Analyse und Vermeidung der Schreckmarkenbildung im Thermoformen zur Steigerung der Materialeffizienz mittels neuartiger Stempelverstreckung mit Stützluft
Im IGF-Forschungsvorhaben 22994 N wird eine neuartige Stempelverstreckung mit gezielter Stützluft entwickelt, um Schreckmarkenbildung im Thermoformen zu verhindern. Durch die Minimierung des Kontakts zwischen Folie und Stempel soll die Materialeffizienz gesteigert und der Stempelauslegungsprozess optimiert werden.
Schreckmarken stellen einen Qualitätsmangel im Thermoformprozess dar. Bei einer nicht optimalen Prozessführung können während des Thermoformens mit Vorstreckstempel lokal Schreckmarken im Formteil entstehen. Hierbei handelt es sich um Materialanhäufungen, die optische und mechanische Fehlstellen darstellen. Die Ursachen der Schreckmarkenbildung sind vielfältig und bisher nicht eindeutig auf einen Parameter zurückzuführen.
© IKVZiel des IGF-Forschungsvorhabens 22994 N ist daher, den bestehenden Stempelauslegungsprozess um eine gezielte Einbringung von Stützluft am Vorstreckstempel zu erweitern und damit den Kontakt zwischen Folie und Stempel zu minimieren. Der Zielkonflikt zwischen einer materialeffizienten Wanddickenverteilung und der Vermeidung von Schreckmarken soll dabei aufgelöst werden.
Zunächst erfolgt eine analytische Auslegung der Stützluftgeometrien im Vorstreckstempel mit dem Ziel einer möglichst homogenen Austrittsgeschwindigkeit auf der gesamten Stempeloberfläche. Zu beachten sind Restriktionen der additiven Fertigung beispielsweise hinsichtlich eines minimalen Kühlkanaldurchmessers. In einem iterativen Optimierungsprozess wird die Austrittsgeschwindigkeit experimentell gemessen und die Kanalgeometrien angepasst. Anschließend erfolgt auf Basis verschiedener Stempelkonzepte die Entwicklung von Stempeln mit einer ausschließlich lokalen Stützluftzuleitung in Bereichen der Schreckmarken.
Dabei wurden unterschiedliche Konzepte erarbeitet, die eine Einbringung von Stützluft in unterschiedlichen Bereichen des Stempels ermöglichen sollen. Eine Möglichkeit ist die Einleitung von Stützluft durch Düsen auf dem Umfang des Stempels, wodurch ein Luftpolster erzeugt wird, das durch den entstehenden Druck die Folie vom Stempel abhält. Neben der einfachen Modifikation des Stempels durch das Einbringen einer Durchgangsbohrung in der Stempelmitte sind ebenso komplexere Diffusor- bzw. Düsengeometrien möglich. Abb. 1 zeigt beispielsweise ein komplexeres Konzept „Diffusor“ zur Einbringung von Stützluft durch eine Vielzahl von Luftführungskanälen auf dem Umfang des Stempels (links). Rechts ist die Umsetzung des Konzeptes als 3D-Modell zu entnehmen.
Zur Untersuchung verschiedener Konzepte zur Stützlufteinbringung und dem Einfluss neuer Prozessparameter wie dem Zuschaltpunkt der Stützluft, der Stützlufthöhe und -dauer erfolgt eine Anpassung der am IKV vorhandenen Anlagentechnik. Diese ermöglicht den Vergleich der Stempelkonzepte mit und ohne Einsatz von Stützluft im Hinblick auf die Ausbildung von Schreckmarken und die Möglichkeit zur Optimierung der Wanddickenverteilung fernab der konventionellen Stempelauslegung.
Erste Ergebnisse des Konzepts „Diffusor“ sind vielversprechend und deuten auf einen positiven Effekt hinsichtlich der Vermeidung von Schreckmarken durch Aufbringung eines Luftpolsters zwischen Stempel und Folie hin. Weitere Untersuchungen sind geplant, um weitere Stempelkonzepte und den weiteren Einfluss verschiedener Prozessparameter auf die Wanddickenverteilung zu untersuchen.
Projektdaten und Förderung
Wir danken dem BMWK für die Förderung des IGF-Projekts (Förderkennzeichen 22994N) und den Projektpartnern für die Zusammenarbeit.
Projektlaufzeit: 01.09.2023 – 31.08.2025
Projektpartner
