong>es........................................................... 263<br />

20.2 Aufbau e<strong>in</strong>es Formwerkzeugs ........................................... 263<br />

20.2.1 Beispiel für Aufbau e<strong>in</strong>es Schalenwerkzeugs<br />

als Form-Stanzwerkzeug mit Bandstahlschnitt..................... 265<br />

20.2.2 Beispiel für Aufbau e<strong>in</strong>es Deckelwerkzeugs<br />

als Form-Stanzwerkzeug mit Bandstahlschnitt..................... 265<br />

20.3 Stapelnvon Teilen ..................................................... 270<br />

20.3.1 Pr<strong>in</strong>zipieller Ablauf............................................. 270<br />

21 Werkzeugtechnik für Rollenautomaten mit Durchfallschnitttechnik ............ 271<br />

21.1 Allgeme<strong>in</strong>es........................................................... 271<br />

21.1.1 Merkmale <strong>der</strong> E<strong>in</strong>satztechnik .................................... 273<br />

21.1.2 Merkmale <strong>der</strong> Kompakttechnik .................................. 273<br />

21.1.3 Beispielefür Becherrandformen ................................. 274<br />

21.2 Der Schnittstempel .................................................... 275<br />

21.2.1 Die Funktion des Schnittstempels ................................ 275<br />

21.2.2 Schnittspiel und Lebensdauer.................................... 275<br />

21.2.3 Die Abdeckschulter............................................. 275<br />

21.2.4 Kühlung<strong>der</strong> Schnittstempel ..................................... 276<br />

21.3 Der Forme<strong>in</strong>satz....................................................... 276<br />

21.3.1 Allgeme<strong>in</strong>es ................................................... 276<br />

21.3.2 Kühlung des Forme<strong>in</strong>satzes ..................................... 276<br />

21.3.3 Auslegung/Gestaltung des Formteile<strong>in</strong>satzes....................... 276<br />

21.3.4 Gestaltung <strong>der</strong> Trennkantezwischen Schnittstempel und<br />

Forme<strong>in</strong>satz ................................................... 277<br />

21.3.5 Formen e<strong>in</strong>es Siegelwalls ........................................ 278


Inhaltsverzeichnis<br />

XVII<br />

21.4 Der Nie<strong>der</strong>halter ...................................................... 278<br />

21.4.1 Nie<strong>der</strong>halterbetätigung mit Druckfe<strong>der</strong>........................... 278<br />

21.4.2 Nie<strong>der</strong>halterbetätigung durch Druckluft .......................... 279<br />

21.4.3 Nie<strong>der</strong>halter mit Druckverstärkung .............................. 280<br />

21.5 Der Werkzeugboden ................................................... 281<br />

21.5.1 Funktionen e<strong>in</strong>es Werkzeugbodens............................... 281<br />

21.5.2 Vakuumanschluss im Bodenbereich.............................. 281<br />

21.5.3 Schnellwechsel des Bodens ...................................... 281<br />

21.6 Vorstreckstempel ...................................................... 282<br />

21.6.1 Werkstoffe für Vorstreckstempel, speziell für diese Werkzeugart ..... 282<br />

21.6.2 Eigenschaften <strong>der</strong> e<strong>in</strong>zelnen Vorstreckstempelwerkstoffe............ 282<br />

21.7 Formluftreduzierung für Form-Stanzwerkzeuge mit Durchfallschnitt ....... 284<br />

22 Temperieren vonThermoformwerkzeugen ................................... 285<br />

22.1 Allgeme<strong>in</strong>es........................................................... 285<br />

22.1.1 Begriffe beim Temperieren ...................................... 285<br />

22.1.2 E<strong>in</strong>flüsse <strong>der</strong> Werkzeugtemperatur ............................... 285<br />

22.1.3 Wann kann die Werkzeugtemperierung entfallen?.................. 286<br />

22.2 Temperiermedien...................................................... 286<br />

22.3 Werkstoffe für temperierbareThermoformwerkzeuge ..................... 287<br />

22.4 Varianten<strong>der</strong> Kühlkreisläufe............................................ 288<br />

22.4.1 Geschlossener und offener Temperierkreislauf..................... 288<br />

22.4.2 Direkteo<strong>der</strong> <strong>in</strong>direkteWerkzeugkühlung ......................... 288<br />

22.4.3 Direkte, <strong>in</strong>direkteund komb<strong>in</strong>ierte Formsegmentkühlung .......... 288<br />

22.4.4 Beispiele für Kreisläufe <strong>in</strong> Thermoformmasch<strong>in</strong>en ................. 288<br />

22.4.4.1 Geschlossene Kreisläufe................................. 288<br />

22.4.4.2 Kreislauf geschlossen zum Werkzeug,offen für <strong>in</strong>direkte<br />

Kühlung .............................................. 289<br />

22.4.4.3 KühlungimoffenenKreislauf ........................... 289<br />

22.5 Kühlverfahren......................................................... 291<br />

22.5.1 Kont<strong>in</strong>uierliche Kühlung........................................ 291<br />

22.5.2 Impulskühlung ................................................ 291<br />

22.5.3 Dynamische Kühlung........................................... 291<br />

22.6 Der Kühlbedarf e<strong>in</strong>es thermogeformten Teils ............................. 292<br />

22.6.1 Das Enthalpie-Diagramm ....................................... 292<br />

22.6.2 Enthalpie-Tabellen ............................................. 292<br />

22.6.3 Erfor<strong>der</strong>liche Kühlleistunge<strong>in</strong>es Werkzeugs....................... 293<br />

22.7 Auslegung <strong>der</strong> Temperierung e<strong>in</strong>es Formwerkzeugs. ....................... 294<br />

22.7.1 Zu kühlende Materialmenge (Materialdurchsatz) .................. 294<br />

22.7.2 Erfor<strong>der</strong>liche Kühlleistung während <strong>der</strong> Produktion ............... 295<br />

22.7.3 Kühlwasserbedarf für die Werkzeugkühlung ...................... 295<br />

22.7.4 Erfor<strong>der</strong>liche Kontaktfläche für das Kühlwasser.................... 296<br />

22.7.5 Gesamtlänge <strong>der</strong> Kühlkanäle .................................... 297<br />

22.7.6 Wassergeschw<strong>in</strong>digkeit.......................................... 298<br />

22.7.7 Resultieren<strong>der</strong> Druckabfall im Werkzeug.......................... 299


XVIII Inhaltsverzeichnis<br />

22.7.8 Druckabfall beim Anschließen des Formwerkzeugs <strong>in</strong> <strong>der</strong><br />

Masch<strong>in</strong>e. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300<br />

22.7.8.1 Anschlussmöglichkeiten im Vergleich. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301<br />

22.7.8.2 Beispiel für Druckabfall <strong>in</strong> Schnellkupplungen . . . . . . . . . . . . 301<br />

22.8 Druckabfall <strong>in</strong> <strong>der</strong> Masch<strong>in</strong>enverrohrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302<br />

22.9 Druckabfall im gesamten Temperierkreislauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303<br />

22.10 Prüfung <strong>der</strong> För<strong>der</strong>leistung des angeschlossenen Temperier- o<strong>der</strong><br />

Kühlgeräts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304<br />

22.10.1 Prüfung <strong>der</strong> Pumpe mit <strong>der</strong> grafo-analytischen Methode . . . . . . . . . . . 305<br />

22.10.2 Prüfung <strong>der</strong> Pumpe mit analytischer Methode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305<br />

22.10.3 Beurteilen des Prüfergebnisses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305<br />

22.11 Konstruktive Auslegungsmöglichkeiten bei <strong>der</strong> Wärmeübertragung . . . . . . . . . 305<br />

22.11.1 Gestalten von Kühlkanälen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305<br />

22.12 Der E<strong>in</strong>fluss <strong>der</strong> Luftkühlung auf die Werkzeugkühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306<br />

23 Fehler im <strong>Thermoformen</strong> . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307<br />

23.1 Gestaltungsfehler am Formteil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307<br />

23.2 Fehler am Halbzeug. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312<br />

23.3 Auswahl <strong>der</strong> richtigen Thermoformmasch<strong>in</strong>e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313<br />

23.4 Fehler beim Aufstellen <strong>der</strong> Thermoformmasch<strong>in</strong>e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313<br />

23.5 Fehler am Thermoformwerkzeug. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314<br />

23.6 Fehler beim E<strong>in</strong>fahren von neuen Thermoformwerkzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . 315<br />

23.7 Fehler bei Bemusterungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316<br />

23.8 Fehler bei <strong>der</strong> Beheizung mit Infrarotstrahlern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317<br />

23.9 Leitungsquerschnitte für Luft und Vakuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317<br />

23.10 Verh<strong>in</strong><strong>der</strong>n von Falten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318<br />

23.11 Fehlersuche beim <strong>Thermoformen</strong> . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319<br />

Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330<br />

Stichwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331<br />

<strong>ILLIG</strong> Masch<strong>in</strong>enbau<br />

Tradition mit Zukunft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335


1 E<strong>in</strong>führung<br />

Unter <strong>Thermoformen</strong> versteht man das Umformen von thermoplastischem Halbzeug bei<br />

erhöhter Temperatur zu Formteilen. Die Darstellung <strong>in</strong> Bild 1.1 zeigt den pr<strong>in</strong>zipiellen Ablauf<br />

<strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Thermoformprozess mittels Vakuumformung.<br />

