Leseprobe Thermoformen in der Praxis Herausgegeben von Adolf

Leseprobe
Thermoformen in der Praxis
Herausgegeben von Adolf Illig
ISBN: 978-3-446-40794-7
Weitere Informationen oder Bestellungen unter
http://www.hanser.de/978-3-446-40794-7
sowie im Buchhandel.
© Carl Hanser Verlag, München
3
Thermoplastische Halbzeuge
3.1
Aufbau und Struktur der Thermoplaste
Thermoplaste bestehen aus Makromolekülen (Polymeren) mit Längen bis zu 10–3 mm.
Diese Makromoleküle können linear (fadenähnlich) sein, wie z. B. bei PE-HD, oder verzweigt,
wie z. B. bei PE-LD. Es handelt sich um amorphe Thermoplaste, wenn die Makromoleküle
in völliger Unordnung (Wattebausch) vorliegen (Bild 3.1 a). Gleichmäßig aufgebaute Makromoleküle, wie z. B. lineares Polyethylen oder Polyacetale, können partielle Ordnungen
(Kristallite) bilden; allerdings kristallisieren Polymere grundsätzlich nur teilweise. Es liegen
dann teilkristalline Thermoplaste vor (Bild 3.1 b).
Amorphe Thermoplaste wie Standard-PS, PVC, PC, PMMA sind aufgrund ihrer Struktur
glasklar, wenn sie nicht eingefärbt, modifiziert oder gefüllt werden. Teilkristalline Thermoplaste sind, je nach Kristallisationsgrad, aufgrund der Lichtbrechung durch die Kristallite,
transluzent bis opak. Je nach Materialtyp und Umformverfahren schmelzen die Kristallite
während des Aufheizens und das Halbzeug wird in diesem Temperaturbereich glasklar. Beim
Erkalten bilden sich erneut Kristallite, der Kunststoff wird wieder opak. Wird ein teilkristalliner
Thermoplast, z. B. PP, unterhalb des Kristallitschmelzbereiches umgeformt, spricht man vom
„SPPF“-Verfahren (solid phase pressure forming).
Kristallisierbare Thermoplaste sind Thermoplaste, die als Halbzeug praktisch amorph sind
und erst während des Aufheizens kristallisieren. Im Fall von CPET wird das Kristallisieren
im beheizten Formwerkzeug genutzt, um die Temperaturbeständigkeit des Fertigteiles zu
erhöhen.
Für alle Thermoplaste gilt:
• Sie haben einen begrenzten Gebrauchstemperaturbereich. Unterhalb einer bestimmten
Temperatur sind sie zerbrechlich wie Glas, oberhalb einer bestimmten Temperatur (Erweichungstemperatur) verlieren sie die Festigkeit.
Bild 3.1 Strukturen von Thermoplasten
a) amorphe Struktur
b) teilkristalline Struktur
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3 Thermoplastische Halbzeuge
• Ist die Temperatur hoch genug, können sie unter Kraftanwendung umgeformt werden. Je
höher die Temperatur, desto geringer die Umformkraft.
• Während des Verstreckens zeigen Thermoplaste ein viskoelastisches Verhalten. Das heißt,
je höher die Streckgeschwindigkeit, desto höher die Streckkraft. Eine Ausnahme bilden
Thermoplaste, die während des Aufheizens kristallisieren, wie z. B. CPET.
3.2
Aufnahme von Feuchtigkeit im Halbzeug
Folien und Platten aus thermoplastischem Halbzeug sind hygroskopisch, d. h., sie nehmen
aus der Umgebung Feuchtigkeit auf, wenn der Basiskunststoff hygroskopisch ist oder dem
Kunststoff hygroskopische Zusätze wie Talkum, Ruß oder entsprechende Farbstoffe beigemischt
werden. Werden feuchte Halbzeuge beim Thermoformen aufgeheizt, bilden sich Blasen an
der Oberfläche (Bild 3.2).
Beispiele für hygroskopische Kunststoffe sind ABS, ASA, CA, CAB, extrudiertes PMMA, PC,
A-PET, PSU, PES und Polyamide. Hygroskopische Halbzeuge werden normalerweise luftdicht verpackt angeliefert. Die Verpackung wird erst geöffnet, wenn sie verarbeitet werden.
Getrocknet wird in Trockenöfen mit Umluft. Wenn keine speziellen Herstellerangaben vorliegen, können entsprechende Vortrocknungstemperaturen der Tabelle für den Thermoformer
entnommen werden. Die Platten müssen dabei mit Abstand so gestellt werden, dass die warme
Luft beidseitig zirkulieren kann. Bei feuchten Folienrollen sind mehrere Tage zur Trocknung
notwendig. Getrocknetes Halbzeug muss nach der Trocknung, falls es nicht innerhalb kurzer
Zeit verarbeitet wird, sofort in PE-Folie dicht verpackt werden.
