BKM – Thermoformen Kunststoff
Beim Thermoformen handelt es sich um ein Umformungsverfahren für thermoplastische Kunststoffe, das ermöglicht, Platten und Folien zu verarbeiten.
Es findet überwiegend im Verpackungsbereich Anwendung, gilt aber in der Kunststoffverarbeitung als einer der Bereiche mit dem größten Wachstum.
In diesem Beitrag stellen wir Ihnen das Thermoformen näher vor!
Inhalt:
- Die Funktionsweise des Thermoformens
- Der Ablauf beim Thermoformen
- Die Maschinentechnik beim Thermoformen
- Die Thermoformwerkzeuge
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- Die Kunststoffe beim Thermoformen
- Die Anwendungen für das Thermoformen
- FAQ zum Thermoformen von Kunststoffen: Wirtschaftlichkeit, Innovationen und Verfahrenstechniken
Die Funktionsweise des Thermoformens
Das Thermoformen nutzt Wärme und Unterdruck, um thermoplastische Kunststoffe umzuformen. Aus diesem Grund wird das Thermoformen manchmal auch als Warmformen, Tiefziehen, Vakuumformen, Vakuum-Tiefziehen oder Thermoforming bezeichnet.
Die Thermoformverfahren werden zum einen danach unterschieden, welches Halbzeug eingesetzt wird. Bei dünneren Halbzeugen wird von Folien gesprochen, bei dickeren, ab etwa 1,5 Millimeter starken Halbzeugen von Platten.
Zum anderen richtet sich die Unterscheidung danach, welcher Umformdruck beim Thermoformen zur Verfügung steht:
- Das Vakuumformen ist die einfachste Variante des Thermoformens. Hier saugt eine Vakuumpumpe das erwärmte und eventuell vorgeformte Halbzeug auf das Formwerkzeug.
- Beim Druckluftformen wird das beheizte Halbzeug mithilfe von Druckluft gegen das Thermoformwerkzeug gepresst. Dafür ist ein abgedichteter Druckluftraum erforderlich, in den die Druckluft als Formluft einströmen kann.
Der Ablauf beim Thermoformen
Je nach eingesetztem Verfahren gestaltet sich der Thermoformprozess etwas unterschiedlich. Grundsätzlich lässt er sich aber mit dem Heizen, dem Formen und dem Kühlen in drei Schritte aufteilen.
Heizen
Jedes Thermoformverfahren beginnt mit dem Aufheizvorgang. Für die spätere Qualität der Formteile hat dieser Schritt auch eine maßgebliche Bedeutung.
Beim Heizen wird das Halbzeug von seiner Ausgangstemperatur auf die Umformtemperatur gebracht.
Weil beim Thermoformen Folien und Platten mit einer Stärke von 0,1 bis 12 Millimeter verarbeitet werden, werden unterschiedliche Heizungsarten genutzt. Zu den gängigsten Methoden gehören Strahlungs-, Kontakt- und Konvektionsheizungen.
Formen
Beim Thermoformen von Kunststoff wird grundsätzlich zwischen Positiv- und Negativformverfahren unterschieden. Bei Negativformverfahren werden Werkzeuge eingesetzt, bei denen die Hohlräume der Form konkav und damit nach innen gewölbt sind.
Die Folie oder Platte nimmt dadurch die Form der Werkzeugvertiefungen an. Im Unterschied dazu nutzen Positivthermoformverfahren Werkzeuge mit einem konvexen, also nach außen gewölbten Formkern, an den die Folien oder Platten angelegt werden.
Die Entscheidung für ein Positiv- oder Negativformverfahren richtet sich in erster Linie danach, welche Seite des Formteils eine exakte Abbildung erfordert. Denn präzise wird nur die am Werkzeug anliegende Seite, während die andere Seite des Formteils Ungenauigkeiten aufweist.
Kühlen
Der Abkühlprozess schließt sich direkt an die Formgebung an. Per Definition beginnt die Abkühlung, sobald die Folie oder Platte am Werkzeug anliegt, und endet mit dem Start der Entformung.
Das Kühlen erfolgt einerseits dadurch, dass der Kunststoff mit der Oberfläche des Werkzeugs in Kontakt kommt. Andererseits wird die Wärme auf der Gegenseite der Folie oder Platte durch Konvektion abgeführt.
Dabei kann die konvektive Wärmeabfuhr entweder als freie oder als erzwungene Konvektion erfolgen. Bei einer freien Konvektion wird die Wärme an die ruhende Luft abgeführt, bei der erzwungenen Konvektion durch ein Gebläse.
Zusätzlich dazu kann die Kühlung intensiviert werden. Möglich ist das zum Beispiel in Form einer Gebläsekühlung durch einen Luftstrom oder als sogenannte Sprühdüsenkühlung mittels Wassernebel.
Zu beachten ist aber, dass die Verbindung aus Wasser und einer überhitzten Kunststoffoberfläche Korrosionsschäden an der Maschine verursachen kann.
Die Maschinentechnik beim Thermoformen
Im einfachsten Fall besteht eine Thermoformmaschine aus folgenden Komponenten:
- Maschinengestell mit fahrbarem Tisch
- Heiz- und Kühlvorrichtung
- Spannraum
- Druckluft- und Vakuumanlage
Viele Maschinen verfügen zusätzlich über einen beweglichen Oberstempel. Dadurch werden auch kombinierte Verfahren möglich.
Bei sogenannten Einstationen-Systemen erfolgen das Aufheizen und das Formen an derselben Station. Bei Mehrstationen-Maschinen hingegen finden diese beiden Prozessschritte an unterschiedlichen Orten statt. Wenn das Halbzeug der Maschine als Zuschnitt zugeführt wird, wird auch von einer Plattenmaschine gesprochen.