Die Verfahrensschritte s<strong>in</strong>d dabei:<br />

• das Erwärmen des Halbzeugs auf se<strong>in</strong>e Umformtemperatur im elastoplastischen<br />

Bereich,<br />

• die Formgebung mit Hilfe e<strong>in</strong>es Thermoformwerkzeugs,<br />

• das Abkühlen unter Formzwang auf e<strong>in</strong>e Temperatur, bei <strong>der</strong> das Formteil formstabil<br />

ist und<br />

• das Entformen des formstabilen Formteils.<br />

Die Wanddicke des Fertigteils ergibt sich über das Verstreckungsverhältnis zwischen <strong>der</strong><br />

erzeugten Fläche zur Ausgangsfläche. Die Wanddickenverteilung des geformten Teils wird<br />

hauptsächlich vom Formwerkzeug und dem Formungsverfahren bestimmt.<br />

Die Ausformschärfe, das heißt die Abbildegenauigkeit <strong>der</strong> Werkzeugkontur, wird im Wesentlichen<br />

bestimmt von <strong>der</strong> temperaturabhängigen Festigkeit des Halbzeugs während des Umformens<br />

und dem effektiven Anpressdruck zwischen Halbzeug und Werkzeugoberfläche.<br />

Die Kühlung des geformten Teils erfolgt <strong>in</strong> <strong>der</strong> Regel von <strong>der</strong> e<strong>in</strong>en Seite durch Kontakt mit<br />

dem Formwerkzeug und von <strong>der</strong> an<strong>der</strong>en Seite durch freie o<strong>der</strong> erzwungene Luftkühlung.<br />

Meistens schließen sich noch Nachbehandlungen an, wie Beschneiden, Schweißen, Kleben,<br />

Heißsiegeln, Lackieren, Metallisieren o<strong>der</strong> Beflocken.<br />

Das <strong>Thermoformen</strong> wird oft auch als Warmformen o<strong>der</strong> Tiefziehen bezeichnet. Auch die<br />

Begriffe Vakuumformen o<strong>der</strong> Druckluftformen werden verwendet. Damit wird zugleich auf<br />

die Ausformung mittels Vakuum bzw. Druckluft h<strong>in</strong>gewiesen.<br />

Bild 1.1 Pr<strong>in</strong>zipskizze <strong>Thermoformen</strong><br />

1 Vorstreckstempel<br />

2 Formsegment<br />

3 Abluftkanal<br />

4 Thermoplastisches Halbzeug<br />

5 Abluft Sammelkanal<br />

6 Oberspannrahmen<br />

7 Unterspannrahmen<br />

8 Segmentträgerplatte<br />

9 Vakuumanschluss


2 1 E<strong>in</strong>führung<br />

Vor- und Nachteile des <strong>Thermoformen</strong>s<br />

E<strong>in</strong> Herstellverfahren hat nur dann Erfolg, wenn die produzierten Teile kostengünstiger und <strong>in</strong><br />

gleicher Qualität o<strong>der</strong> <strong>in</strong> besserer Qualität bei gleichen Kosten hergestellt werden können. Es<br />

gibt Anwendungsbereiche, bei denen das Spritzgießen o<strong>der</strong> das Blasformen <strong>in</strong> Konkurrenz zum<br />

<strong>Thermoformen</strong> stehen. In <strong>der</strong>Verpackungstechnik ist das <strong>Thermoformen</strong> meist konkurrenzlos,<br />

außer wenn Karton o<strong>der</strong> Papier als alternative Verpackungswerkstoffe e<strong>in</strong>gesetzt werden.<br />

Die wesentlichen Vorteile des <strong>Thermoformen</strong>s s<strong>in</strong>d:<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

Extrem dünnwandige Formteile, z. B. Verpackungen, können aus Halbzeugen mit hoher<br />

Schmelzviskosität hergestellt werden, während solche Teile im Spritzgießverfahren Granulat<br />

mit sehr niedriger Schmelzviskosität erfor<strong>der</strong>n o<strong>der</strong> eventuell gar nicht herstellbar s<strong>in</strong>d.<br />

Kle<strong>in</strong>ste Thermoformteile haben etwa die Größe <strong>der</strong> Verpackung e<strong>in</strong>er Tablette o<strong>der</strong> e<strong>in</strong>er<br />

Knopfbatterie. Große Formteile, wie z. B. Gartenteiche, erreichen Größen von 3bis6m<br />

Länge. Formteilgrößen von mehreren Quadratmetern s<strong>in</strong>d problemlos herstellbar, weil<br />

Formteilgröße und Halbzeugdicke verfahrensbed<strong>in</strong>gt nicht begrenzt werden.<br />

Zum E<strong>in</strong>satz kommen Halbzeuge mit Dicken zwischen 0,05 bis 15 mm, bei Schäumen<br />

bis 60 mm.<br />

Der E<strong>in</strong>satz von mehrschichtigen Halbzeugen erlaubt die Herstellung von Formteilen mit<br />

komb<strong>in</strong>ierten Eigenschaften <strong>in</strong> Bezug auf Biege- o<strong>der</strong> Reißfestigkeit, Oberflächenglanz,<br />

Softtouch, Antirutschverhalten, Siegelbarkeit, UV-Beständigkeit, Barriereeigenschaften,<br />

E<strong>in</strong>arbeitung von Mahlgut <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Schicht unterhalb <strong>der</strong> Oberfläche, E<strong>in</strong>arbeitung von<br />

Schichten mit Fasern, usw. Bei schlechter Haftung <strong>der</strong> E<strong>in</strong>zelschichten werden Zwischenschichten<br />

als Haftvermittlungsschichten e<strong>in</strong>gesetzt.<br />

Im Thermoformverfahren können Schäume, faserverstärkte Materialien, textilkaschierte<br />

Thermoplasten sowie vorbedruckte Halbzeuge verarbeitet werden.<br />

Das verfahrensbed<strong>in</strong>gte Verstrecken verbessert die mechanischen Eigenschaften <strong>der</strong> geformten<br />

Teile als Folge <strong>der</strong> Orientierung.<br />

Thermoformwerkzeuge s<strong>in</strong>d aufgrund des e<strong>in</strong>seitigen Formkontakts kostengünstiger als<br />

z. B. Spritzgießwerkzeuge, welche die Wanddicke über zweiseitigen Formkontakt abbilden<br />

müssen.<br />

Bei kle<strong>in</strong>en Stückzahlen s<strong>in</strong>d die günstigen Werkzeugkosten e<strong>in</strong> Vorteil des <strong>Thermoformen</strong>s.<br />

Bei großen Stückzahlen liegt <strong>der</strong> Vorteil des <strong>Thermoformen</strong>s bei den erreichbaren<br />

m<strong>in</strong>imalen Wanddicken und dem hohen Ausstoß <strong>der</strong> Thermoformmasch<strong>in</strong>en.<br />

Modular gebaute Thermoformmasch<strong>in</strong>en erlauben die Anpassung an die gefor<strong>der</strong>te<br />

Ausstoßleistung.<br />

Abfälle, wie Stanzgitter o<strong>der</strong> Spannrän<strong>der</strong>, werden e<strong>in</strong>gemahlen und <strong>in</strong> den Verarbeitungskreislauf<br />

bei <strong>der</strong> Halbzeugherstellung wie<strong>der</strong>verwendet.<br />

Beim <strong>Thermoformen</strong> werden Halbzeuge als Folien und Platten e<strong>in</strong>gesetzt, die über e<strong>in</strong> Urformverfahren<br />

aus Granulaten o<strong>der</strong> Pulvern hergestellt werden. Dies bedeutet Zusatzkosten<br />

beim Ausgangsmaterial gegenüber dem Spritzgießen.<br />

Verfahrensbed<strong>in</strong>gt hat das Halbzeug beim <strong>Thermoformen</strong> nur auf e<strong>in</strong>er Seite Kontakt mit<br />

dem Thermoformwerkzeug. Das Formteil wird daher nur auf e<strong>in</strong>er Seite die Kontur des


1 E<strong>in</strong>führung<br />

Formwerkzeugs exakt abbilden. Die Kontur <strong>der</strong> Gegenseite ergibt sich aus <strong>der</strong> resultierenden<br />

Verstreckung.<br />

Zukünftige Entwicklungen<br />

Das <strong>Thermoformen</strong> gilt <strong>in</strong> <strong>der</strong> Kunststoffverarbeitung als <strong>der</strong> Bereich mit dem größten Wachstum.<br />

Das gilt sowohl für technische Formteile als auch für Verpackungen.<br />

Das <strong>Thermoformen</strong> als Verfahren mit großem handwerklichen Geschick und viel Erfahrung<br />

ist zur Zeit im Umbruch zu e<strong>in</strong>em prozessgeregelten Verfahren.<br />

Sensorik <strong>in</strong> Verb<strong>in</strong>dung mit Regelungstechnik erlauben den Thermoformprozess zu automatisieren.<br />

Die Verwertung von Produktionsabfällen, das E<strong>in</strong>mahlen und Beimischen zu Neuware s<strong>in</strong>d<br />

längst Stand <strong>der</strong> Technik.<br />

Biokunststoffe werden immer preisgünstiger. Das Thermoformverfahren ist prädest<strong>in</strong>iert, um<br />

diese Materialien <strong>in</strong>sbeson<strong>der</strong>e für dünnwandige Verpackungen e<strong>in</strong>zusetzen.<br />

