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Nutzung von Prozesswissen beim Thermoformen von Verpackungen

Moser, Andreas

Diese Arbeit untersucht das Herstellen von Verpackungen im Thermoformverfahren auf Rollenautomaten. Im Rahmen der Arbeit konnte gezeigt werden, dass durch die Überwachung von Prozessgrößen nützliche Informationen beim Thermoformen gewonnen werden können. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Verarbeitung von Polypropylen, welches aufgrund seiner Eigenschaften und seines Preises einen Anteil von ca. 20 % an allen Verpackungen besitzt. Zur Überprüfung der Ansätze auf andere Thermoformwerkstoffe wurde amorphes Polyethylenterephthalat in die Untersuchung mit aufgenommen. Die Arbeit ist in zwei Kernthemen untergliedert. Im Ersten werden die Einflüsse der Einstellparameter und der Anlage auf die Produktmerkmale untersucht. Dazu wurde eine Einflussparameteranalyse durchgeführt, die Anlagensteuerung überarbeitet und Peripheriegeräte wie die Vorheizung optimiert. Im Zweiten wird gezeigt, wie mit Hilfe von Prozessgrößen Betriebszustände der Anlage überwacht und Qualitätsmerkmale der Formteile prognostiziert werden können. Die Einflussparameteranalyse wurde anhand der Formteilmerkmale Wanddickenverteilung, Stauchdruck, Masse, Siegelrandgeometrie und geometrischer Größen des Formteils durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass die Umformtemperatur und die Geometrie des Vorsteckers die größten Einflussfaktoren bei der Wanddickenverteilung sind. Die Einstellungen von Niederhalter und Formdruck, sowie Verstreckgeschwindigkeit des Vorstreckers haben einen um circa Faktor vier geringeren Einfluss auf die Wanddickenverteilung bei Ausnutzung des maximalen Variationsbereichs. Dies ist auch darauf zurückzuführen, dass für das Thermoformen optimierte Halbzeuge verwendet wurden. Diese sind in der Regel nukleiert und besitzen eine geringe Abhängigkeit des Dehnverhaltens von der Dehngeschwindigkeit. Nicht betrachtet wurden bei dieser Untersuchung die Stempeltemperatur und deren Einfluss auf die Reibpaarung Halbzeug Vorstrecker. Es konnte zudem gezeigt werden, dass die Formteilmerkmale, werden definierte Grenzen der Einstellparameter eingehalten, nicht signifikant von den Toleranzen des Prozessablaufs beeinflusst werden. Dadurch konnte bewiesen werden, dass die wesentlichen Störungen, die die Formteilmerkmale in einer laufenden Produktion beeinflussen, entweder durch die Temperaturführung des Halbzeugs oder die Halbzeugeigenschaften verursacht werden. Aus diesem Grund werden Möglichkeiten aufgezeigt, wie die Temperaturführung optimiert, überwacht und geregelt werden kann. Um Störungen in der Temperaturführung zu identifizieren und darauf zu reagieren wurde in Erweiterung zum Stand der Technik neben der Temperatursensorik ein Verfahren zur Identifizierung des Materialverhaltens erarbeitet. Dieses Verfahren basiert auf der Messung der Umformkraft des Vorstreckers, die in einigen Veröffentlichungen zur Identifizierung der Thermoformbarkeit oder zur Beschreibung des Arbeitspunkts der Thermoformanlage herangezogen wurde. Dadurch können Veränderungen im Materialverhalten festgestellt werden, die durch Veränderungen des Heizprozesses, der Umgebungsbedingungen oder des Halbzeugs selbst verursacht werden. Insbesondere bei teilkristallinen Polymeren, wie Polypropylen und Polyethylenterephthalat bietet sich die Messung der Verstreckkraft, des Moments des Vorstreckermotors oder der Schließkraft des Werkzeugs eine Alternative zur Temperaturmessung durch optische Sensoren. Vorteile dieser Messung ist die Unempfindlichkeit gegenüber optischen Eigenschaften des Halbzeugs und Strahlungsquellen in der Umgebung. Durch eine zyklusweise Kennwertbildung aus den Prozessgrößen ergeben sich Prozesswerte, die sich gut zur Identifikation und zur Regelung des Betriebspunktes eignen. Dies ist im Speziellen die Verstreckenergie, die während des Vorstreckens aufgewendet wird. Eine Regelung der Formteilmerkmale durch die Verstreckenergie ist nur sinnvoll, wenn bei der Inbetriebnahme nachgewiesen ist, dass mit dem verwendeten Halbzeug und Vorstrecker die geforderte Formteilqualität erreicht werden kann. Zudem muss dass qualitätsbestimmende Formteilmerkmal von den temperaturabhängigen Materialeigenschaften abhängig sein. Im Rahmen der Arbeit konnte gezeigt werden, dass eine Regelung der Verstreckenergie das Einschwingen der Thermoformanlage verkürzen kann. Zudem ergänzt die Verstreckenergieregelung die Temperaturregelung dahin gehend, dass ein absoluter Kennwert für ein Material unabhängig von Farbe, Umgebungstemperatur oder Emissionsgrad besteht. Abschließend konnten die im Labor aufgestellten Hypothesen überprüft und Regelungsstrategien getestet werden. Es konnte nachgewiesen werden, dass es möglich ist, durch die Überwachung des mechanischen Versteckvorgangs, Änderungen in den Materialeigenschaften zu identifizieren. Im Labor wurde dies bei verwandten Einschichtpolypropylenfolien nachgewiesen, bei einem Verarbeiter konnte es für einen unbekannten coextrudierten Mehrschichtverbund aus Recyclingmaterialien ebenfalls bestätigt werden.