Hygroskopische Halbzeuge müssen immer trocken verarbeitet werden, d. h.
• direkt aus der luftdichten Verpackung,
• nach dem Trocknen, direkt aus dem Trockenofen (d. h. im warmen Zustand),
• nach dem Trocknen und Abkühlen, wobei die getrockneten Platten warm verpackt werden.
Bild 3.2 Blasen in einem glasklaren Formteil
aus PMMA
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3.3 Reibverhalten beim Thermoformen
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In letzter Zeit lagern immer mehr Thermoformbetriebe ihre hygroskopischen Halbzeuge in
klimatisierten Lagern, bei hoher Temperatur (größer 40 °C) und geringer Luftfeuchtigkeit.
Bereits getrocknete Platten absorbieren erneut Feuchtigkeit.Getrocktnetes Polycarbonat (PC)
kann beispielsweise bei normaler Luftfeuchtigkeit schon nach einer halben Stunde soviel Feuchtigkeit aufgenommen haben, dass beim Aufheizen in der Thermoformmaschine Blasen entstehen. ABS kann dagegen bei normaler Luftfeuchtigkeit 2 bis 3 Tage unverpackt liegen bleiben.
Verpackte Plattenstapel sollten beim Hersteller nur in einer Größe bestellt werden, die verarbeitet werden kann, ohne dass die letzten Platten zu lange offen liegen und erneut getrocknet
werden müssen. Rollenware wird praktisch nie getrocknet, weil die Zeit des Beheizens über
mehrere Takte meist ausreicht um die Feuchtigkeit zu entfernen. Je weniger der Kunststoff
aufgeheizt werden muss (z. B. Druckluftformung) desto weniger macht sich die Feuchtigkeit
in Form von Bläschen bemerkbar.
3.3
Reibverhalten beim Thermoformen
Das Reibverhalten von Kunststoffen spielt beim Thermoformen dann eine Rolle, wenn es
während der Umformung zu einer Gleitbewegung zwischen Halbzeug und Thermoformwerkzeug oder Vorstreckstempel kommt. Dies ist zum Beispiel bei der Negativformung beim
Vorstrecken mit dem Stempel oder bei der Positivformung beim Vorstrecken mit dem Formwerkzeug der Fall. Ist die Reibung sehr hoch, haftet der Kunststoff beim ersten Kontakt. Eine
weitere Verstreckung des Halbzeugs ist an diesen Stellen nicht mehr möglich. Der Einfluss
hoher Reibung kann sehr gut beim Klebekaschieren nachgewiesen werden. Hier wird das zu
kaschierende Trägerteil mit Klebstoff besprüht. Ist die Reibung sehr niedrig, dann gleitet das
Halbzeug sehr leicht über die Kontaktfläche.
Ist die Reibung zwischen Vorstreckstempel und Halbzeug zu klein, wird die Wanddicke im
Bodenbereich zu gering. Typisches Beispiel ist die Wahl eines falschen Werkstoffs für den
Vorstreckstempel für ein bestimmtes Halbzeug; Mit einem Vorstreckstempel aus PTFE ist es
praktisch unmöglich, einen Becher aus PS-HI so zu formen, dass der Bodenbereich ausreichend dick wird.
Ist die Reibung zwischen Formwerkzeug und Halbzeug zu klein, wird die Wanddicke im
Bodenbereich zu gering. Um die Reibung zu erhöhen, muss das Formwerkzeug so warm
wie möglich temperiert und das Halbzeug auf der Kontaktseite zum Werkzeug so heiß wie
möglich beheizt werden.
Werkzeugseitig wird die Reibung beeinflusst durch:
• Werkstoff an der Oberfläche des Thermoformwerkzeugs
• Werkzeugtemperatur der Kontaktfläche
• Oberflächenrauigkeit des Formwerkzeugs
Halbzeugseitig wird die Reibung beeinflusst durch:
• Kunststofftyp (Schicht) auf der Kontaktseite
• Oberflächenbehandlung und -beschaffenheit (Antiblockbeschichtung)
• Halbzeugtemperatur während des Kontaktes
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3 Thermoplastische Halbzeuge
Leicht sandgestrahlte oder von Hand leicht angeraute Werkzeugoberflächen bewirken ein
besseres Gleiten des Halbzeugs als grob gestrahlte oder hochglanzpolierte Oberflächen. Hochglanzpoliert sollten nur die Ecken von Positivwerkzeugen sein, über welche der erwärmte
Kunststoff beim Verstrecken relativ schnell gleitet. Eine geringere Werkzeugtemperatur reduziert den Reibungskoeffizienten zwischen Formwerkzeug und dem beheizten Halbzeug.