Die Verwendung von mehrschichtigen Halbzeugen erlaubt die Herstellung von Teilen mit<br />

sehr breitem Anfor<strong>der</strong>ungsspektrum.<br />

In lohn<strong>in</strong>tensiven Län<strong>der</strong>n geht <strong>der</strong> Trend zur Automatisierung, <strong>der</strong> Integrierung <strong>der</strong> Nachbearbeitung<br />

und <strong>der</strong> Produktivitätssteigerung weiter.<br />

H<strong>in</strong>weise zu weiterführen<strong>der</strong> Literatur<br />

Diese Auflage ist, wie auch die Erstauflage dieses Buchs, aus <strong>in</strong>ternen Unterlagen <strong>der</strong> <strong>ILLIG</strong><br />

Masch<strong>in</strong>enbau <strong>GmbH</strong> & <strong>Co</strong>. <strong>KG</strong> entstanden. Dies s<strong>in</strong>d im Wesentlichen Lehrgangsunterlagen<br />

für die Kundenlehrgänge und Unterlagen für Fachtagungen außer Haus.<br />

Weiterführende Fachliteratur<br />

Hellerich/Harsch/Haenle. Werkstoff-Führer Kunststoffe. Carl Hanser Verlag München, 2004<br />

Hans Dom<strong>in</strong><strong>in</strong>ghaus. Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften, 8. Auflage. VDI Verlag <strong>GmbH</strong>, 2008<br />

Die Deutsche Bibliothek – CIP E<strong>in</strong>heitsaufnahme. Folien für thermogeformte Verpackungen.<br />

VDI Verlag <strong>GmbH</strong> Düsseldorf, 1992<br />

3


2 Grundlagen und Begriffe im <strong>Thermoformen</strong><br />

2.1 Verfahrensablauf<br />

Der Thermoformprozess besteht aus den E<strong>in</strong>zelschritten:<br />

a) Aufheizen des Halbzeugs auf Umformtemperatur<br />

b) Vorformen des beheizten Halbzeugs durch Vorstrecken<br />

c) Ausformen des Formteils<br />

d) Kühlen des Formteils<br />

e) Entformen des Formteils<br />

Zu a)<br />

Siehe separates Kapitel Heizen von thermoplastischen Halbzeugen.<br />

Zu b)<br />

Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten für das Vorformen, z. B.:<br />

• Vorstrecken durch Vorblasen, d. h. Bilden e<strong>in</strong>er Blase mit Druckluft<br />

• Vorstrecken durch Vorsaugen, d. h. Bilden e<strong>in</strong>er Blase mit Vakuum<br />

• Mechanisches Vorstrecken mithilfe e<strong>in</strong>es Vorstreckstempels, auch Oberstempel o<strong>der</strong><br />

Vorstrecker genannt<br />

• Mechanisches Vorstrecken mithilfe <strong>der</strong> Form selbst<br />

• Komb<strong>in</strong>ation <strong>der</strong> oben aufgezählten Vorstreckmöglichkeiten.<br />

Zu c)<br />

Beispiele für das Ausformen:<br />

• Ausformen mit Vakuum (Vakuumformmasch<strong>in</strong>en)<br />

• Ausformen mit Druckluft (Druckluftformmasch<strong>in</strong>en o<strong>der</strong> Vakuumformmasch<strong>in</strong>en mit<br />

verriegelten Formwerkzeugen)<br />

• Ausformen mit Druckluft und Vakuum (Druckluftformmasch<strong>in</strong>en mit zusätzlichem<br />

Vakuumanschluss o<strong>der</strong> Vakuumformmasch<strong>in</strong>en mit verriegelten Formwerkzeugen)<br />

• Ausformen durch Prägen. Das Prägen erlaubt das beidseitige Abformen von Werkzeugkonturen.<br />

E<strong>in</strong>satz für geschäumte Halbzeuge, seltener für das Prägen und Kalibrieren von<br />

Rän<strong>der</strong>n.


6 2 Grundlagen und Begriffe im <strong>Thermoformen</strong><br />

Zu d)<br />

Kühlmöglichkeiten des Formteils, je nach Masch<strong>in</strong>entyp:<br />

• Kühlung durch Kontakt mit dem Formwerkzeug (meist e<strong>in</strong>seitig)<br />

• Kühlung mittels Luft <strong>in</strong> verschiedenen Varianten:<br />

– Luft wird von <strong>der</strong> Umgebung angesaugt (Normalfall)<br />

– Kühle Luft wird kundenseitig den Gebläsen zugeführt<br />

– Inden Luftstrom wird Wassersprühnebel e<strong>in</strong>geblasen; dasVerdampfen des Sprühnebels<br />

im Luftstrom kühlt die Luft ab. Bei Luftgeschw<strong>in</strong>digkeiten von ca. 10 m/s und e<strong>in</strong>er<br />

Entfernung des Gebläses vom Formteil von ca. 1,5 m kühlt die Luft um ca. 10 °C ab.<br />

(H<strong>in</strong>weis: Bei zu hohen Luftgeschw<strong>in</strong>digkeiten werden die Formteile nass, weil die Zeit<br />

nicht für das Verdampfen ausreicht.)<br />

• Freies Abkühlen an <strong>der</strong> Luft, wenn ohne Formwerkzeug geformt wird.<br />

Zu e)<br />

Wenn <strong>der</strong> thermoplastische Kunststoff bis unterhalb se<strong>in</strong>er Erweichungstemperatur erkaltet<br />

ist, d. h. steif genug ist, kann entformt werden.<br />

Im <strong>Thermoformen</strong> werden verschiedene Begriffe benutzt, welche <strong>in</strong> folgenden Unterpunkten<br />

erklärt werden.<br />

2.2 Positiv- und Negativformung<br />

Positivformung (Bild 2.1 a):<br />

• Abformung <strong>der</strong> Außenkontur <strong>der</strong> Form (vere<strong>in</strong>fachte Def<strong>in</strong>ition)<br />

• Die Rückstellkräfte im Halbzeug und die Ausformkräfte wirken <strong>in</strong> die gleiche Richtung.<br />

Negativformung (Bild 2.1 b):<br />

• Abformung <strong>der</strong> Innenkontur <strong>der</strong> Form (vere<strong>in</strong>fachte Def<strong>in</strong>ition)<br />

• Die Rückstellkräfte im Halbzeug und die Ausformkräfte wirken gegene<strong>in</strong>an<strong>der</strong>.<br />

a) b)<br />

Bild 2.1<br />

Positiv- und Negativformung<br />

a) Positivformung<br />

(schematisch)<br />

b) Negativformung<br />

(schematisch)<br />

X =vom Formwerkzeug<br />

abgeformtes Maß


2.3 Umformdruck, Ausformdruck, Ausformschärfe<br />

Merkmal Positiv geformtes Teil Negativ geformtes Teil<br />

Abformgenauigkeit des Formteils an <strong>der</strong> Innenseite an <strong>der</strong> Außenseite<br />

Bemaßung (beim Zeichnen) an <strong>der</strong> Innenseite an <strong>der</strong> Außenseite<br />

Dicke Randbereich Rand durch Verstreckung<br />

ausgedünnt<br />

Dickste Stelle* am Boden am Rand<br />

Dünnste Stelle* am Rand<br />

(Übergang zur Seitenwand)<br />

Gefahr <strong>der</strong> Faltenbildung an den Ecken zum Rand<br />

(siehe Bild 2.2 a)<br />

* wenn ausgeformt ohne Vorformen, bei relativ ger<strong>in</strong>gem Verstreckungsverhältnis<br />

a) b)<br />

Rand bleibt praktisch<br />

unverstreckt, Wanddicke<br />

gleich Ausgangsdicke<br />

am Boden<br />

(Übergang zur Seitenwand)<br />

ke<strong>in</strong>e Faltenbildung<br />

(siehe Bild 2.2 b)<br />

Bild 2.2 a) Positiv geformtes Teil mit Falten zum Rand und Schreckmarken an den Ecken<br />

am Übergang vom Boden zu den Seitenwänden<br />

b) Negativ geformtes Teil ohne Falten und e<strong>in</strong>em r<strong>in</strong>gsum gleichmäßig dicken Rand<br />

2.3 Umformdruck, Ausformdruck, Ausformschärfe<br />

Der Umformdruck <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Masch<strong>in</strong>e mit Vakuumformung entspricht <strong>der</strong> Differenz zwischen<br />

dem atmosphärischen Druck auf <strong>der</strong> e<strong>in</strong>en Seite des Halbzeugs und dem Unterdruck, den<br />

die Vakuumpumpe auf <strong>der</strong> an<strong>der</strong>en Seite des Halbzeugs erzeugt. Der atmosphärische Druck<br />

beträgt <strong>in</strong> Meereshöhe ca. 1 bar (100.000 Pascal) und reduziert sich mit jeden weiteren 1000 m<br />

Höhe oberhalb des Meeresspiegels um ca. 0,1 bar. Mit e<strong>in</strong>er neuwertigen Vakuumpumpe<br />

beträgt somit <strong>der</strong> Umformdruck (<strong>in</strong> Meereshöhe) ca. 1 bar.Auf 1 m 2 Formfläche wirken also<br />

bei Vakuumformung ca. 10.000 daN Umformkraft. Dies entspricht dem Gesamtgewicht von<br />

ca. zehn Kle<strong>in</strong>wagen.<br />

Der Umformdruck <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Masch<strong>in</strong>e mit Druckluftformung entspricht <strong>der</strong> Differenz zwischen<br />

dem Druck im Formraum auf <strong>der</strong> e<strong>in</strong>en Seite des Halbzeugs und dem atmosphärischem Druck<br />

auf <strong>der</strong> an<strong>der</strong>en Seite des Halbzeugs. Der übliche Umformdruck im Formraum beträgt bei<br />

