Tiefziehen von Thermoplasten. Anwendungen, Konstruktionsmerkmale und Grenzen


Studienarbeit, 2017

36 Seiten, Note: 1,5


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Bildverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1. Einleitung
1.1. Studienarbeitsthema
1.2. Verfahrenstechnik der Thermoplastextrusion
1.3. Definition Thermoplaste

2. VerfahrenstechnikTiefziehen
2.1. Verwendete Werkstoffe
2.2. Maschinen
2.3. VerfahrensablaufTiefziehen
2.4. Anwendungen und Konstruktionsmerkmale
2.5. Grenzen des Verfahrens Tiefziehen

3. Verfahrenstechnik Spritzgießen
3.1. Verwendete Werkstoffe
3.2. Maschinen
3.3. Verfahrensablauf Spritzgießen
3.4. Anwendungen und Konstruktionsmerkmale
3.5. Grenzen des Verfahrens Spritzgießen

4. VerfahrenstechnikWarmumformen
4.1. Verwendete Werkstoffe
4.2. Maschinen
4.3. Verfahrensablauf Warmumformen
4.4. Anwendungen und Konstruktionsmerkmale
4.5. Grenzen des Verfahrens Warmumformen

5. Vergleich der drei Verfahren

6. Fazit

7. Literaturverzeichnis

Bildverzeichnis

Abbildung 1 Arten der Kunststoffe [1]

Abbildung 2 Festigkeit von Thermoplasten [2]

Abbildung 3 Festigkeit von Duroplasten [3]

Abbildung 4 Tiefziehmaschine [4]

Abbildung 5 Verfahren Tiefziehen Schema [5]

Abbildung 6 Vorformen Vorblasen links, Vorsaugen rechts [6]

Abbildung 7 Schritte des Tiefzieh-Verfahrens [7]

Abbildung 8 Positiv- und Negativformung [8]

Abbildung 9 Kunststoff-Tablett [9]

Abbildung 10 Kunststoff-Badewanne [10]

Abbildung 11 Blasenbildung im Formteil [11]

Abbildung 12 Maschinenaufbau Spritzgießen [12]

Abbildung 13VerfahrensablaufSpritzgießen [13]

Abbildung 14Aufschmelzvorgang in derSchnecke [14]

Abbildung 15 Druckaufbau längs der Schnecke [15]

Abbildung 16 Formgebungsvorgang [16]

Abbildung 17 Spritzgussteil [17]

Abbildung 18 Schwindung und Verzug eines Formteils [18]

Abbildung 19 ProzessablaufWarmumformmaschine [19]

Abbildung 20 Verfahren Warmumformen Schema [20]

Abbildung 21 Doppelseitige Kontaktheizung [21]

Abbildung 22 Joystick Teilung der Heizung [22]

Abbildung 23 Formwerkzeug für das Warmumform-Verfahren [23]

Abbildung 24 Kunststoff-Verpackungen [24]

Abbildung 25 Plastikbecher [25]

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1 Vergleich der drei Verfahren

1. Einleitung

1.1. Studienarbeitsthema

Diese Studienarbeit soll das Verfahren des Tiefziehens von Thermoplasten erklä­ren. Hierbei werden Anwendungen, Konstruktionsmerkmale und Grenzen des Pro­zesses erläutert. Des Weiteren werden vergleichbare Verfahren dem Tiefziehen ge­genüber gestellt um einen direkten Vergleich ziehen zu können.

1.2. Verfahrenstechnik derThermoplastextrusion

Thermoplaste können auf verschiedene Arten bearbeitet werden. Durch verschie­dene Verfahren zur Thermoplastextrusion ergeben sich unterschiedliche Resultate. Verfahren zur Thermoplastextrusion sind zum Beispiel Ein- bzw. Mehrschnecken­extruder, Extrusionswerkzeuge, Rohrextrudierer, Profilextrudierer, Flachfolien- und Plattenextruder, Gießfolienextruder und die Blasfolienextruder. Die verschiedenen Verfahren unterscheiden sich in ihren Eingangswerkstoffen, den Maschinen und den Bearbeitungsschritten.