Halbzeuge mit besonders hoher Reibung (starker Klebeneigung) sind Mehrschichtfolien,
insbesondere die mit Siegelschichten. Die Erweichungstemperatur der Siegelschicht liegt
immer unterhalb der Erweichungstemperatur der Trägerschicht. Da die Trägerschicht auf
Umformtemperatur aufgeheizt werden muss, wird die Siegelschicht „überhitzt“, was bei dieser
zu einer hohen Reibung mit dem Werkzeug bzw. dem Vorstreckstempel führt.
PS-HI/PE-Zweischichtfolien machen beispielsweise Probleme, wenn mit einem Vorstreckstempel vorgestreckt werden muss und die PE-Seite die Kontaktseite zum Vorstreckstempel
ist. Besonders nachteilig ist dies bei Vakuumformung, weil für die Umformung von PS-HI mit
Vakuum mindestens 160 °C notwendig sind. Bei dieser Temperatur ist PE sehr klebrig. Eine
Haftung kann nur verhindert werden, wenn der Stempel Antihafteigenschaften hat. Die meisten Folien mit Siegelschicht kann man so umformen, dass die Siegelschicht mit dem „kalten“
Werkzeug in Kontakt kommt. Die niedrige Werkzeugtemperatur kühlt die Halbzeugoberfläche
schneller ab, was zu einer Reduzierung der Reibung führt.
Mehrschichtmaterialien, deren Schichten ähnliche Umformtemperaturen erfordern, machen
bezüglich der Reibung keinerlei Probleme. Beispielsweise zeigen ABS/PMMA-Zweischichthalbzeuge keine Reibungsprobleme, da ABS und PMMA ähnliche Umformtemperaturen haben.
In der Praxis hilft es, wenn das Halbzeug so „kalt“ wie möglich verarbeitet wird. Die „klebrige“
Seite sollte weniger als die andere Seite beheizt werden. Hat die „klebrige“ Seite Kontakt zum
Formwerkzeug, dann sollte dieses auf eine möglichst niedrige Temperatur temperiert werden.
Hat die „klebrige“ Seite Kontakt zum Vorstreckstempel, sollten Vorstreckstempel aus PTFE
oder mit PTFE-Oberfläche eingesetzt werden.
Halbzeuge mit Blockeigenschaft (z. B. PET) müssen mit Antiblockbeschichtung ausgerüstet
sein. Gestapelte PET-Formteile, die aus einer Folie ohne Antiblockbeschichtung hergestellt
werden, lassen sich nicht entstapeln, sie „blocken“. Das Gleitreibungsverhalten von Folien
mit und ohne Antiblockbeschichtung ist sehr unterschiedlich. Wenn für eine bestimmte Folie die Kontur für einen Vorstreckstempel ermittelt wurde, muss bei der nächsten Lieferung
unbedingt auf die gleiche Beschichtung bzw. Antiblockausrüstung geachtet werden. Bei einer
anderer Beschichtung müssen mit großer Wahrscheinlichkeit die Einstellungen der Maschine
geändert werden. Im ungünstigsten Fall ist die Änderung der Kontur der Vorstreckstempel
erforderlich.
3.4
Verhalten beim Aufheizen
Wichtige Faktoren beim Aufheizen von thermoplastischem Halbzeug sind
• Wärmeabsorptionsverhalten bzw. die Heizzeit
• Ausdehnung und Durchhang
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3.4 Verhalten beim Aufheizen
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• Festigkeit des Halbzeugs bei Umformtemperatur
• Umformtemperaturbereich und somit
• das Temperaturgefälle über die Halbzeugdicke
Die Aufheizzeit eines Kunststoffhalbzeugs ist abhängig von folgenden Faktoren:
• Kunststofftyp (PS, PS-HI, PVC, PP, Füllung usw.)
• Halbzeugdicke
• Art der Wärmeübertragung
• Heizleistung der Thermoformmaschine
• Wirkungsgrad der Heizung
Beidseitiges Beheizen hat nicht nur den Vorteil der kürzeren Heizzeit, sondern erlaubt auch eine
bessere Temperaturverteilung über die Plattendicke und somit die sehr wichtige Einflussnahme
auf die Reibung zwischen dem beheizten Halbzeug und der Form oder dem Vorstreckstempel.