Druckluftformung ca. 1,5 bis 7,5 bar bei Rollenautomaten und ca. 2 bis 4 bar bei Plattenmasch<strong>in</strong>en.<br />

Mit Druckluftformung kann somit e<strong>in</strong> Mehrfaches an Druck als mitVakuumformung<br />

realisiert werden.<br />

7


8 2 Grundlagen und Begriffe im <strong>Thermoformen</strong><br />

Der Ausformdruck als Anformdruck des Halbzeugs auf die Wände des Formwerkzeugs<br />

resultiert aus dem Umformdruck und <strong>der</strong> Rückstellspannung im Halbzeug während des<br />

Ausformens.<br />

Im Formwerkzeug gilt an den <strong>in</strong> Bild 2.3 mit (+) gekennzeichneten Stellen:<br />

Resultieren<strong>der</strong> Ausformdruck = Umformdruck + Rückstellspannung im Halbzeug<br />

An den <strong>in</strong> Bild 2.3 mit (–) gekennzeichneten Stellen gilt:<br />

Resultieren<strong>der</strong> Ausformdruck = Umformdruck – Rückstellspannung im Halbzeug<br />

Die erreichte Ausformschärfe <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em bestimmten Bereich e<strong>in</strong>es Teiles hängt im Wesentlichen<br />

ab von <strong>der</strong> Kunststoffart, <strong>der</strong> Umformtemperatur und vom resultierenden Ausformdruck.<br />

a) c)<br />

b)<br />

Bild 2.3 Schematische Darstellung des resultierenden Ausformdrucks als Summe von Umform- und<br />

Rückstellkraft e<strong>in</strong>es Halbzeugs<br />

a) und b) Positivformwerkzeug, c) und d) Negativformwerkzeug<br />

(+) Flächen am Werkzeug, an denen bei <strong>der</strong> Formung die Rückstellkräfte im Halbzeug<br />

und die Ausformkräfte <strong>in</strong> die gleiche Richtung wirken<br />

(–) Flächen am Werkzeug, an denen bei <strong>der</strong> Formung die Rückstellkräfte im Halbzeug<br />

und die Ausformkräfte gegene<strong>in</strong>an<strong>der</strong> wirken<br />

d)


2.4 Vorblasen, Vorsaugen, Druckausgleich, Belüften<br />

2.4 Vorblasen,Vorsaugen, Druckausgleich, Belüften<br />

Vorblasen (Bild 2.4) heißt Vorstrecken des Halbzeugs durch Bilden e<strong>in</strong>er Blase mit Überdruck.<br />

Der Vorblasdruck beträgt <strong>in</strong> den meisten Masch<strong>in</strong>en maximal 0,03 bar.<br />

Bild 2.4 Vorformen durch Vorblasen (ist nicht <strong>in</strong> allen Thermoformmasch<strong>in</strong>en gegeben)<br />

Vorsaugen (Bild 2.5) heißt Vorformen des Halbzeugs durch Bilden e<strong>in</strong>er Blase mit Vakuum.<br />

Bild 2.5 Vorformen durch Vorsaugen (ist nicht <strong>in</strong> allen Thermoformmasch<strong>in</strong>en gegeben)<br />

oben: Vorsaugen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>en Blaskasten<br />

unten: Vorsaugen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>e Glocke<br />

Druckausgleich<br />

Sobald die Kühlzeit nach dem Formvorgang beendet ist, wird, bevor e<strong>in</strong>e Entformung mit<br />

Entformluft beg<strong>in</strong>nt, <strong>der</strong> Umformdruck (Vakuum o<strong>der</strong> Druckluft) ausgeschaltet und sofort<br />

anschließend e<strong>in</strong> Druckausgleich zum atmosphärischen Druck vorgenommen. Dies ist Voraussetzung<br />

für e<strong>in</strong>en reproduzierbaren Ablauf des Entformvorgangs. Beim Entformen von<br />

Teilen aus großvolumigen o<strong>der</strong> großflächigen Formwerkzeugen muss während <strong>der</strong> Entformungsbewegung<br />

<strong>in</strong> den entstehenden Zwischenraum Luft (Entformluft) geblasen werden,<br />

damit durch die Werkzeugbewegung ke<strong>in</strong> Unterdruck zwischen Formteil und Werkzeug<br />

entsteht und sich das Fertigteil dadurch deformiert. Die Menge <strong>der</strong> Entformluft muss <strong>der</strong><br />

Entformungsgeschw<strong>in</strong>digkeit angepasst werden.<br />

9


10 2 Grundlagen und Begriffe im <strong>Thermoformen</strong><br />

2.5 Formfläche,E<strong>in</strong>zugsfläche,Spannrand<br />

Als Formfläche wird <strong>der</strong> Anteil <strong>der</strong> beheizten Fläche des Halbzeugs bezeichnet, <strong>der</strong> für die<br />

Thermoformung zur Verfügung steht, unabhängig davon, ob diese verstreckt wird o<strong>der</strong><br />

nicht. Als E<strong>in</strong>zugsfläche bezeichnet man den Anteil <strong>der</strong> Formfläche, die sich im gewählten<br />

Formungsverfahren verstreckt. Siehe Bild 2.6.<br />

Nicht alle Thermoformmasch<strong>in</strong>en haben Spannrahmen zum Spannen des Halbzeugs für den<br />

Formvorgang.<br />

In Plattenmasch<strong>in</strong>en wird <strong>der</strong> vom Spannrahmen geklemmte Spannrand nicht von den<br />

Strahlern beheizt. Dabei ist Folgendes zu beachten:<br />

•<br />

•<br />

Wird <strong>der</strong> Spannrand e<strong>in</strong>es Formteiles unmittelbar nach dem Entformen abgetrennt, muss<br />

er nicht beheizt, sollte aber trotzdem möglichst schnell nach dem Entformen abgetrennt<br />

werden.<br />

Bleibt <strong>der</strong> Spannrand dagegen am Formteil (Trimmless-Formung), muss <strong>der</strong> Spannrand<br />

beim Entformen die gleiche Temperatur wie <strong>der</strong> umgeformte Körper haben. Da <strong>der</strong><br />

Spannrand nicht mit <strong>der</strong> Strahlungsheizung beheizt werden kann, muss er über Kontakt<br />

mit den beheizten Spannrahmen beheizt werden.<br />

Dabei sollte sowohl <strong>der</strong> untere als auch <strong>der</strong> obere Spannrahmen beheizt se<strong>in</strong>.<br />

Ist die Kontaktheizzeit für das Heizen des Spannrandes <strong>in</strong> <strong>der</strong> Formstation zu kurz, kann<br />

ke<strong>in</strong>e ausreichend hohe Temperatur im Kern des Spannrandes für das Entformen erreicht<br />

werden. Die Lösung ist, die Temperatur <strong>der</strong> Kontaktfläche <strong>der</strong> Spannrahmen zu Beg<strong>in</strong>n <strong>der</strong><br />

Kontaktzeit zu erhöhen und vor Ende <strong>der</strong> Kontaktzeit zu reduzieren. Dafür s<strong>in</strong>d spezielle<br />

Spannrahmen erfor<strong>der</strong>lich.<br />

a) b)<br />

Bild 2.6 Formfläche, E<strong>in</strong>zugsfläche, Spannrand (c), schematisch<br />

a) Positivform: E<strong>in</strong>zugsfläche = Formfläche = (L × B)<br />

b) Negativform:<br />

Für Vorformen durch Vorblasen: E<strong>in</strong>zugsfläche = Formfläche = (L × B)<br />

Wenn ke<strong>in</strong> Vorformen: E<strong>in</strong>zugsfläche (L 1 × B 1 )


2.6 Nie<strong>der</strong>halter,Hochhalter<br />

2.6 Nie<strong>der</strong>halter,Hochhalter<br />

Nie<strong>der</strong>halter<br />

Wird e<strong>in</strong>e Formfläche mehrfach mit Positivformwerkzeugen belegt (Bild 2.7), ist es vorteilhaft,<br />

die gesamte Formfläche mittels Nie<strong>der</strong>halter <strong>in</strong> E<strong>in</strong>zelformflächen zu unterteilen, sodass beim<br />

Vorformen durch Vorblasen für jede E<strong>in</strong>zelform e<strong>in</strong>e eigene Blase gebildet werden kann. Dies<br />

garantiert e<strong>in</strong>e bessereWanddicken-Verteilung.<br />

a) b)<br />

Bild 2.7 Zweifach-Positivformwerkzeug<br />

a) Vorblasen ohne Nie<strong>der</strong>halter<br />

b) Vorblasen mit Nie<strong>der</strong>halter im oberen Spannrahmen<br />

Hochhalter<br />

Hochhalter (Bild 2.8) erleichtern das Entformen, <strong>in</strong>dem das zu entformende Ziehteil im<br />

