Thermoformen in der Praxis (eBook)

Die ILLIG Maschinenbau GmbH & Co. KG zählt zu den führenden Anbietern mit dem weltweit umfangreichsten Lieferprogramm von Maschinen und Werkzeugen für die Thermoformung und Verpackungstechnik. Durch Innovation, Qualität und Kontinuität entwickelte sich die Firma ILLIG in über 60 Jahren zum führenden Systemanbieter. Konsequente Forschung und Entwicklung im Bereich Thermoformung sowie modernster Fertigungstechniken und –Methoden sichern die hohe Qualität der ILLIG Maschinen. Autor ist Peter Schwarzmann, er ist langjähriger Mitarbeiter der Firma ILLIG und leitete den Produktbereich Plattenmaschinen.

Vorwort zur 3. Auflage 7
Vorwort zur 2. Auflage 7
Vorwort zur 1. Auflage 7
Inhalt 9
1 Einführung 19
2 Grundlagen und Begriffe im Thermoformen 23
2.1 Verfahrensablauf 23
2.2 Positiv- und Negativformung 24
2.3 Vakuum- und Druckluftformung 26
2.3.1 Unterschiede zwischen Vakuum- und Druckluftformung 26
2.3.2 Einsatz für Druckluftformung 27
2.4 Umformdruck, Ausformdruck, und Ausformschärfe 28
2.5 Vorblasen, Vorsaugen, Druckausgleich, Belüften 30
2.6 Schreckmarken und Markierungen 31
2.6.1 Schreckmarken an positiv geformten Teilen 31
2.6.2 Schreckmarken an negativ geformten Teilen 35
2.6.3 Ursachen für Schreckmarken 37
2.6.4 Möglichkeiten für die Reduzierung der Schreckmarken 37
2.6.5 Folgen der Schreckmarkenbildung 38
2.6.6 Nutzen der typischen Wanddickenverteilung in Schreckmarken bei Verschlüssen von Klappverpackungen 39
2.6.7 Schlussfolgerung mit Bezug auf Schreckmarken 40
2.6.8 Markierungen 40
2.7 Faltenbildung beim Thermoformen 41
2.7.1 Ablauf der Faltenbildung bei Positivformung 42
2.7.2 Faltenbildung bei Negativformung 45
2.7.3 Faltenbildung auf Oberflächen 46
2.8 Der Werkzeugsatz 46
2.9 Formfläche, Einzugsfläche, Spannrand 47
2.10 Niederhalter, Hochhalter 48
2.11 Umform- und Verstreckungsverhältnis 50
2.12 Entformschrägen 51
2.13 Entlüftungsquerschnitte 52
2.14 Wanddickenberechnung 52
3 Thermoplastische Halbzeuge 55
3.1 Aufbau und Struktur der Thermoplaste 55
3.2 Aufnahme von Feuchtigkeit im Halbzeug 56
3.3 Verhalten beim Aufheizen 58
3.4 Ausdehnung und Durchhang 59
3.5 Umformtemperaturbereiche 61
3.6 Reibverhalten beim Thermoformen 62
3.7 Ausformschärfe 64
3.8 Verarbeitungsschwindung beim Thermoformen 65
3.9 Der freie Schrumpf von Halbzeugen 71
3.10 Einfluss der Spannungen im extrudierten Halbzeug 75
3.11 Statische Aufladung 79
3.12 Das viskoelastische Verhalten der Thermoplaste beim Thermoformen 80
3.13 Verhalten beim Kühlen 81
3.14 Toleranzen von Halbzeugen 82
3.15 Herstellungsverfahren für thermoplastische Halbzeuge 83
3.16 Tabelle für den Thermoformer 86
3.17 Thermoplaste für das Thermoformen 91
3.17.1 Polystyrol (PS) 91
3.17.2 Schlagfestes Polystyrol (PS-HI) 92
3.17.3 Styrol-Butadien-Styrol-Blockcopolymer (SBS) 93
3.17.4 Orientiertes Polystyrol (OPS) 94
3.17.5 Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS) 95
3.17.6 Acrylnitril-Styrol-Acrylester-Copolymer (ASA) 96
3.17.7 Styrol-Acrylnitril-Copolymer (SAN) 97
3.17.8 Polyvinylchlorid (PVC-U) 98