Mit Infrarotstrahlung können Halbzeugdicken bis ca. 2,5 mm einseitig beheizt werden. Ab
2,5 mm Dicke sollte beidseitig beheizt werden.
In allen bis heute bekannten Heizverfahren (Konvektion, Kontakt, IR-Strahlung) stellt sich
im Halbzeug ein Temperaturprofil über die Dicke her. Diese Temperaturprofil kann bei ein
und derselben Maschine nur über die Heizzeit und die Heizintensität beeinflusst werden.
Die Temperaturen im Inneren des Halbzeugs sind leider nicht zerstörungsfrei messbar. Es
setzt deshalb große Erfahrung voraus, die optimalen Heizparameter, wie Strahlertemperatur
und Heizzeit richtig einzustellen. Vorteilhaft diesbezüglich sind Thermoformmaschinen,
mit denen der Maschinenbediener die Grundeinstellung inklusive der Heizungsparameter
errechnen kann.
Ein Halbzeug mit kleinem Temperaturgefälle über die Halbzeugdicke lässt sich besser umformen und das Formteil hat bessere mechanische Eigenschaften. Dies ist auch einer der Vorteile
der Inline-Verkettung eines Rollenautomaten mit einem Extruder.
Ein fast bis zur Schädigungsgrenze aufgeheiztes Halbzeug ergibt eine schlechtere Wanddickenverteilung und das Fertigteil hat ungünstigere mechanische Eigenschaften.
Es gilt die Faustregel: Je länger die Heizzeit, desto kleiner das Temperaturgefälle über die
Dicke. Dass dies jedoch nicht immer stimmt, wurde in Tests mit 8 mm dicken PE-HD bewiesen. Die besten Ergebnisse beim Beheizen mit Keramikstrahlern wurden erreicht, indem
mit hoher Strahlertemperatur (700 °C an der Oberheizung, 500 °C an der Unterheizung)
gestartet und die Strahlertemperatur während der Heizzeit reduziert wurde. Diese Einstellung ergab sowohl die kürzeste Heizzeit als auch das kleinste Temperaturgefälle über die
Plattendicke.
Schlagfestes Polystyrol (PS-HI bzw. SB) wird bei den meisten Thermoformern als Referenzkunststoff angesehen. Das heißt, wenn die Heizzeiten für PS-HI bekannt sind, können die
Heizzeiten für andere Kunststoffe durch Multiplikation des Wertes für PS-HI mit einem
„Materialfaktor“ errechnet werden (Werte für IR-Strahlung, siehe Tabelle für den Thermoformer).
Stand der Technik in der Reproduzierbarkeit des Thermoformprozesses sind prozessgesteuerte
Maschinen. Ein wesentliches Merkmal dieser Maschinen ist die Kompensation von Außen-
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einflüssen, d. h. aller Änderungen mit Einfluss auf die Heizzeit und mit Einfluss auf das Temperaturprofil über die Halbzeugdicke. Um das Temperaturprofil über die Halbzeugdicke von
Takt zu Takt, vom ersten bis zum letzten Ziehteil reproduzierbar konstant zu halten, werden
alle Einflüsse berücksichtigt:
• Eingangstemperatur des Halbzeugs
• Raumtemperatur
• Temperatur der nicht direkt beheizten Teile der Maschine (z. B. Temperatur des Maschinengestells)
• aktuelle Oberflächentemperatur des Halbzeugs während der Heizzeit
• Strahlertemperatur während der Heizzeit
Mit den von Sensoren erfassten Daten werden die Temperaturen der Strahler der Heizungen
ständig so geändert, dass das erreichte Temperaturprofil des Halbzeuges über die Dicke bei
jedem Takt konstant bleibt.
3.5
Ausdehnung und Durchhang
Thermoplastischen Halbzeuge haben eine berechenbare Längenausdehnung nur in ihrem
Dauergebrauchstemperaturbereich. Die Längenausdehnung durch Erwärmung wird mit
dem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten λ (siehe Tabelle für den Thermoformer)
wie folgt berechnet:
Δl = l1 ⋅ λ ⋅ (T2 − T1 )
Dabei bedeuten:
Δl
l1
λ
T1
T2
=
=
=
=
=
Wärmeausdehnung in mm
Länge oder Maß bei Temperatur T1 in mm
linearer thermischer Längenausdehnungskoeffizient
Anfangstemperatur, meist Raumtemperatur
Temperatur am Ende der Heizzeit
Beispiel:
Für ABS mit l1 = 800 mm, λ = 90 · 10–6 1/K; T1 = 20 °C, T2 = 60 °C ergibt sich die Längenausdehnung Δλ = 800 mm · 90 · 10–6 1/K · (60 – 20) K = 2,88 mm.