Randbereich r<strong>in</strong>gsum festgehalten wird. Für den Fall, dass <strong>in</strong> <strong>der</strong> Formstation (<strong>in</strong> Plattenmasch<strong>in</strong>en)<br />

geheizt wird, unterstützen die Hochhalter stark durchhängende Halbzeuge, wie<br />

z. B. Polypropylen.<br />

Der Nie<strong>der</strong>halter im oberen Spannrahmen<br />

hilft hauptsächlich beim Vorformen,<br />

z. B. beim Bilden von zwei Blasen.<br />

Hoch- und Nie<strong>der</strong>halter helfen beim<br />

Entformen <strong>in</strong> dem jedes <strong>der</strong> zwei Teile<br />

r<strong>in</strong>gsum gehalten wird.<br />

Bild 2.8 Zweifach-Positivformwerkzeug mit Nie<strong>der</strong>halter im oberen Spannrahmen und Hochhalter im<br />

unteren Spannrahmen<br />

11


12 2 Grundlagen und Begriffe im <strong>Thermoformen</strong><br />

2.7 Entformungsschrägen<br />

Der W<strong>in</strong>kel zwischen Seitenwand und Entformungsrichtung wird als Entformungsschräge<br />

bezeichnet.<br />

Entformt wird, sobald die dickste Stelle des geformten Teils bis unterhalb <strong>der</strong> Erweichungstemperatur<br />

abgekühlt ist. Je länger mit dem Entformen gewartet wird, desto stärker kühlt<br />

das geformte Teil ab.Aufgrund <strong>der</strong> Längenän<strong>der</strong>ungen schrumpft e<strong>in</strong> positiv geformtes Teil<br />

auf das Formwerkzeug. E<strong>in</strong> negativ geformtes Teil schrumpft bei e<strong>in</strong>er E<strong>in</strong>fachform von <strong>der</strong><br />

Werkzeugwand weg.<br />

Um sicher entformen zu können, muss das Formteil steif genug se<strong>in</strong>. Das Formteil darf,<br />

<strong>in</strong>sbeson<strong>der</strong>e bei Positivformen, nicht zu kalt werden. Die Entformzeit ist immer e<strong>in</strong> Teil <strong>der</strong><br />

Taktzeit und muss so kurz wie möglich se<strong>in</strong>.Wichtig ist die Kontrolle <strong>der</strong> nachfließenden Luft<br />

zwischen Werkzeugwand und Formteil während des Entformens. Das Formteil darf während<br />

des Entformvorgangs nicht deformieren.All diese Kriterien lassen sich nur mit Entformschrägen<br />

erreichen. E<strong>in</strong>e Entformungsschräge soll immer so groß wie möglich gewählt werden. Je<br />

größer die Entformungsschräge, umso schneller kann entformt werden – was auch die Taktzeit<br />

verkürzt. E<strong>in</strong>e große Entformungsschräge verr<strong>in</strong>gert das Risiko <strong>der</strong> Deformation des Formteils<br />

bei <strong>der</strong> Entformung.Anzustrebende Entformungsschrägen für Positiv-Formwerkzeuge und<br />

für Mehrfach-Negativ-Formwerkzeuge:<br />

α• = 3 bis 5°<br />

α• < 0,5° für Schw<strong>in</strong>dung < 0,5 % und langsame Entformung.<br />

Das Entformen von e<strong>in</strong>em positiv geformten Teil mit e<strong>in</strong>er Entformungsschräge α von 0° ist<br />

pr<strong>in</strong>zipiell unter folgenden Bed<strong>in</strong>gungen möglich:<br />

•<br />

•<br />

die Entformtemperatur liegt knapp unterhalb <strong>der</strong> Erweichungstemperatur.<br />

die Entformluft und die Entformgeschw<strong>in</strong>digkeit s<strong>in</strong>d fe<strong>in</strong> dosierbar.<br />

Entformungsschrägen α von 0° s<strong>in</strong>d nicht für die Serienproduktion geeignet.<br />

Bild 2.9 Entformungsschrägen α<br />

a) Positivform<br />

b) Negativform<br />

a) b)


2.8 Entlüftungsquerschnitte<br />

2.9 Markierungen, Schreckmarken, Abrisse<br />

Um beim Formen das aufgeheizte Halbzeug auf die Oberfläche des Formwerkzeugs zu drücken,<br />

wird beim Vakuumformen die Luft zwischen Halbzeug und Formwerkzeug durch die<br />

Entlüftungsquerschnitte des Formwerkzeuges abgesaugt. Beim Druckluftformen wird die Luft<br />

durch die Entlüftungsquerschnitte herausgedrückt.<br />

Entlüftungsquerschnitte werden zum Beispiel als Bohrungen, Schlitze o<strong>der</strong> Schlitzdüsen<br />

ausgeführt. Alternativ können bei <strong>der</strong> Fertigung des Formwerkzeugs poröse Werkstoffe zum<br />

E<strong>in</strong>satz kommen.<br />

Anhaltswerte für die Auslegung von Entlüftungsquerschnitten gibt die Tabelle für den Thermoformer<br />

<strong>in</strong> Abschnitt 3.17.<br />

Die Abluftquerschnitte von <strong>der</strong> Oberfläche <strong>der</strong> Form werden über e<strong>in</strong> Abluftkanalsystem<br />

zusammengeführt. Für die Zahl <strong>der</strong> Entlüftungsbohrungen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Formwerkzeug, gilt<br />

folgende Faustregel:<br />

Bei voller Formatauslegung (Nutzung <strong>der</strong> maximalen Formfläche) muss die Gesamtfläche <strong>der</strong><br />

Entlüftungsquerschnitte an <strong>der</strong> Oberfläche e<strong>in</strong>er Form größer se<strong>in</strong> als <strong>der</strong> zentrale Anschluss für<br />

die Abluft (Vakuumformung).<br />

Beim Entformen wird <strong>in</strong> den Werkzeugen die Entformluft durch die gleichen Querschnitte<br />

e<strong>in</strong>geblasen, durch die beim Ausformen die Luft evakuiert wird. Nur <strong>in</strong> Ausnahmefällen,<br />

nämlich wenn beim Vorblasen Abschreckmarken an bestimmten Entlüftungsquerschnitten<br />

<strong>in</strong>folge von zu hohen Luftgeschw<strong>in</strong>digkeiten entstehen können, werden diese separat verrohrt<br />

und nur für Evakuieren benutzt.<br />

2.9 Markierungen, Schreckmarken, Abrisse<br />

Markierungen (Bild 2.10), Schreckmarken (Bild 2.11),Abrisse und Aufrisse (Bild 2.12) können<br />

durch geeignete Maßnahmen vermieden o<strong>der</strong> zum<strong>in</strong>dest verbessert werden.<br />

Markierungen von Abluftbohrungen<br />

entstehen, wenn die Absaugbohrungen<br />

zu groß o<strong>der</strong> die Oberflächen <strong>der</strong><br />

Form zu glatt s<strong>in</strong>d<br />

Bild 2.10 Markierung <strong>der</strong> Abluftbohrungen an e<strong>in</strong>em glasklaren Formteil<br />

13


14 2 Grundlagen und Begriffe im <strong>Thermoformen</strong><br />

a) b)<br />

Bild 2.11 Schreckmarke<br />

a) Positivformteil<br />

b) Schnitt A – A im Eckbereich <strong>der</strong> Positivform a)<br />

Bild 2.12 Abriss und Aufriss<br />

a) Abriss an e<strong>in</strong>em Positivformteil<br />

b) Aufriss an e<strong>in</strong>em Positivformteil<br />

2.10 Der Werkzeugsatz<br />

a) b)<br />

Sämtliche <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Anlage erfor<strong>der</strong>lichen Teile, die für die Fertigung e<strong>in</strong>es neuen Produkts<br />

erfor<strong>der</strong>lich s<strong>in</strong>d, werden als Werkzeugsatz bezeichnet. Alle Teile außer dem Formwerkzeug<br />

werden als Formatteile bezeichnet.<br />

Beispiele<br />

Plattenmasch<strong>in</strong>e mit Festformatrahmen<br />

In e<strong>in</strong>er Plattenmasch<strong>in</strong>e mit Festformatrahmen, Beschickungsstation und separater Heizstation<br />

besteht <strong>der</strong> Werkzeugsatz aus:<br />

• Formwerkzeug<br />

• Formenunterbau<br />

• Vorstreckstempel<br />

• Spannrahmen für die Formstation<br />

• Spannrahmen für die Heizstation<br />

•<br />

Saugersp<strong>in</strong>ne (Saugerplatte) für die Beschickungsstation


2.11 Umform- und Verstreckungsverhältnis<br />

Plattenmasch<strong>in</strong>e mit verstellbaren Spannrahmen und verstellbarem Unterbau<br />

In e<strong>in</strong>er Plattenmasch<strong>in</strong>e mit verstellbaren Spannrahmen, verstellbarem Unterbau, Festformatrahmen,<br />

Beschickungsstation und separater Heizstation besteht <strong>der</strong> Werkzeugsatz aus:<br />

•<br />

•<br />

•<br />

Formwerkzeug<br />

Vorstreckstempel<br />

Saugersp<strong>in</strong>ne (Saugerplatte) für die Beschickungsstation<br />

Rollenautomat mit Stanz und Stapelstation<br />

In e<strong>in</strong>em Rollenautomaten mit Stanz- und Stapelstation besteht e<strong>in</strong> Werkzeugsatz aus:<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

Formwerkzeug<br />

Formenunterbau<br />

Spannrahmen<br />

Vorstreckstempel<br />

Bandstahlschnitt mit Stanzgegenlage<br />

Stapelteile<br />

2.11 Umform- und Verstreckungsverhältnis<br />

Das Umformverhältnis (Bild 2.13) ist das Verhältnis zwischen <strong>der</strong> Höhe H und <strong>der</strong> Breite B<br />