Im Folgenden werden die Verfahren des Spritzgießens, des Tiefziehens und des Warmumformens miteinander verglichen. Bei allen Verfahren werden thermoplasti­schen Kunststoffen eine Form gegeben. Die Verfahren werden anhand ihrer Mate­rialien, den Maschinen, des Verfahrensverlaufs und der erzeugten Produkte, welche Formteile genannt werden, verglichen.

1.3. Definition Thermoplaste

Thermoplaste sind eine Unterart der Kunststoffe. Die Kunststoffe werden unterteilt in Elastomere, Duroplaste und Thermoplaste. Diese drei Arten der Kunststoffe un­terscheiden sich in ihrem chemischen Aufbau und ihren daraus resultierenden phy­sischen und thermischen Eigenschaften.

Elastomere sind Kunststoffe, welche eine feste, elastische Masse besitzen. Duro­plaste besitzen dagegen eine harte, spröde und nicht schmelzbare Masse. Die Thermoplaste zeichnen sich durch eine chemische Beständigkeit, Zähigkeit und Isoliereigenschaften aus.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 Arten der Kunststoffe [1]

Unter diesen drei Arten der Kunststoffe, stellen die Thermoplaste die größte pro­zentuale Anzahl dar. „Thermoplaste haben unter den Kunststoffen [...] die größte Bedeutung hinsichtlich Produktionsmenge und Anwendungsvielfalt“ [Cornelia Fi­scher u.a., 2016, S.71], Die Anwendungsvielfalt ergibt sich aus den thermischen Eigenschaften der Thermoplaste.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 Festigkeit von Thermoplasten [2]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 Festigkeit von Duroplasten [3]

Aus der Abbildung 2 geht hervor, dass die Festigkeit von Thermoplasten bei zuneh- menderTemperatursinkt. Die Festigkeit geht im thermoplastischen Bereich in eine Art teigartigen Zustand über. Der thermoplastische Bereich befindet sich zwischen 150°C und 200°C. In diesem Bereich lassen sich die Thermoplaste schweißen und warmumformen. Ein Beispiel für Thermoplaste ist Polystyrol (PS), welches für Ver­packungsmittel verwendet wird.

Im Gegensatz zu den Thermoplasten bleibt die Festigkeit der Duroplaste bei zuneh­mender Erwärmung nahezu unverändert fest und hart, wie in der Abbildung 3 er­sichtlich. Die Festigkeit der Elastomere verhält sich bei Erwärmung gummielastisch bis zur Zersetzung.

2. Verfahrenstechnik Tiefziehen

Die Verfahrenstechnik Tiefziehen beschreibt das Warmumformen von Platten aus thermoplastischen Kunststoffen. Die Platten werden für diesen Prozess in der Ma­schine abgelegt, eingespannt, erwärmt, umgeformt und anschließend optional ge­stanzt. Das Ergebnis des Tiefziehens sind große, dickwandige Formteile.

2.1. Verwendete Werkstoffe

Die Verfahrensart Tiefziehen beschränkt sich auf thermoplastische Kunststoffe. Je nach zu produzierendem Formteil werden Materialien ausgewählt, ausschlagge­bend sind deren chemischen Eigenschaften, welche sich gut umformen lassen. Die für das Verfahren Tiefziehen verwendeten Thermoplaste sind zum Beispiel High Density Polyethylen (HDPE), Polystyrol (PS) oder Polyvinil Chlorid (PVC).

2.2. Maschinen

Für das Verfahren des Tiefziehens werden Plattenformmaschinen verwendet. Das Eingangsmaterial, die sogenannten Halbzeuge, sind bei diesen Maschinen Platten. Die Platten werden in die Maschine gelegt, in welcher sie durch Klemmsysteme festgehalten werden. Die verschiedenen Verfahrensabläufe finden nach einer Rei­henfolge an derselben Position statt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4 Tiefziehmaschine [4]

1. Die Platten werden separat aufbewahrt. Aus diesem Vorrat kann die Plattenform­maschine die Platten nehmen und sie in den Umformbereich befördern. Die Ma­schine kann auch manuell befüllt werden.
2. Der gesamte Verfahrensablauf findet an diesem Ort statt. Die Platten werden erwärmt und umgeformt. Weiterhin werden sie hier entformt.
3. Die umgeformten Platten werden gestapelt und aufbewahrt. Durch das Öffnen der Kammer können diese der Maschine entnommen werden.