Der sich für denselben Temperaturunterbereich ergebende Durchhang f kann vereinfacht
berechnet werden:
Durchhang f = 0,62 b1 ⋅ Δb
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3.6 Umformtemperaturbereiche
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Dabei bedeuten:
f = Durchhang in mm
b1 = Breite des Spannrahmens bzw. des Kettentransports
Δb = Längenausdehnung der Folie für die Temperaturdifferenz T2 – T1
wird errechnet nach der obigen Formel für Δl
Sobald die Erweichungstemperatur überschrittten wird, werden von der Extrusion eingefrorene
Spannungen frei. Dabei gibt es zwei Verhaltensweisen:
• hochorientierte Folien wie OPS oder Skinfolie aus PE-LD spannen sich wieder im Spannrahmen oder in der Transporteinrichtung „wie ein Trommelfell“.
• Folien mit geringer Schmelzefestigkeit, wie die meisten thermoformbaren PP- oder PVCTypen, dehnen sich weiter aus bis zur Umformtemperatur, es kommt zum so genannten
Durchhang.
Bei Beheizung mit Kontaktheizplatten kann es infolge der Ausdehnung und dabei unterschiedlichem Kontaktdruck zu Haftschlieren auf der Oberfläche des Halbzeugs kommen.
Bei Beheizung mit Strahlungsheizungen treten folgende Probleme auf:
• Hängt das Halbzeug frei durch, kommt zur Wärmedehnung noch die Dehnung durch das
Eigengewicht der Folie dazu. Es besteht die Gefahr, dass Berührung mit der Unterheizung
erfolgt und das Halbzeug dadurch thermisch geschädigt wird. Bei PP ist es äußerst schwierig, bei der Folienherstellung Spannungen so einzufrieren, dass die Folie beim Aufheizen
in der Thermoformmaschine nicht durchhängt.
Wird das Halbzeug gegen den Durchhang mit Stützluft unterstützt, um es in der Ebene zu
halten, bilden sich Wellen. Bei sehr starker Wellenbildung erhält man unterschiedliche Temperaturen auf den Scheiteln und in den Tälern der Wellen, was die Qualität der Formteile
negativ beeinflusst.
In Plattenmaschinen mit Luftunterstützung während der Beheizung sollen Halbzeuge mit
geringer Schmelzefestigkeit bewusst leicht durchhängen, damit die Wellenbildung bei der
Ausdehnung möglichst niedrig gehalten wird. Für Halbzeuge mit geringer Schmelzefestigkeit
und starkem Durchhang ist eine Durchhangberechnung nicht möglich.
3.6
Umformtemperaturbereiche
Die Umformtemperaturbereiche sind bestimmt durch
• die niedrigste Temperatur, bei der das Halbzeug gerade noch ausreichend scharf ausgeformt werden kann und
• die höchste Temperatur, bei der das Halbzeug noch nicht thermisch geschädigt wird.
Schädigungen treten auf durch Verbrennungen an der Oberfläche, erkennbar an Farbänderungen (z. B. weißes ABS wird gelblich), starkes Glänzen (z. B. PE-HD), Bläschenbildung (bei
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3 Thermoplastische Halbzeuge
allen hygroskopischen Materialien mit zu hoher Restfeuchtigkeit), Aufreißen der Oberfläche
oder nicht mehr vorhandene Verarbeitbarkeit des Halbzeugs.
Beispiel für ein Halbzeug mit einem großen Umformtemperaturbereich: PS-HI:
• Umformtemperatur bei Druckluftformung: 120 bis 150 °C
• Umformtemperatur bei Vakuumformung: 165 bis 200 °C
Beispiel für ein Halbzeug mit einem kleinen Umformtemperaturbereich: OPS:
• Umformtemperatur bei Druckluftformung: 110 bis 120 °C
• Umformtemperatur bei Vakuumformung: nicht scharf ausformbar
Anhaltswerte für Umformtemperaturen siehe Tabelle 3.2.
3.7
Ausformschärfe
Die Ausformschärfe ist die Abbildegenauigkeit des Thermoformwerkzeugs am Fertigteil. Als
Kriterien werden hauptsächlich kleine Radien und Oberflächenstrukturen (Ledernarbungen,
Holzmaserungen) an der Anlageseite zum Werkzeug beobachtet. Die Ausformschärfe hängt
von vielen Faktoren ab:
•
•
•
•
•
•
•
Halbzeugtyp
Halbzeugdicke
Umformtemperaturprofil über der Gesamtdicke des Halbzeugs
Umformdruck (Druckluft- oder Vakuumformung)
Temperatur des Thermoformwerkzeugs
Entlüftung des Thermoformwerkzeugs
Verstreckungsverhältnis
Zu den Kunststoffen, die sich auch mit Vakuumformung mit hoher Ausformschärfe umformen
lassen, zählen PS-HI, PP, PE, ABS, PPO.