Die Thermoformwerkzeuge
Die Werkzeuge für das Thermoformen von Kunststoff sind die Formen. Dabei kommen je nach Verfahren und Seriengröße Werkzeuge aus verschiedenen Materialien zum Einsatz.
Einfache Thermoformwerkzeuge sind oft aus Holz oder Reaktionsharzen gefertigt. Bei anspruchsvollen Bauteilen oder hohen Stückzahlen werden heiz- und kühlbare Werkzeuge bevorzugt.
Sie bestehen zum Beispiel aus Aluminium, Stahl oder Buntmetalllegierungen. Die Haltbarkeit eines Thermoformwerkzeugs richtet sich nach dem Material und der Stärke des verarbeiteten Halbzeugs. Üblicherweise bewegt sich die Anzahl der Zyklen aber in einem Bereich von mehreren Millionen.
Die Kunststoffe beim Thermoformen
Mittels Thermoformen können amorphe und teilkristalline Thermoplaste wie PS, ABS, PMMA, PC, PP, PE und PET verarbeitet werden. Biokunststoffe wie PLA, TPS und PHA, Schaumfolien und Mehrschichthalbzeuge sind ebenfalls geeignet.
Eine allgemein anerkannte Definition für die Thermoformbarkeit gibt es bislang nicht. Deshalb wird darunter meist verstanden, dass das Material während des Umformens mechanisch verformbar ist.
Die mechanische Verformbarkeit kann anhand verschiedener Verfahren bestimmt werden. Dazu zählen unter anderem die Uni- und biaxiale Zugprüfung, der TMC-Versuch, die Bubble Inflation oder das Thermoformen durch Teststrukturen.
Die Anwendungen für das Thermoformen
Früher wurde das Thermoformen von Kunststoff ausschließlich bei der Fertigung von Verpackungen eingesetzt. Inzwischen haben sich die industriellen Anwendungsbereiche deutlich erweitert.
Hinzu kommt, dass die im Laufe der Zeit gesammelten Erfahrungen mit Blick auf Formgebung, Funktion und Farbigkeit viel Gestaltungsspielraum eröffnen und das Thermoformen so zu einem sehr vielseitigen Fertigungsverfahren machen.
Neben den klassischen Verpackungen wird das Thermoformen inzwischen für Anwendungen wie zum Beispiel technische Formteile, Lebensmittelbehälter, Kofferschalen, Badewannen und Waschbecken, Verkehrsschilder oder Abdeckungen und Verkleidungen eingesetzt.
FAQ zum Thermoformen von Kunststoffen: Wirtschaftlichkeit, Innovationen und Verfahrenstechniken
Wie setzen sich die Kosten des Thermoformens im Vergleich zu anderen Kunststoffverarbeitungsverfahren wie dem Spritzgießen zusammen?
Die Kosten beim Thermoformen sind in der Regel niedriger als beim Spritzgießen. Die Werkzeugkosten sind niedriger, da die Herstellung von Werkzeugen für das Thermoformen einfacher und billiger ist.
Auch die Maschinenkosten sind niedriger und der Energieverbrauch ist in der Regel geringer. Daher ist das Thermoformen vor allem bei kleinen und mittleren Serien wirtschaftlich vorteilhaft.
Wo liegen die Einsparpotenziale beim Thermoformen?
Die Einsparpotenziale liegen in den geringeren Werkzeugkosten, der einfachen Maschinenbedienung und den geringeren Energiekosten. Die Flexibilität beim Werkzeugwechsel und die Möglichkeit, auch kleine Stückzahlen wirtschaftlich zu fertigen, tragen ebenfalls zu Einsparungen bei.
Welches sind die jüngsten technologischen Fortschritte und Innovationen, die im Bereich des Thermoformens erzielt wurden?
Zu den Fortschritten im Thermoformen gehören neue Materialien wie Hochleistungsthermoplaste und Biokunststoffe sowie modernere Maschinen mit präziserer Steuerung und Automatisierung. Hybridmaschinen, die das Thermoformen mit anderen Verfahren kombinieren, und der Einsatz des 3D-Drucks für Prototypen und Werkzeuge sind ebenfalls wichtige Innovationen.
Welche zukünftigen Trends und Entwicklungen könnten das Thermoformen beeinflussen?
Zu den zukünftigen Trends zählen die Integration von Digitalisierung und Industrie 4.0-Technologien, der verstärkte Einsatz von nachhaltigen Materialien, die Weiterentwicklung von hybriden Prozessen und die Verbesserung der Energieeffizienz und des Materialverbrauchs. Diese Trends werden die Effizienz und Anwendungsvielfalt des Thermoformens weiter steigern.
Wie funktioniert das Twin-Sheet-Thermoformen und was sind seine Vorteile?
Beim Twin-Sheet-Thermoformen werden zwei Kunststoffplatten gleichzeitig erhitzt, geformt und verschweißt, um hohle, nahtlose Teile herzustellen.
Die Vorteile liegen in der höheren Steifigkeit und Stabilität sowie in der Möglichkeit, komplizierte Hohlkonstruktionen zu fertigen. Dies ist besonders in der Automobil- und Luftfahrtindustrie von Nutzen.
Was sind die Besonderheiten des Druckluft-Umformens im Vergleich zum Vakuum-Umformen?
Beim Druckluft-Umformen wird das erwärmte Halbzeug mit Hilfe von Druckluft gegen das Umformwerkzeug gepresst, wodurch eine präzisere und schnellere Umformung erreicht wird. Beim Vakuumformen wird das Halbzeug mit Unterdruck an das Formwerkzeug angesaugt; dieses Verfahren ist einfacher und kostengünstiger, eignet sich jedoch besser für weniger komplexe und flachere Formen.