2.3. VerfahrensablaufTiefziehen

Der Verfahrensablauf des Tiefziehens un­terteilt sich in die Schritte Erwärmen des Halbzeugs, Formen des Formteils und das Kühlen des Formteils. Dabei werden Plat­ten aus thermoplastischem Kunststoff ver­wendet, welche kraftschlüssig in die Ma­schine eingespanntwerden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5 Verfahren Tiefziehen Schema [5]

Der erste Schritt, das Erwärmen des plat­ tenförmigen Halbzeugs, geschieht durch eine Heizung, welche über das Halbzeug gefahren wird. Dabei wird das Halbzeug über die ganze Fläche gleichmäßig beheizt. „Unter Umständen [, wie zum Beispiel das Durchhängen der Folie aufgrund der Ein­spannung] ist es [...] erforderlich, die Formfläche gezielt ungleichmäßig zu beheizen und so ein Heizbild zu erzeugen, das auf das zu formende Ziehteil abgestimmt ist“ [Peter Schwarzmann, 2008, S.89]. Die Heizung kann je nach Maschinenhersteller in drei Lösungsansätze unterteilt werden: Die isothermengeregelte Heizung, die leistungsgestellte Heizung und die isothermengeregelte Heizung mit überlagerter Leistungsstellung. Die isothermengeregelte Heizung regelt die Temperatur in °C durch Pilotenstrahler. Dieser Vorgang wird „in jedem Takt zeitabhängig wiederholt“ [Peter Schwarzmann, 2008, S.89]. Bei diesem Vorgang wird die Heizzeit konstant gehalten. Bei der leistungsgestellten Heizung werden die Strahler mit ihrer Leistung in Prozent eingestellt. Dafür ist es erforderlich, die Temperatur des Halbzeuges vor oder nach dem Beheizen zu messen. Ein weiterer Unterschied ist, dass die „Heizzeit [...] nach dem Erreichen der Oberflächen-Solltemperatur beendet [wird]“ [Peter Schwarzmann, 2008, S.89]. Die dritte Möglichkeit ist eine Kombination der ersten beiden Verfahren.

Anschließend an die Beheizung des plattenförmigen Halbzeugs kommt der Verfah­rensschritt des Formens. Das Formen wird unterteilt in das Vorformen und das Aus­formen. Das Vorformen ist der Verfahrensschritt, in welchem das Halbzeug im Werkzeug vorgestreckt wird. Das Vorformen, auch Vorstrecken genannt, dient der Formgebung des Formteils im Tiefziehwerkzeug.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6 Vorformen Vorblasen links, Vorsaugen rechts [6]

Das Vorformen kann auf unterschiedliche Art erfolgen. Dabei kann entweder das Vorstrecken mechanisch durch das Werkzeug selbst geschehen oder mechanisch durch einen Hilfsstempel. Weiterhin kann ein pneumatisches Vorstrecken einge­setzt werden durch Vorblasen oder Vorsaugen, sowie eine Kombination der mecha­nischen und pneumatischen Verfahren. Das Ziel des Vorformens ist eine Kontur zu erreichen, welche möglichst der Kontur des Fertigteils nahekommt.

Das Ausformen erfolgt je nach Maschinenart und Aufbau des Maschinenwerkzeugs. Die Möglichkeiten sind ein Ausformen durch Vakuum, Druckluft oder eine Kombina­tion von Vakuum und Druckluft. Mechanisch kann das Ausformen auch durch zu­sätzliches Prägen, Quetschen oder Kalibrieren realisiert werden, wobei diese Ver­fahren nur bei begrenzten Teilflächen zum Einsatz kommt. Die Abbildung 7 zeigt das Tiefzieh-Verfahren mit einer Vorformung durch Druckluft und einer Ausformung durch Vakuum.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7 Schritte des Tiefzieh-Verfahrens [7]