PC, APET und gegossenes PMMA lassen sich nur mit hohem Ausformdruck mit hoher Ausformschärfe umformen.
Je höher die Umformtemperatur ist, desto besser wird die Ausformschärfe. Ausnahmen
machen nur Kunststoffe, die während des Aufheizens zu kristallisieren beginnen, wie z. B.
APET, C-PET. Je höher der Ausformdruck, desto einfacher wird eine gute Ausformschärfe
erreicht. Bei vielen Kunststoffen kann eine maschinenbedingte kleinere Formungskraft (z. B.
bei Vakuumformung) durch eine höhere Umformtemperatur kompensiert werden. Bei hohen Verstreckungen in Verbindung mit hohen Halbzeugtemperaturen wird es schwierig, eine
gleichmäßige Wanddickenverteilung zu erzielen.
Je höher die Temperatur des Thermoformwerkzeugs, desto besser wird die Ausformschärfe.
Eine niedrigere Werkzeugtemperatur kann bei Druckluftformung durch einen höheren For-
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3.8 Schrumpfung
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mungsdruck kompensiert werden. Eine gute Entlüftung des Formwerkzeuges ermöglicht eher
eine hohe Ausformschärfe als ein schlecht entlüftetes Formwerkzeug. Wird auf einer ebenen,
strukturierten Werkzeugoberfläche Luft eingeschlossen, ergibt sich am Formteil eine geringere
Strukturtiefe in Verbindung mit höherem Glanz.
Je höher die Gesamtverstreckung, desto schwieriger wird es, eine hohe Ausformschärfe zu
erreichen. Der zu formende Kunststoff hat beim Thermoformen immer noch eine gewisse
Restelastizität, er ist nicht vollkommen plastisch und wirkt deshalb wie ein Gummituch. Bei
zunehmender Gesamtverstreckung wird eine höhere Umformkraft notwendig, um Werkzeugoberflächenstrukturen detailgetreu abzuformen.
3.8
Schrumpfung
Unter Schrumpfung versteht man die Maßänderung eines thermoplastischen Halbzeugs unter
Temperatureinwirkung, ohne jegliche mechanische Beanspruchung bzw. Verhinderung der
Maßänderung. Die Schrumpfung erfolgt immer während des Aufheizens.
Die Schrumpfung eines Halbzeugs kann mit einem Schrumpftest geprüft werden.
Dazu wird ein Zuschnitt von etwa 100 × 100 mm (200 × 200 mm) genau vermessen, die
Abmessungen werden auf den Zuschnitt geschrieben, die Extrusionsrichtung, bzw. die
Ausschneiderichtung wird durch einen Pfeil gekennzeichnet. Der Zuschnitt wird in einen
vorgeheizten Umluftwärmeschrank auf Talkum gelegt. Die Ofentemperatur sollte in etwa der
Umformtemperatur des Halbzeuges entsprechen. Die Lagerzeit im Ofen sollte ca. 5 Minuten
pro mm Dicke, mindestens 5 Minuten betragen. Anschließend wird der Zuschnitt aus dem
Ofen entnommen und bei Raumtemperatur abgekühlt. Der geschrumpfte Zuschnitt wird
vermessen und die Schrumpfung (auch Schrumpfwert) wie folgt ermittelt:
Schrumpfung in % =
(Abmessungen vor Test − Abmessungen nach Test)
⋅ 100
Abessungen vor Test
Die Vorgehensweise bei der Ermittlung des Schrumpfwertes muss schriftlich dokumentiert
werden, um bei einem Vergleichstest die gleichen Einstellungen vornehmen zu können.
Schrumpfwerte müssen immer in Längs- und Querrichtung ermittelt werden. Ungleiche
Werte sind keineswegs ein Beweis für eine schlechte Halbzeugqualität. Geringe Schrumpfwerte
sind kein Beweis für eine gute Halbzeugqualität. Eine PP-Deckelfolie mit einem sehr guten
Verhalten in der Thermoformmaschine kann beispielsweise einen Schrumpfwert von +55 %
in Längsrichtung und –18 % in Querrichtung aufweisen.
Der Schrumpftest ist eine einfache Vorgehensweise, um bei unterschiedlichen Lieferungen
gleichbleibende Halbzeugqualität nachweisen zu können.