<strong>der</strong> Formfläche. Das Umformverhältnis gibt ke<strong>in</strong>e genaue Auskunft über die Verstreckung.<br />

Bild 2.13 Umformverhältnis<br />

a)<br />

c)<br />

b)<br />

H ÷ B<br />

H ÷ B<br />

H ÷ D<br />

15


16 2 Grundlagen und Begriffe im <strong>Thermoformen</strong><br />

Das Verstreckungsverhältnis ist das Verhältnis zwischen <strong>der</strong> gesamten Fläche des durch Verstreckung<br />

erzeugten Teiles und <strong>der</strong> Ausgangsfläche vor <strong>der</strong> Verstreckung. Sowohl für die erzeugte<br />

Fläche als auch für die Ausgangsfläche wird <strong>der</strong> Spannrand nicht berücksichtigt.<br />

F2<br />

Verstreckungsverhältnis =<br />

F1<br />

F1 = Formfläche<br />

F2 = Fläche des Formteils<br />

2.12 Faltenbildung beim <strong>Thermoformen</strong><br />

Der Ablauf <strong>der</strong> Faltenbildung ist <strong>in</strong> Bild 2.14 und 2.15 schematisch dargestellt.<br />

Bild 2.14 Ablauf Faltenbildung<br />

ABCD = beheiztes Halbzeug (Formläche)<br />

abcd = obere Kontaktfläche <strong>der</strong> Form mit<br />

dem Halbzeug<br />

Vorformen als Vorstreckvorgang mit <strong>der</strong><br />

Form beendet; Ausformen noch nicht begonnen<br />

Fertig geformtes Formteil mit Falten an<br />

den unteren Ecken


2.12 Faltenbildung beim <strong>Thermoformen</strong><br />

Bild 2.15 Schematische Erklärung <strong>der</strong> Faltenbildung an den unteren Ecken e<strong>in</strong>er Positivform<br />

Erklärung <strong>der</strong> Faltenbildung siehe Bild 2.15:<br />

1. Bevor das Ausformen mit Vakuum o<strong>der</strong> Druckluft e<strong>in</strong>setzt, ist das heiße Halbzeug zwischen<br />

<strong>der</strong> oberen Ebene abcd <strong>der</strong> Positivform zum E<strong>in</strong>spannrand ABCD wie e<strong>in</strong> Zelt<br />

gespannt.<br />

2. Die Mittell<strong>in</strong>ie Mm <strong>der</strong> vor<strong>der</strong>en Zeltwand AadD, wird während des Ausformens verstreckt<br />

zu MO + Om. Das <strong>in</strong> <strong>der</strong> Mitte dargestellte Element verstreckt sich <strong>in</strong> <strong>der</strong> Höhe.<br />

3. Die waagerechte Mittell<strong>in</strong>ie v1w1 wird während des Ausformens gestaucht zu <strong>der</strong> kürzeren<br />

Länge v2w2.<br />

Schlussfolgerung:<br />

• Beim Ausformen wird <strong>der</strong> Kunststoff <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Richtung verstreckt und <strong>in</strong> <strong>der</strong> an<strong>der</strong>en<br />

gestaucht. (Falten entstehen nie durch Verstrecken, nur durch Stauchen.)<br />

• Solange <strong>der</strong> aufgeheizte Kunststoff während des Ausformens „stauchfähig“ bleibt, entstehen<br />

ke<strong>in</strong>e Falten.<br />

• Die Stauchfähigkeit ist abhängig vom viskoelastischen Verhalten des verarbeiteten Halbzeugs,<br />

d. h. von <strong>der</strong> Kunststoffart, <strong>der</strong> Kunststofftemperatur dem Stauchverhältnis und<br />

<strong>der</strong> Stauchgeschw<strong>in</strong>digkeit.<br />

Wird die Stauchfähigkeit überschritten, entstehen Falten.<br />

An den unteren Eckbereichen von Positivformen ist das Stauchverhältnis am größten; Somit<br />

ist das Risiko <strong>der</strong> Faltenbildung bei eckigen Positivformen an den Ecken im unteren Bereich<br />

am größten.<br />

17


18 2 Grundlagen und Begriffe im <strong>Thermoformen</strong><br />

2.13 Verh<strong>in</strong><strong>der</strong>n <strong>der</strong> Faltenbildung<br />

2.13.1 Verh<strong>in</strong><strong>der</strong>n von Falten an Positivformen<br />

Möglichkeiten für das Verh<strong>in</strong><strong>der</strong>n <strong>der</strong> Falten:<br />

a) Än<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> Masch<strong>in</strong>ene<strong>in</strong>stellungen.<br />

– Durch Verr<strong>in</strong>gerung des Querschnitts für die Abluft reduziert sich die Stauchgeschw<strong>in</strong>digkeit.<br />

Bei Vakuumformmasch<strong>in</strong>en wird <strong>der</strong> Vakuumquerschnitt für kurze<br />

Zeit reduziert („Vorvakuum“).<br />

– Materialtemperatur korrigieren: Material etwas höher aufheizen, wenn dieses während<br />

des Ausformens zu schnell erkaltet ist. Material etwas weniger aufheizen, wenn dieses<br />

während des Ausformens zu schnell ausgeformt wird.<br />

b) Verh<strong>in</strong><strong>der</strong>n von Falten durch Än<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> Spannrahmens mit dem Ziel <strong>der</strong> Verr<strong>in</strong>gerung<br />

des E<strong>in</strong>zugsbereiches an den Ecken.<br />

– Mittels Blenden im Spannrahmen wird <strong>der</strong> E<strong>in</strong>zugsbereiches und dadurch das Stauchverhältnis<br />

verr<strong>in</strong>gert. Das Pr<strong>in</strong>zip zeigt Bild 2.16.<br />

A wird zu A1, B zu B1, C zu C1 und D zu D1.<br />

c) Falten mit dem Vorstreckstempel verh<strong>in</strong><strong>der</strong>n.<br />

– Es gilt <strong>der</strong> Grundsatz:„Kle<strong>in</strong>e Falten kann man drücken,große Falten muss man ziehen“.<br />

Für kle<strong>in</strong>ere Falten kann e<strong>in</strong> Vorstreckstempel gefertigt werden, mit dessen Hilfe die<br />

kle<strong>in</strong>e Falte flach gedrückt wird.Würde man dies mit e<strong>in</strong>er großen Falte versuchen,<br />

wird diese vom Stempel zusammengefaltet. Dabei muss <strong>der</strong> Stempel <strong>in</strong> se<strong>in</strong>er Position<br />

se<strong>in</strong>, bevor die Falte entsteht.<br />

d) Verh<strong>in</strong><strong>der</strong>n von Falten durch Än<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> Formkontur im Abfallbereich.<br />

– Form höher aufbauen, sodass die Falte im Abfallbereich entsteht (nur möglich, wenn<br />

<strong>der</strong> entsprechende Bereich abgetrennt wird.)<br />

– Falten ause<strong>in</strong>an<strong>der</strong>ziehen. Dies kann mit zwei künstlichen Erhöhungen (z. B. Halbkugeln)<br />

erfolgen, je e<strong>in</strong>e rechts und l<strong>in</strong>ks von <strong>der</strong> Falte. Ähnliche Ergebnisse br<strong>in</strong>gt e<strong>in</strong>e<br />

Vertiefung unterhalb <strong>der</strong> Falte.<br />

e) Verh<strong>in</strong><strong>der</strong>n von Falten durch Än<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> Radien <strong>der</strong> Positivform im oberen Bereich.<br />

– Durch Vergrößerung <strong>der</strong> Radien im oberen Bereich <strong>der</strong> Positivform verr<strong>in</strong>gern sich<br />

die Ausgangsflächen des „Zeltes“ vor dem Ausformen (Bild 2.16). a wird zu a1, b zu<br />

Bild 2.16 Verbesserung <strong>der</strong> Stauchverhältnisse mit dem Ziel, Falten zu verh<strong>in</strong><strong>der</strong>n


2.14 Wanddickenberechnung<br />

b1, c zu c1, d zu d1. Dabei ist zu beachten, dass Verän<strong>der</strong>ungen am Formwerkzeug als<br />

Designän<strong>der</strong>ung gelten und immer <strong>der</strong> Zustimmung des Abnehmers bedürfen.<br />

f) Än<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> Form, sodass die Falte wie e<strong>in</strong>e gewollteVerstärkungsrippe aussieht.<br />

– Im unteren Bereich mehr Oberfläche schaffen, sodass die Fläche <strong>der</strong> Falte „aufgebraucht“<br />

werden kann.<br />

2.13.2 Verh<strong>in</strong><strong>der</strong>n von Falten an Negativformen<br />

Wenn bei Negativkonturen Falten entstehen, müssen die Falten mit e<strong>in</strong>em Vorstreckstempel<br />

weggedrückt werden.<br />

2.13.3 Verh<strong>in</strong><strong>der</strong>n von Flächenfalten <strong>in</strong>folge starken Foliendurchhangs<br />

Ist die Oberfläche e<strong>in</strong>es aufgeheizten Halbzeugs größer als die Oberfläche des Formwerkzeugs,<br />

entstehen Oberflächenfalten. Dies ist <strong>der</strong> Fall, wenn <strong>der</strong> Materialdurchhang groß und die<br />

Formhöhe ger<strong>in</strong>g ist. Die Lösung ist, die Form erhöht aufzubauen, sodass die neu entstandene<br />