3.17.9 Polyethylen hoher Dichte (PE-HD) 98
3.17.10 Polypropylen (PP): Detaillierte Vorstellung 100
3.17.11 Extrudiertes Polymethylmethacrylat (PMMA ex) 115
3.17.12 Gegossenes Polymethylmethacrylat (PMMA g) 116
3.17.13 Polykarbonat (PC) 118
3.17.14 Polyamid (PA) 119
3.17.15 Polyethylenterephthalat, PET?: Detaillierte Vorstellung 120
3.17.16 Polysulfon (PSU) 127
3.17.17 EPE und EPP-Schaumfolien 128
3.17.18 Biokunststoffe im Thermoformen 129
3.17.18.1 Abbaubare Kunststoffe aus erneuerbaren Rohstoffen 130
3.17.18.2 Nicht abbaubare Bio-Kunststoffe 136
3.17.19 Mehrschicht-, Barriere- und Verbundhalbzeuge 137
3.17.20 Sonstige Halbzeuge 146
3.17.21 Markennamen 146
4 Heizungstechniken im Thermoformen 147
4.1 Strahlungsheizungen 147
4.1.1 Prinzip der Wärmeübertragung durch Infrarotstrahlung 147
4.1.2 Durch Strahlung übertragbare Wärmemenge 149
4.1.3 Gleichmäßiges Beheizen mit Strahlungsheizungen 155
4.1.4 Keramik-, Quarzgut- und Hellstrahler im Vergleich 161
4.2 Reproduzierbarkeit von Heizergebnissen der Strahlungsheizungen 165
4.2.1 Beurteilung der Reproduzierbarkeit 165
4.2.2 Kompensation der nicht beeinflussbaren Außeneinflüsse auf den Heizprozess 169
4.2.3 Leistungsstellung und Temperatruregelung von Heizungen 169
4.3 Kontaktheizungen 171
4.4 Konvektionsheizungen 173
4.5 Mindestheizzeit, effektive Heizzeit und Verweilzeit 173
4.5.1 Einfluss der Heizzeit auf das Thermoformverhalten 173
4.5.2 Positive Auswirkung der Verweilzeit 174
4.5.3 Negative Auswirkung der Verweilzeit 175
5 Heizungen in Plattenmaschinen 177
5.1 Grundlagen der isothermengeregelten Heizung 178
5.1.1 Fachbegriffe 178
5.1.2 Details zur Temperaturregelung von Keramikstrahlern 180
5.1.3 Vorteile von Pilotstrahlern geregelten Heizungen 181
5.2 Joystickteilung des Heizbildes 182
5.3 Mehrstellungsschaltung 183
5.4 Strahlertemperaturregelung mit überlagerter Prozent-Stellung 186
5.5 IR-Messeinrichtung zur Temperaturmessung oder Steuerung von Heizungen 187
6 Heizungen in Rollenautomaten 189
6.1 Allgemeines 189
6.2 Pilotstrahlergeregelte Heizungen in Rollenautomaten 190
6.2.1 Heizung mit Temperatur-Längsreihenregelung 190
6.2.2 Heizung mit Temperatur-Gesamtfeldregelung 191
6.2.3 Heizung mit Querreihen-Regelung 192
7 Beheizen von mehrfarbigen und vorbedruckten Halbzeugen mit IR-Strahlungsheizungen 193
7.1 Allgemeines 193
7.2 Wahl der Infrarot-Strahler 193
8 Thermoformverfahren auf Plattenmaschinen 197
8.1 Positivformung 198
8.1.1 Positivformung mit mechanischem Vorstrecken 198
8.1.2 Positivformung mit Vorblasen 199
8.1.3 Positivformung mit Vorblasen gegen ein Brett 202
8.1.4 Positivformung mit Vorsaugen und Abrollen der Blase auf das Formwerkzeug 203
8.1.5 Positivformung mit Vorsaugen in eine Glocke 204
8.1.6 Einsatz von Eckenblasdüsen bei der Positivformung 205
8.2 Negativformung 206
8.2.1 Negativformung ohne Vorstreckstempel 206
8.2.2 Negativformung mit Vorstreckstempel 207
8.3 Positiv-Negativ-Formung 209
8.4 Zweikammerverfahren (3K-Verfahren) 210
8.5 Twinsheetformung 211
8.5.1 Allgemeine Regeln für die Twinsheetformung auf Serien-Thermoformmaschinen 212
