Analyse und Vermeidung der Schreckmarkenbildung im Thermoformen zur Steigerung der Materialeffizienz mittels neuartiger Stempelverstreckung mit Stützluft

Abstract

Im Rahmen des IGF-Vorhabens 22994 N wurde der konventionelle negative Thermoformprozess mit Stempelverstreckung um ein luftgestütztes Vorstreckkonzept erweitert, um charakteristische Fehlerbilder wie Schreckmarken zu verhindern und gleichzeitig eine homogenere Wanddickenverteilung zu ermöglichen. Die zur Verbesserung der Wanddickenhomogenität eingesetzte konventionelle Stempelverstreckung erzeugt häufig Schreckmarken, die durch schlagartigen Wärmeentzug beim Kontakt des erwärmten Halbzeugs mit dem kühleren Stempel entstehen und die Bauteilqualität beeinträchtigen. Ziel des Vorhabens war daher die Entwicklung eines luftgestützten Vorstreckstempels, der während der Verstreckung ein definiertes Luftpolster aufbaut und so den direkten Kontakt verhindert. Zur Umsetzung des Konzepts wurde die Versuchsanlage so erweitert, dass variable Stützluftdrücke bis 5 bar, ein einstellbarer Volumenstrom sowie stempelwegabhängige Zu- und Abschaltpunkte der Luftzufuhr realisiert werden konnten. Es wurden acht unterschiedliche Stempelausführungen gefertigt, die sich in der Anordnung der Luftkanäle in Boden, Schräge und Wandbereich unterschieden. Die Kanaldurchmesser wurden iterativ angepasst, um einen gleichmäßigen Luftstrom sicherzustellen und strömungsbedingte Widerstände zu kompensieren. Die Untersuchungen zeigten, dass die passive Anwesenheit von Luftkanälen ohne aktive Stützluft keinen Einfluss auf die Wanddickenverteilung besitzt. Ein Stützluftdruck von 1 bar erwies sich bei Polystyrol als optimal, da sich ein stabiles Luftpolster ausbildete, das den Stempelkontakt vollständig verhinderte und die Schreckmarkenbildung zuverlässig verhinderte. Gleichzeitig wurde mit Drücken unter 1 bar eine Homogenisierung der Wanddickenverteilung erreicht. Weder eine spätere Zuschaltung noch eine frühzeitige Abschaltung der Stützluft zeigten einen signifikanten Einfluss, und auch die spezifische Lage der Luftkanäle spielte bei optimalem Druck nur eine untergeordnete Rolle, da sich das Luftpolster über die gesamte Stempelgeometrie gleichmäßig ausbreitete. Die Übertragung des Verfahrens auf weitere Materialien bestätigte grundsätzlich die Wirksamkeit der Stützluft, zeigte jedoch materialabhängige Unterschiede, insbesondere durch variierende Schmelzefestigkeiten und Verstreckbarkeiten. Die entwickelte Methodik ermöglichte erstmals die reproduzierbare Erzeugung und Bewertung eines Stützluftpolsters im Thermoformen. Die Ergebnisse belegen, dass die Stützluft ein robustes Verfahren zur vollständigen Vermeidung von Schreckmarken darstellt und eine homogenere Wanddickenverteilung ermöglicht. Dies führt zu einer Steigerung der Materialeffizienz und einer Reduzierung der Produktionskosten, was insbesondere für KMU von großem wirtschaftlichem Nutzen ist, da Materialkosten bis zu 90% der Gesamtkosten ausmachen können. Zudem ist das Stützluftkonzept mit geringem technischem Aufwand und geringen Kosten in bestehende Thermoformanlagen integrierbar.