Geeignete Materialdatenermittlung für die Thermoformsimulation

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Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

trivid GmbH

ILLIG Maschinenbau GmbH & Co. KG

Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk an der Rheinisch-Westf. TH Aachen

Brückner Group GmbH

Mechanische Materialbeanspruchung beim Thermoformen Mischung aus äquibiaxialen und planaren Dehnmodi

Die mechanische Materialbeanspruchung beim Thermoformen lässt sich durch eine Mischung aus äquibiaxialen und planaren Dehnmodi beschreiben. Dabei überwiegt der äquibiaxiale Zustand. Es existiert eine Vielzahl an (äqui-)biaxialen Messverfahren, mit denen Umformeigenschaften ermittelt werden können.

Dazu hat das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen Untersuchungen mit einem Reckrahmen und einer Verstreckvorrichtung vorgenommen. Im Laborreckrahmen Karo IV der Brückner Maschinenbau GmbH & Co. KG, Siegsdorf, wurden quadratische Zuschnitte (Proben) punktuell eingespannt. Nach dem Aufheizen im Konvektionsofen wurden die Proben in zwei Richtungen verstreckt und die resultierenden Kräfte an den Einspannpunkten gemessen.

Das IKV entwickelte die Verstreckvorrichtung zur Ermittlung von Kraft-Dehnungs-Verläufen (Bilder 1 bis 3 – siehe Bildergalerie) [1]. Um eine praxisnahe Aufheizung der Halbzeuge sowie übliche Transportzeiten und Umformvorgänge zu erreichen, wurde die Verstreckvorrichtung in eine Einstationen-Labor-Thermoformanlage integriert. Eine achteckige Probe wurde mittels IR-Strahlung auf Umformtemperatur gebracht und in der Formstation der Thermoformanlage verstreckt. Ein Kraftsensor ermittelte die dazu erforderlichen Kräfte an jeder der acht Seiten.

Richtung der Folienextrusion spielt bei der Dehnung keine Rolle

Die Untersuchungen wurden an zwei typischen Halbzeugen zum Thermoformen vorgenommen. Bei den je 1,55 mm dicken Halbzeugen der Wikula Kunststofferzeugnisse GmbH & Co. KG, Bad Laasphe, die heute unter dem Namen Uniplast Knauer GmbH & Co. KG firmiert, handelt es sich um einschichtige Folien aus Polystyrol (PS) und Polypropylen (PP) für die Fertigung thermogeformter Joghurtbecher. Beide Thermoplaste sind weiß pigmentiert. Die Folien wurden bei verschiedenen Temperaturen und Dehngeschwindigkeiten vermessen.

Die Kraftmessung am Reckrahmen zeigt so gut wie keine Abhängigkeit von der Extrusionsrichtung bei der Folienfertigung (Bild 4). Es wurde nur bei niedrigeren Temperaturen ein Einfluss der Extrusionsrichtung auf das Materialverhalten beobachtet. Die Messkurve der gestreckten PP-Folien liegt auf einem deutlich höheren Kraftniveau als die des PS-Halbzeugs. PP-Folien verhalten sich also deutlich steifer. Bei Polypropylen wurden auch eine Dehnverfestigung und ein lokales Kraftmaximum vor Beginn der Dehnverfestigung gemessen.

Thermoplaste reagieren sehr unterschiedlich auf die Belastung

Die mit der Verstreckvorrichtung gemessenen Kraft-Weg-Verläufe zeigen, dass die beiden Thermoplaste sehr unterschiedlich auf die Belastung reagieren (Bild 5). Das Polypropylen zeigt wiederum einen charakteristischen Verlauf mit einer anfänglichen Kraftüberhöhung und anschließender Dehnverfestigung. Die Dehnverfestigung in der Verstreckvorrichtung ist deutlicher ausgeprägt als bei Messungen, die mit dem Reckrahmen durchgeführt wurden. Das in der Verstreckvorrichtung integrierte Messverfahren ermöglicht nicht, die Kraft-Weg-Verläufe in Extrusionsrichtung und quer dazu zu unterscheiden.

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