Sollten mit einem Halbzeug Probleme mit Faltenbildung, Ausreißen aus dem Spannrahmen,
starkes Schrumpfen in Kontaktheizungen usw. auftreten, ist ein Schrumpfungsvergleichstest
mit den Halbzeugen der alten und neuen Lieferung zweckmäßig. Unterschiedliche Schrumpfungswerte sind der Beweis für unterschiedliche Herstellungsparameter und somit unterschiedliche Qualitäten der gelieferten Halbzeuge.
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Gut extrudierte Halbzeuge dürfen sich im Warmluftofen während des Schrumpftests nicht
einrollen. Einrollen ist die Folge von unterschiedlichen Spannungen auf Ober- und Unterseite.
Um trotzdem auch für ein Halbzeug, das sich unter Hitze einrollt, den Schrumpftest machen
zu können, hat sich diese Vorgehensweise bewährt: Auf ein Holzbrett wird eine PTFE-Folie
gespannt, darauf wird Talkum gestreut und der Testzuschnitt aufgelegt. Über den Testzuschnitt
wird ebenfalls Talkum gestreut.
Der Testzuschnitt wird mit einer PTFE-Folie locker abgedeckt, die Deckfolie außen mit Reißnägeln auf dem Holzbrett befestigt.
3.9
Schwindung
Unter Schwindung eines Thermoformteils versteht man die Maßunterschiede des Formteils
gegenüber denen des Thermoformwerkzeugs. Die Schwindung erfolgt immer nach dem
Entformen, beim Erkalten des geformten Teiles.
Man unterscheidet zwischen Entformungsschwindung ES, Verarbeitungsschwindung VS,
Nachschwindung NS und Gesamtschwindung GS.
Die Verarbeitungsschwindung VS wird wie folgt berechnet:
VS in % =
(Maß am Werkzeug − Maß am Formteil) ⋅ 100
Maß am Werkzeug
Nach DIN 16 901 werden die Maße am Formteil nach 16-stündiger Lagerung und die Maße am
Werkzeug bei einer Temperatur von 23 °C ermittelt. Vergleicht man die Formteillängenmaße
unmittelbar nach der Entformung mit den Maßen des Formwerkzeuges bei (Werkzeug bei
23 °C), erhält man die Entformungsschwindung ES. Die Schwindung nach der Verarbeitungsschwindung VS wird als Nachschwindung NS bezeichnet. Die Gesamtschwindung GS ist die
Summe aus Verarbeitungsschwindung VS und Nachschwindung NS.
Amorphe Thermoplaste haben praktisch kaum Nachschwindung. Teilkristalline Thermoplaste
schwinden immer nach. Die Nachschwindung kann bis 50 % der Verarbeitungsschwindung
betragen. Die Nachschwindungsdauer beträgt bis zu ca. einer Woche, in seltenen Fällen auch
länger.
Werte für die Verarbeitungsschwindung der einzelnen Kunststoffe, siehe Tabelle für den
Thermoformer. Die dort angegebenen Werte gelten als Richtwerte. Für Kunststoffe, bei denen
eine große Streubreite für die Schwindungswerte angegeben ist, sollten vor dem Bau des Thermoformwerkzeugs die Schwindungswerte beim Halbzeughersteller erfragt, oder durch eigene
Versuche die genauen Schwindungswerte ermittelt werden. Beim Ermitteln von Schwindungswerten muss das Testwerkzeug eine ähnliche Kontur wie das Produktionswerkzeug haben. Die
Schwindungswerte müssen für alle Richtungen ermittelt werden.
Bei der Ermittlung eines Schwindungswertes muss darauf geachtet werden, dass keine Deformationen mitgemessen werden. Bei der Angabe von Fertigungstoleranzen für thermogeformte
Teile muss eine Toleranz für die Verarbeitungsschwindung von mindestens ± 10 % vom
Schwindungswert berücksichtigt werden.
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3.9 Schwindung
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Praxisbeispiele für Probleme mit der Verarbeitungsschwindung:
• Eine umgeformte ABS/PVC-Folie kann z. B. nachweisbar bis zu fünf Tage nachschwinden.
Soll diese in einem Werkzeug hinterschäumt werden, muss der Prozess nach einer vorgegebenen Zeitfolge ablaufen, ansonsten passen die Ziehteile nicht in die Schäumform.
• PE-HD hat eine hohe Verarbeitungsschwindung und schwindet als teilkristalliner Kunststoff nach. Eine auf Maß gefertigte einzuklebende Textilmatte wird nur passen, wenn der
Zeitpunkt der Verklebung gleich ist mit dem Zeitpunkt der Maßermittlung für die Passung
der beiden Teile.