8.5.2 Verfahrensablauf Twinsheetformung, UA-Maschine mit Handbeschickung 213
8.5.3 Maschinenvarianten für die Twinsheetformung 216
8.6 Klebekaschieren 218
8.6.1 Allgemeines 218
8.6.2 Kaschierverfahren 219
9 Thermoformverfahren auf Rollenautomaten, Stanzstation mit Messerschnitt 223
9.1 Prinzipieller Ablauf in der Formstation 223
9.2 Maschinenausstattungen mit Auswirkung auf die Formungsverfahren 227
9.3 Auswahl des richtigen Formungsverfahrens und des Werkzeugaufbaus 228
9.4 Hinweise für die Beeinflussung der Wanddickenverteilung 229
10 Thermoformverfahren auf Rollenautomaten, Form-Stanzwerkzeuge mit Scherschnitt 235
10.1 Kinematik der Form und Stanzstation 235
10.2 Die Besonderheiten einer mechanischen Kurvensteuerung 237
10.3 Ablaufdiagramm einer Formstation mit Form und Stanzwerkzeug mit Negativformung 238
10.3.1 Die Formluftreduzierung 239
10.3.2 Niederhalter-Steuerung 239
10.4 Ablaufdiagramm einer Formstation mit Form und Stanzwerkzeug mit Scherschnitt für Positivformung 241
11 Sonderverfahren in kombinierten Form-Stanzwerkzeugen in Rollenautomaten 243
11.1 Auskleiden von formstabilen Behältern 243
11.2 Etikettieren im Formwerkzeug (In-Mould-Labeling IML) 245
11.3 Form-Stanzwerkzeug für randlose Formteile 248
11.4 Thermoformen von Hohlboden-Bechern 249
11.5 Thermoformen mit Form und Gegenform 250
12 Thermoformen von durchsichtigen Teilen 251
12.1 Allgemeine Regeln für das Formen von durchsichtigen Teilen 251
12.2 Besonderheiten beim Formen auf Plattenmaschinen 253
12.3 Besonderheiten beim Formen auf Rollenautomaten 254
12.4 Verfahrensbeispiele – Herstellen von durchsichtigen Teilen 258
12.5 Besondere Herstellverfahren für durchsichtige Teile 263
13 Thermoformen von vorbedruckten Halbzeugen 265
13.1 Allgemeines 265
13.2 Ermittlung des Zerrdrucks 268
14 Kühlen der geformten Teile 273
14.1 Die Entformtemperatur 273
14.2 Einflüsse auf die Kühlzeit 274
14.3 Kühlen mit dem Formwerkzeug 275
14.4 Kühlen mit Luft 276
14.4.1 Stand der Technik beim Kühlen mit Luft in Plattenmaschinen 277
14.4.2 Reduzierung der Werkzeugtemperatur in Verbindung mit kälterer Kühlluft 279
15 Entformen 283
16 Stapeln von Teilen 287
16.1 Allgemeines 287
16.2 Stapelung von Formteilen mit wechselnden Stapelnoppen 293
17 Nachbearbeitung an thermogeformten Teilen 295
17.1 Trennen, Schneiden 295
17.2 Entgraten 298
17.3 Verbinden 298
17.4 Recycling 300
18 Stanzen von thermogeformten Teilen 301
18.1 Messerschnitt 301
18.2 Scherschnitt 309
18.3 Vergleiche von Messer- und Scherschnitt 316
18.4 Einflussfaktoren auf das Stanzen 319
18.5 Engelshaarbildung 320
18.5.1 Verringerung der Engelshaarbildung beim Messerschnitt 325
18.5.2 Verringerung der Engelshaarbildung beim Scherschnitt in Form- und Stanzwerkzeug 325
18.6 Unsaubere Schnitte – Bartbildung 327
18.7 Stanzkräfte 329
18.8 Schlussfolgerung 331
18.8.1 Messerschnitt-Stanzwerkzeuge für separate Stanzstation 331
18.8.2 Scherschnitt-Stanzwerkzeuge für separate Stanzstation 332
18.8.3 Form-Stanzwerkzeuge mit Messerschnitt 333
18.8.4 Form-Stanzwerkzeuge mit Scherschnitt 333
18.9 Verwandte Schneidverfahren 334