Die Formteile werden anschließend an das Formen abgekühlt. Die Abkühlung er­folgt solange, bis das Formteil formstabil ist. Die Formstabilität wird erreicht, sobald die Temperatur „an der dicksten Stelle [des Formteils] unterhalb der maximalen Dauergebrauchstemperatur gesunken ist“ [Peter Schwarzmann, 2008, S.173]. Die Dauergebrauchstemperatur ist abhängig vom verwendeten thermoplastischen Ma­terial, jedoch unabhängig vom ausgewählten Verfahren der Entformung. Um die Temperatur an der Oberfläche des Formteils zu messen, werden bei Tiefziehma­schinen IR-Messgeräte verwendet.

Die Kühlzeit ist von verschiedene Faktoren abhängig. Die Faktoren werden folgend aufgelistet [vgl. Peter Schwarzmann, 2008, S.174],

- Kunststofftyp
- Halbzeugdicke nach der Verstreckung
- Umformtemperatur
- Entformtemperatur
- Werkstoff des Thermoformwerkzeugs
- Temperatur des Thermoformwerkzeugs
- Intensität des Kontakts zwischen Formteil und Formwerkzeug
- Kühlung der nicht am Formwerkzeug anliegenden Fläche des Formteils durch Luft oder andere Medien

Die Zeit zum Kühlen der Formteile ist ebenfalls abhängig von mehreren Faktoren. Die Zeit ist abhängig davon, ob das Umformwerkzeug eine kühlende Wirkung auf das Formteil hat (durch Kühlkanäle) oder ob dem Formteil Luft zugeführt wird. Hier­bei muss darauf geachtet werden, dass das Umformwerkzeug nicht beliebig kalt sein kann, da sonst Deformationen am Formteil auftreten. Der Luftstrom kann ge­zielt auf die dicksten Stellen gelenkt werden. Stehende Luft hat hingegen „kaum eine Kühlwirkung“ [Peter Schwarzmann, 2008, S.175].

Nach der Abkühlung, sobald der thermoplastische Kunststoff bis unterhalb seiner Erweichungstemperatur erkaltet ist, kann dieser entformt werden. Das Entformen des Kunststoffes bedeutet „das Formteil des Kunststoffes von der Oberfläche des Werkzeuges zu lösen“ [Peter Schwarzmann, 2008, S.178]. Das Entformen kann durch verschiedene Methoden realisiert werden. DerVorgang ist abhängig von der Maschine und der Ausrüstung. Das Lösen kann durch Druckluft oder einer mecha­nischen Entformhilfe wie ein „Ausstoßer im Boden eines negativ geformten Trink­bechers“ [Peter Schwarzmann, 2008, S.178]. Eine weitere Möglichkeit ist das Ver­wenden des Vorstreckstempels, welcher zur Vorformung verwendet wird. Anschlie­ßend an die Entformung werden die Formteile entweder ausgeschnitten oder ge­brochen, woraufhin sie ausgegeben werden. Die Ausgabe kann durch eine Stapel­maschine abgeschlossen werden.

Die Formung der Folie aus thermoplastischem Kunststoff kann durch eine Positiv­oder Negativformung realisiert werden. Der Unterschied ist, dass bei der Positivfor­mung das Formwerkzeug die innere Kontur des Werkzeuges annimmt, wobei bei der Negativformung das Werkzeug die äußere Kontur des Werkzeuges annimmt.

[...]

Ende der Leseprobe aus 36 Seiten

Details

Titel
Tiefziehen von Thermoplasten. Anwendungen, Konstruktionsmerkmale und Grenzen
Hochschule
Duale Hochschule Baden Württemberg Mosbach
Note
1,5
Autor
Jahr
2017
Seiten
36
Katalognummer
V517952
ISBN (eBook)
9783346116468
ISBN (Buch)
9783346116475
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Tiefziehen, Thermoplaste, Kunststoffe, Verarbeitung, Spritzgießen, Vergleich, Konstruktion, Verfahrenstechnik
Arbeit zitieren
Dennis Ekkert (Autor), 2017, Tiefziehen von Thermoplasten. Anwendungen, Konstruktionsmerkmale und Grenzen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/517952

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