Formoberfläche (Form + Erhöhung) größer ist als die durch den Durchhang entstandene<br />

Oberfläche des Halbzeugs.<br />

2.14 Wanddickenberechnung<br />

Unter <strong>der</strong> Voraussetzung, dass das Gewicht des unverformten Zuschnittes und des fertig<br />

verformten Teiles gleich bleibt, resultiert, dass das Verhältnis zwischen Wanddicke des Fertigteils<br />

und Ausgangsdicke des Halbzeugs gleich ist mit dem Verhältnis <strong>der</strong> Ausgangsfläche des<br />

Halbzeugs zur verstreckten Fläche des Formteils.<br />

Da beim <strong>Thermoformen</strong> die Wanddicke zwar reproduzierbar, aber nicht überall am Fertigteil<br />

gleich dick ist, kann man e<strong>in</strong>e Abweichung <strong>der</strong> ger<strong>in</strong>gsten und <strong>der</strong> größten Wanddicke von<br />

<strong>der</strong> durchschnittlichen Wanddicke von ± 30 % annehmen.<br />

F<br />

s s<br />

1<br />

2 = ⋅ 1<br />

F2<br />

F 1 = Fläche des Halbzeugs ohne Spannrand<br />

F 2 = Oberfläche des Thermoformteils<br />

s 1 = Dicke des Halbzeugs<br />

s 2 = theoretische durchschnittliche Wanddicke des Thermoformteils<br />

dünnste Stelle = 0,7 s 2<br />

dickste Stelle = 1,3 s 2<br />

19


20 2 Grundlagen und Begriffe im <strong>Thermoformen</strong><br />

Beispiel für Wanddickenberechnung<br />

c<br />

b<br />

Bild 2.17 Beispiel für Wanddickenberechnung<br />

F = L ⋅ B = 510.400 mm<br />

1<br />

L<br />

2<br />

a<br />

B<br />

F2= L ⋅ B + 2bc + 2ac= 1.550.400 mm<br />

F1 F2<br />

= 0,329 und = 3,038<br />

F F<br />

2 1<br />

2<br />

a = 800 mm<br />

b = 500 mm<br />

c = 400 mm<br />

L = 880 mm<br />

B = 580 mm<br />

Für Ausgangsdicke = 5 mm,<br />

theoretische durchschnittliche Wanddicke des Fertigteiles = 5 · 0,329 = 1,645 mm<br />

Wahrsche<strong>in</strong>liche, praktisch erreichbare Wanddickenverteilung = 1,645 mm ± 30 %<br />

= 1,15 bis 2,1 mm.


3 Thermoplastische Halbzeuge<br />

3.1 Aufbau und Struktur <strong>der</strong> Thermoplaste<br />

Thermoplaste bestehen aus Makromolekülen (Polymeren) mit Längen bis zu 10 –3 mm.<br />

Diese Makromoleküle können l<strong>in</strong>ear (fadenähnlich) se<strong>in</strong>, wie z. B. bei PE-HD, o<strong>der</strong> verzweigt,<br />

wie z. B. bei PE-LD. Es handelt sich um amorphe Thermoplaste, wenn die Makromoleküle<br />

<strong>in</strong> völliger Unordnung (Wattebausch) vorliegen (Bild 3.1 a). Gleichmäßig aufgebaute Makromoleküle,<br />

wie z. B. l<strong>in</strong>eares Polyethylen o<strong>der</strong> Polyacetale, können partielle Ordnungen<br />

(Kristallite) bilden; allerd<strong>in</strong>gs kristallisieren Polymere grundsätzlich nur teilweise. Es liegen<br />

dann teilkristall<strong>in</strong>e Thermoplaste vor (Bild 3.1 b).<br />

Amorphe Thermoplaste wie Standard-PS, PVC, PC, PMMA s<strong>in</strong>d aufgrund ihrer Struktur<br />

glasklar, wenn sie nicht e<strong>in</strong>gefärbt, modifiziert o<strong>der</strong> gefüllt werden. Teilkristall<strong>in</strong>e Thermoplaste<br />

s<strong>in</strong>d, je nach Kristallisationsgrad, aufgrund <strong>der</strong> Lichtbrechung durch die Kristallite,<br />

transluzent bis opak. Je nach Materialtyp und Umformverfahren schmelzen die Kristallite<br />

während des Aufheizens und das Halbzeug wird <strong>in</strong> diesem Temperaturbereich glasklar. Beim<br />

Erkalten bilden sich erneut Kristallite, <strong>der</strong> Kunststoff wird wie<strong>der</strong> opak.Wird e<strong>in</strong> teilkristall<strong>in</strong>er<br />

Thermoplast, z. B. PP, unterhalb des Kristallitschmelzbereiches umgeformt, spricht man vom<br />

„SPPF“-Verfahren (solid phase pressure form<strong>in</strong>g).<br />

Kristallisierbare Thermoplaste s<strong>in</strong>d Thermoplaste, die als Halbzeug praktisch amorph s<strong>in</strong>d<br />

und erst während des Aufheizens kristallisieren. Im Fall von CPET wird das Kristallisieren<br />

im beheizten Formwerkzeug genutzt, um die Temperaturbeständigkeit des Fertigteiles zu<br />

erhöhen.<br />

Für alle Thermoplaste gilt:<br />

• Sie haben e<strong>in</strong>en begrenzten Gebrauchstemperaturbereich. Unterhalb e<strong>in</strong>er bestimmten<br />

Temperatur s<strong>in</strong>d sie zerbrechlich wie Glas, oberhalb e<strong>in</strong>er bestimmten Temperatur (Erweichungstemperatur)<br />

verlieren sie die Festigkeit.<br />

Bild 3.1 Strukturen von Thermoplasten<br />

a) amorphe Struktur<br />

b) teilkristall<strong>in</strong>e Struktur


22 3 Thermoplastische Halbzeuge<br />

•<br />

•<br />

Ist die Temperatur hoch genug, können sie unter Kraftanwendung umgeformt werden. Je<br />

höher die Temperatur, desto ger<strong>in</strong>ger die Umformkraft.<br />

Während des Verstreckens zeigen Thermoplaste e<strong>in</strong> viskoelastisches Verhalten. Das heißt,<br />

je höher die Streckgeschw<strong>in</strong>digkeit, desto höher die Streckkraft. E<strong>in</strong>e Ausnahme bilden<br />

Thermoplaste, die während des Aufheizens kristallisieren, wie z. B. CPET.<br />

3.2 Aufnahme von Feuchtigkeit im Halbzeug<br />

Folien und Platten aus thermoplastischem Halbzeug s<strong>in</strong>d hygroskopisch, d. h., sie nehmen<br />

aus <strong>der</strong> Umgebung Feuchtigkeit auf, wenn <strong>der</strong> Basiskunststoff hygroskopisch ist o<strong>der</strong> dem<br />

Kunststoff hygroskopische Zusätze wie Talkum, Ruß o<strong>der</strong> entsprechende Farbstoffe beigemischt<br />

werden. Werden feuchte Halbzeuge beim <strong>Thermoformen</strong> aufgeheizt, bilden sich Blasen an<br />

<strong>der</strong> Oberfläche (Bild 3.2).<br />

Beispiele für hygroskopische Kunststoffe s<strong>in</strong>d ABS, ASA, CA, CAB, extrudiertes PMMA, PC,<br />

A-PET, PSU, PES und Polyamide. Hygroskopische Halbzeuge werden normalerweise luftdicht<br />

verpackt angeliefert. Die Verpackung wird erst geöffnet, wenn sie verarbeitet werden.<br />

Getrocknet wird <strong>in</strong> Trockenöfen mit Umluft.Wenn ke<strong>in</strong>e speziellen Herstellerangaben vorliegen,<br />

können entsprechende Vortrocknungstemperaturen <strong>der</strong> Tabelle für den Thermoformer<br />

entnommen werden. Die Platten müssen dabei mit Abstand so gestellt werden, dass die warme<br />

Luft beidseitig zirkulieren kann. Bei feuchten Folienrollen s<strong>in</strong>d mehrere Tage zur Trocknung<br />

notwendig. Getrocknetes Halbzeug muss nach <strong>der</strong> Trocknung, falls es nicht <strong>in</strong>nerhalb kurzer<br />

Zeit verarbeitet wird, sofort <strong>in</strong> PE-Folie dicht verpackt werden.<br />

Hygroskopische Halbzeuge müssen immer trocken verarbeitet werden, d. h.<br />

• direkt aus <strong>der</strong> luftdichten Verpackung,<br />

• nach dem Trocknen, direkt aus dem Trockenofen (d. h. im warmen Zustand),<br />

• nach dem Trocknen und Abkühlen, wobei die getrockneten Platten warm verpackt werden.<br />

Bild 3.2 Blasen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em glasklaren Formteil<br />

aus PMMA


3.3 Reibverhalten beim <strong>Thermoformen</strong><br />

In letzter Zeit lagern immer mehr Thermoformbetriebe ihre hygroskopischen Halbzeuge <strong>in</strong><br />

klimatisierten Lagern, bei hoher Temperatur (größer 40 °C) und ger<strong>in</strong>ger Luftfeuchtigkeit.<br />