19 Dekoration im Thermoformen 338
19.1 Bilder 342
20 Deformation von thermogeformten Teilen 351
20.1 Nachweis der Einflüsse auf die Deformation 351
20.2 Einfluss von Dickstellen 353
20.3 Einfluss der Spannungen im Halbzeug 353
20.4 Deformation von einem etikettierten Formteil 354
20.5 Deformation des Spannrands eines rechteckigen Formteils 354
20.6 Deformation bei anisotroper Schwindung 355
20.7 Schlussfolgerung, Ursachen für Deformation 357
20.8 Tipps und Hinweise in Bezug auf Deformation 357
21 Thermoformwerkzeuge 359
21.1 Begriffe und Definitionen 359
21.2 Werkstoffe für das Formsegment 360
21.3 Hilfe für die Werkstoff- bzw. Variantenwahl für ein Werkzeug 364
21.4 Positiv- oder Negativ-Formung?? 365
21.5 Auslegung der Formfläche 366
21.6 Verarbeitungsschwindung: Wer liefert den Wert?? 370
21.7 Bestimmen der Halbzeuggröße 371
21.8 Der Unterbau 372
21.8.1 Prinzipskizzen für Werkzeugaufbauten 375
21.8.2 Verstellbare Unterbauten für Plattenmaschinen 379
21.8.3 Unterschied zwischen Festformat- und verstellbarem Unterbau 380
21.9 Gestaltungsdetails für Thermoformwerkzeuge 381
21.9.1 Seitenwandschrägen 381
21.9.2 Oberflächenrauheit 382
21.9.3 Radien 385
21.9.4 Werkzeugentlüftung, Abluftquerschnitte 386
21.9.5 Hohlräume 390
21.9.6 Werkstoffe für Vorstreckstempel 390
21.9.7 Vorstreckstempel-Konturen für Negativformung 392
21.9.8 Vorstreckstempel für Positivwerkzeuge 396
21.10 Werkzeuge mit Hinterschnitt 397
21.10.1 Entformen von Hinterschnitten ohne Losteile 397
21.10.2 Losteile (Schieber) zum Entformen von Hinterschnitten 397
21.11 Werkzeuggestaltung für flache Formteile mit geringer Verstreckung 398
21.12 Werkzeuge für das Formen von durchsichtigen Teilen 399
21.13 Werkzeuge für Twinsheetformung 401
21.14 Werkzeuge für Filmscharniere und Schnappverschlüsse 407
21.15 Form-Stanzwerkzeuge mit Messerschnittschnitt in Rollenautomaten 413
21.16 Form-Stanzwerkzeuge mit Scherschnitt in Rollenautomaten 416
21.17 Präventive Instandhaltung von Formwerkzeugen 429
22 Temperieren von Thermoformwerkzeugen 433
22.1 Allgemeines 433
22.1.1 Begriffe beim Temperieren 433
22.1.2 Einflüsse der Werkzeugtemperatur 434
22.1.3 Wann kann die Werkzeugtemperierung entfallen?? 434
22.2 Temperiermedien 435
22.3 Werkstoffe für temperierbare Thermoformwerkzeuge 436
22.4 Varianten der Kühlkreisläufe 436
22.4.1 Beispiele für Kreisläufe in Thermoformmaschinen 437
22.5 Kühlverfahren 439
22.6 Der Kühlbedarf eines thermogeformten Teils 440
22.6.1 Das Enthalpie-Diagramm 440
22.6.2 Enthalpie-Tabellen 441
22.6.3 Erforderliche Kühlleistung eines Werkzeugs 442
22.7 Auslegung der Temperierung eines Formwerkzeugs 442
22.7.1 Zu kühlende Materialmenge (Materialdurchsatz) 443
22.7.2 Erforderliche Kühlleistung während der Produktion 444
22.7.3 Kühlwasserbedarf für die Werkzeugkühlung 445
22.7.4 Erforderliche Kontaktfläche für das Kühlwasser 445
22.7.5 Gesamtlänge der Kühlkanäle 447
22.7.6 Wassergeschwindigkeit 447
22.7.7 Resultierender Druckabfall im Werkzeug 448
22.7.8 Druckabfall beim Anschließen des Formwerkzeugs in der Maschine 450