• Die Passung eines PP-Deckels auf einem Becher darf nie sofort nach dem Formen und
Erkalten des Deckels geprüft werden. Um die Verarbeitungs- und Nachschwindung zu
berücksichtigen, muss der Deckel bis zum Passungstest mindestens 1 bis 2 Tage liegen.
• Eine besondere Problematik besteht in der Festlegung der Abmessungen eines Schnittwerkzeugs, wenn das Schneiden nicht in der Formstation, sondern in einer Folgestation
erfolgt. Da die Verarbeitungsschwindung unmittelbar nach der Thermoformung noch
nicht abgeschlossen ist, müssen die Abmessungen der Schnitte auf die Maße der nichtausgeschnittenen Teile während des Schneidens festgelegt werden. Vorteilhaft ist es, wenn die
Einzelsegmente im Schnittwerkzeug einzeln nachjustiert werden können.
Die Entformtemperatur eines Teiles liegt im Dauertemperaturbereich. Die Entformtemperatur
ist immer höher als die Raumtemperatur und geringer als die Erstarrungstemperatur (VicatErweichungstemperatur). Für diesen Temperaturbereich kann die Verarbeitungsschwindung
VS auf Basis der temperaturabhängigen Längenänderung berechnet werden.
VS = {1 − [1 + λ W ⋅ (TW Prod − 23)] ⋅ [1 − λ K ⋅ (TEntf − 23)]} ⋅ 100
λW
TW Prod
λK
TEntf
=
=
=
=
Längenausdehnungskoeffizient des Werkzeug-Werkstoffs
Temperatur des Formwerkzeuges während der Produktion
Längenausdehnungskoeffizient des thermoplastischen Halbzeugs
Entformtemperatur des Ziehteiles
Wenn die Wanddicken eines Ziehteiles in etwa gleichmäßig dick sind, und das Ziehteil beim
Entformen in etwa eine gleichmäßige Entformtemperatur hat, ergibt sich für das Ziehteil
eine einheitliche Verarbeitungsschwindung. Dies ist meist der Fall bei Ziehteilen mit geringer
Verstreckung. Bei Ziehteilen mit hoher Verstreckung ergeben sich meist größere Unterschiede
zwischen Dick- und Dünnstellen. Da die Kühlzeit für alle Stellen gleich lang ist, ergeben sich
unterschiedliche Entformtemperaturen.
Aufgrund der unterschiedlichen Entformtemperaturen ergeben sich auch unterschiedliche
Verarbeitungsschwindungen. Wenn beispielsweise bei einem Trinkbecher der Rand oder
der Bodenbereich dicker als die Seitenwand ist, ergeben sich aufgrund der unterschiedlichen
Entformtemperaturen unterschiedliche Verarbeitungsschwindungen.
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3.10
3 Thermoplastische Halbzeuge
Orientierung
Der Schrumpfungstest gibt auch Aufschluss über die Orientierung der Makromoleküle. Hat
ein Halbzeug sehr hohe Orientierungen, z. B. in der Extrusionsrichtung, dann wirkt sich das
ungünstig auf die Faltenbildung aus. Bei Mehrfach-Werkzeugsegmenten mit gleichem Abstand
in Längs- und Querrichtung ist die Faltenbildung in Extrusionsrichtung wesentlich stärker
als in der Querrichtung (Bild 3.3).
Beim Thermoformen erfolgt zusätzlich noch eine Orientierung der Makromoleküle durch
Verstrecken. Kunststoffe haben in Orientierungsrichtung eine hohe Festigkeit, senkrecht zur
Orientierungsrichtung ist die Festigkeit dagegen sehr gering. Bild 3.4 a zeigt einen thermogeformten Becher aus PS-HI (SB), der leicht in Streifen in Längsrichtung gerissen werden kann.
Der Streifen selbst ist in Längsrichtung sehr fest, weil er in dieser Richtung stark orientiert ist.
Eine zu starke Orientierung beim Thermoformen kann die Verformungsfähigkeit quer zur
Streckrichtung sehr stark verringern und so zum Aufreißen quer zur Streckrichtung führen
(Bild 3.4 b).
Orientierungen am Fertigteil können durch Schrumpfungsversuche (Aufheizen im Umluftofen) nachgewiesen werden.
bei Einzelsegmenten
bei Mehrfachsegmenten
Bild 3.3 Faltenbildung
bei einem runden Ziehteil
an einem eckigen Behälter
Bild 3.4 Einreißen/Aufreißen infolge von Orientierung
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