Bereits getrocknete Platten absorbieren erneut Feuchtigkeit.Getrocktnetes Polycarbonat (PC)<br />

kann beispielsweise bei normaler Luftfeuchtigkeit schon nach e<strong>in</strong>er halben Stunde soviel Feuchtigkeit<br />

aufgenommen haben, dass beim Aufheizen <strong>in</strong> <strong>der</strong> Thermoformmasch<strong>in</strong>e Blasen entstehen.ABS<br />

kann dagegen bei normaler Luftfeuchtigkeit 2 bis 3 Tage unverpackt liegen bleiben.<br />

Verpackte Plattenstapel sollten beim Hersteller nur <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Größe bestellt werden, die verarbeitet<br />

werden kann, ohne dass die letzten Platten zu lange offen liegen und erneut getrocknet<br />

werden müssen. Rollenware wird praktisch nie getrocknet, weil die Zeit des Beheizens über<br />

mehrere Takte meist ausreicht um die Feuchtigkeit zu entfernen. Je weniger <strong>der</strong> Kunststoff<br />

aufgeheizt werden muss (z. B. Druckluftformung) desto weniger macht sich die Feuchtigkeit<br />

<strong>in</strong> Form von Bläschen bemerkbar.<br />

3.3 Reibverhalten beim <strong>Thermoformen</strong><br />

Das Reibverhalten von Kunststoffen spielt beim <strong>Thermoformen</strong> dann e<strong>in</strong>e Rolle, wenn es<br />

während <strong>der</strong> Umformung zu e<strong>in</strong>er Gleitbewegung zwischen Halbzeug und Thermoformwerkzeug<br />

o<strong>der</strong> Vorstreckstempel kommt. Dies ist zum Beispiel bei <strong>der</strong> Negativformung beim<br />

Vorstrecken mit dem Stempel o<strong>der</strong> bei <strong>der</strong> Positivformung beim Vorstrecken mit dem Formwerkzeug<br />

<strong>der</strong> Fall. Ist die Reibung sehr hoch, haftet <strong>der</strong> Kunststoff beim ersten Kontakt. E<strong>in</strong>e<br />

weitere Verstreckung des Halbzeugs ist an diesen Stellen nicht mehr möglich. Der E<strong>in</strong>fluss<br />

hoher Reibung kann sehr gut beim Klebekaschieren nachgewiesen werden. Hier wird das zu<br />

kaschierende Trägerteil mit Klebstoff besprüht. Ist die Reibung sehr niedrig, dann gleitet das<br />

Halbzeug sehr leicht über die Kontaktfläche.<br />

Ist die Reibung zwischen Vorstreckstempel und Halbzeug zu kle<strong>in</strong>, wird die Wanddicke im<br />

Bodenbereich zu ger<strong>in</strong>g. Typisches Beispiel ist die Wahl e<strong>in</strong>es falschen Werkstoffs für den<br />

Vorstreckstempel für e<strong>in</strong> bestimmtes Halbzeug; Mit e<strong>in</strong>em Vorstreckstempel aus PTFE ist es<br />

praktisch unmöglich, e<strong>in</strong>en Becher aus PS-HI so zu formen, dass <strong>der</strong> Bodenbereich ausreichend<br />

dick wird.<br />

Ist die Reibung zwischen Formwerkzeug und Halbzeug zu kle<strong>in</strong>, wird die Wanddicke im<br />

Bodenbereich zu ger<strong>in</strong>g. Um die Reibung zu erhöhen, muss das Formwerkzeug so warm<br />

wie möglich temperiert und das Halbzeug auf <strong>der</strong> Kontaktseite zum Werkzeug so heiß wie<br />

möglich beheizt werden.<br />

Werkzeugseitig wird die Reibung bee<strong>in</strong>flusst durch:<br />

• Werkstoff an <strong>der</strong> Oberfläche des Thermoformwerkzeugs<br />

• Werkzeugtemperatur <strong>der</strong> Kontaktfläche<br />

• Oberflächenrauigkeit des Formwerkzeugs<br />

Halbzeugseitig wird die Reibung bee<strong>in</strong>flusst durch:<br />

• Kunststofftyp (Schicht) auf <strong>der</strong> Kontaktseite<br />

• Oberflächenbehandlung und -beschaffenheit (Antiblockbeschichtung)<br />

•<br />

Halbzeugtemperatur während des Kontaktes<br />

23


24 3 Thermoplastische Halbzeuge<br />

Leicht sandgestrahlte o<strong>der</strong> von Hand leicht angeraute Werkzeugoberflächen bewirken e<strong>in</strong><br />

besseres Gleiten des Halbzeugs als grob gestrahlte o<strong>der</strong> hochglanzpolierte Oberflächen. Hochglanzpoliert<br />

sollten nur die Ecken von Positivwerkzeugen se<strong>in</strong>, über welche <strong>der</strong> erwärmte<br />

Kunststoff beim Verstrecken relativ schnell gleitet. E<strong>in</strong>e ger<strong>in</strong>gere Werkzeugtemperatur reduziert<br />

den Reibungskoeffizienten zwischen Formwerkzeug und dem beheizten Halbzeug.<br />

Halbzeuge mit beson<strong>der</strong>s hoher Reibung (starker Klebeneigung) s<strong>in</strong>d Mehrschichtfolien,<br />

<strong>in</strong>sbeson<strong>der</strong>e die mit Siegelschichten. Die Erweichungstemperatur <strong>der</strong> Siegelschicht liegt<br />

immer unterhalb <strong>der</strong> Erweichungstemperatur <strong>der</strong> Trägerschicht. Da die Trägerschicht auf<br />

Umformtemperatur aufgeheizt werden muss, wird die Siegelschicht„überhitzt“, was bei dieser<br />

zu e<strong>in</strong>er hohen Reibung mit dem Werkzeug bzw. dem Vorstreckstempel führt.<br />

PS-HI/PE-Zweischichtfolien machen beispielsweise Probleme, wenn mit e<strong>in</strong>em Vorstreckstempel<br />

vorgestreckt werden muss und die PE-Seite die Kontaktseite zum Vorstreckstempel<br />

ist. Beson<strong>der</strong>s nachteilig ist dies bei Vakuumformung, weil für die Umformung von PS-HI mit<br />

Vakuum m<strong>in</strong>destens 160 °C notwendig s<strong>in</strong>d. Bei dieser Temperatur ist PE sehr klebrig. E<strong>in</strong>e<br />

Haftung kann nur verh<strong>in</strong><strong>der</strong>t werden, wenn <strong>der</strong> Stempel Antihafteigenschaften hat. Die meisten<br />

Folien mit Siegelschicht kann man so umformen, dass die Siegelschicht mit dem „kalten“<br />

Werkzeug <strong>in</strong> Kontakt kommt. Die niedrige Werkzeugtemperatur kühlt die Halbzeugoberfläche<br />

schneller ab, was zu e<strong>in</strong>er Reduzierung <strong>der</strong> Reibung führt.<br />

Mehrschichtmaterialien, <strong>der</strong>en Schichten ähnliche Umformtemperaturen erfor<strong>der</strong>n, machen<br />

bezüglich <strong>der</strong> Reibung ke<strong>in</strong>erlei Probleme. Beispielsweise zeigen ABS/PMMA-Zweischichthalbzeuge<br />

ke<strong>in</strong>e Reibungsprobleme, da ABS und PMMA ähnliche Umformtemperaturen haben.<br />

In <strong>der</strong> <strong>Praxis</strong> hilft es, wenn das Halbzeug so„kalt“ wie möglich verarbeitet wird. Die„klebrige“<br />

Seite sollte weniger als die an<strong>der</strong>e Seite beheizt werden. Hat die „klebrige“ Seite Kontakt zum<br />

Formwerkzeug, dann sollte dieses auf e<strong>in</strong>e möglichst niedrige Temperatur temperiert werden.<br />

Hat die „klebrige“ Seite Kontakt zum Vorstreckstempel, sollten Vorstreckstempel aus PTFE<br />

o<strong>der</strong> mit PTFE-Oberfläche e<strong>in</strong>gesetzt werden.<br />

Halbzeuge mit Blockeigenschaft (z. B. PET) müssen mit Antiblockbeschichtung ausgerüstet<br />

se<strong>in</strong>. Gestapelte PET-Formteile, die aus e<strong>in</strong>er Folie ohne Antiblockbeschichtung hergestellt<br />

werden, lassen sich nicht entstapeln, sie „blocken“. Das Gleitreibungsverhalten von Folien<br />

mit und ohne Antiblockbeschichtung ist sehr unterschiedlich. Wenn für e<strong>in</strong>e bestimmte Folie<br />

die Kontur für e<strong>in</strong>en Vorstreckstempel ermittelt wurde, muss bei <strong>der</strong> nächsten Lieferung<br />

unbed<strong>in</strong>gt auf die gleiche Beschichtung bzw.Antiblockausrüstung geachtet werden. Bei e<strong>in</strong>er<br />

an<strong>der</strong>er Beschichtung müssen mit großer Wahrsche<strong>in</strong>lichkeit die E<strong>in</strong>stellungen <strong>der</strong> Masch<strong>in</strong>e<br />

geän<strong>der</strong>t werden. Im ungünstigsten Fall ist die Än<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> Kontur <strong>der</strong> Vorstreckstempel<br />

erfor<strong>der</strong>lich.<br />

3.4 Verhalten beim Aufheizen<br />

Wichtige Faktoren beim Aufheizen von thermoplastischem Halbzeug s<strong>in</strong>d<br />

Wärmeabsorptionsverhalten bzw. die Heizzeit<br />

•<br />

• Ausdehnung und Durchhang

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