22.8 Druckabfall in der Maschinenverrohrung 452
22.9 Druckabfall im gesamten Temperierkreislauf 453
22.10 Prüfung der Förderleistung des angeschlossenen Temperier- oder Kühlgeräts 454
22.11 Beurteilen des Prüfergebnisses 455
22.12 Konstruktive Auslegungsmöglichkeiten bei der Wärmeübertragung 456
22.13 Der Einfluss der Luftkühlung auf die Werkzeugkühlung 456
22.14 Präventive Instandhaltung 457
23 Energieverbrauch des Thermoformens 461
23.1 Allgemeines 461
23.2 Spezifischer Energieverbrauch im Thermoformen 462
23.3 Der Anteil der Energiekosten an den Herstellkosten von Ziehteilen 465
23.4 Möglichkeiten zur Reduzierung des spezifischen Energieverbrauchs 468
23.4.1 Energie sparen mit elektrischen Antrieben 470
23.4.2 Reduzierung des Energieverbrauchs für die Druckluftformung 472
23.4.3 Reduzierung des zu füllenden Volumens mit Druckluft, die Formluftreduzierung 473
23.4.4 Einfluss des Druckniveaus 474
23.4.5 Reduzierung des Energieverbrauchs beim Heizen 478
23.4.6 Kosten einsparen mit neuen Vakuumpumpen 481
23.4.7 Kurze Kühlzeiten reduzieren Energiekosten 481
23.4.8 Isolieren von Verrohrungen?? 483
23.4.9 Einsatz von Freiluftkühlern anstelle von Kältemaschinen mit Kompressor 483
23.4.10 Zeitversetzter Heizungsstart senkt Strompreis 483
23.4.11 Nutzung der Energieabsenkung für längere Stillstandzeiten 484
23.4.12 Nutzung der Maschinengrundeinstellung 484
23.4.13 Regelmäßige Wartung 484
23.4.14 Die dynamische Prozessoptimierung 485
23.4.15 Die Energieverbrauchsanzeige 485
23.4.16 Energieverbrauchsmessungen in der Produktion 485
24 Fehler im Thermoformen 487
24.1 Gestaltungsfehler am Formteil 487
24.2 Fehler am Halbzeug 492
24.3 Auswahl der richtigen Thermoformmaschine 494
24.4 Fehler beim Aufstellen der Thermoformmaschine 495
24.5 Fehler am Thermoformwerkzeug 495
24.6 Fehler beim Einfahren von neuen Thermoformwerkzeugen 497
24.7 Fehler bei Bemusterungen 498
24.8 Fehler bei der Beheizung mit Infrarotstrahlern 498
24.9 Leitungsquerschnitte für Luft und Vakuum 499
24.10 Verhindern von Falten 500
24.11 Fehlersuche beim Thermoformen 501
25 Literaturverzeichnis 513
25.1 Weiterführende Fachliteratur 513
Index 515

- Grundlagen und Begriffe
- Thermoplastische Halbzeuge
- Heizungstechniken im Thermoformen
- Heizungen in Plattenmaschinen
- Heizungen in Rollenautomaten
- Beheizen von mehrfarbigen und vorbedruckten Halbzeugen mit IR-Strahlungsheizungen
- Thermoformverfahren auf Plattenmaschinen
- Thermoformverfahren auf Rollenautomaten, Stanzstation mit Messerschnitt
- Thermoformverfahren auf Rollenautomaten, Form und Stanzwerkzeuge mit Scherschnitt
- Sonderverfahren in kombinierten Form-Stanzwerkzeugen in Rollenautomaten
- Thermoformen von durchsichtigen Teilen
- Thermoformen von vorbedruckten Halbzeugen
- Kühlen der geformten Teile
- Entformen
- Stapeln von Teilen
- Nachbearbeitung an thermogeformten Teilen
- Stanzen von thermogeformten Teilen
- Dekoration im Thermoformen
- Deformation von thermogeformten Teilen
- Thermoformwerkzeuge
- Temperieren von Thermoformwerkzeugen
- Energieverbrauch des Thermoformens
- Fehler im Thermoformen