The study investigated the production of packaging in thermoforming processes to roll machines. As part of the study, it can be shown that the monitoring of process variables can obtain useful information in the thermoforming process. The focus was on the processing of polypropylene materials, which due to its characteristics and price has a share of about 20% of all packaging. To compare to other thermoforming materials, amorphous PET was included in the study. The paper is divided into two main subjects. First, the influence of the setting parameters of the system at the product features is examined. The control of the system was revised and peripheral systems such as preheating were optimized. The second part shows how to use process variables to monitor operating conditions of the system and predict quality characteristics of the molded parts. The analysis of influencing factors on the molded part was performed based on the characteristics of the molded part such as wall thickness distribution, compression strength, mass, sealed-edge geometry and geometrical parameters of the part. It could be shown that the deformation temperature and the geometry of the plug are the biggest influencing factors on the wall thickness distribution. The influences of the settings of the blank holder, molding pressure, as well as the speed of the plug on the wall thickness distribution are smaller by about a factor of four at using the maximum utilization of variation range. This is also due to the fact that for the thermoforming, optimized materials were being used. These are nucleated and the stretch behavior generally has a low dependence of the strain rate. Not considered in this study were the plug temperature and its influence on the friction coefficient. The study was also able to show that the molding characteristics cannot be significantly affected by the tolerances of the process flow if the limits of the setting parameters are defined. Thus, it could be shown that variations of the properties of the molded part in a current production are either caused by the temperature control or sheet properties. For this reason, opportunities are identified related to how to optimize, to monitor, and to control temperature setting. To identify faults in the temperature control, as an extension to the prior method in addition to the temperature sensor, a method for the identification of the material behavior was developed. This method is based on measuring the deformation force of the pre-stretcher, which was used in some publications to identify the thermoforming or description of the operating point of the thermoforming machine. In this research it was shown that the Verstreckkraft and its course is an indication of the ability to process a semi-finished product or can be used to describe a point of operation. This allows the detection of changes in the material properties, which are caused by changes in the heating process, the environmental conditions or the semi-finished product itself. In particular in semi-crystalline polymers such as polypropylene and polyethylene terephthalate the measurement of the plug force, the torque of the motor and the tool clamping force are an alternative to the temperature measured by optical sensors. An advantage of this measure is its insensitivity to optical properties of the material and radiation sources in the environment. By calculation of the cycle based parameters, values are derived from the process variables, which are well suited for the identification and control of the process point. This is in particular the energy of the plug being spent during the pre-stretching. A control of the molding characteristics by the energy of the plug is only useful if it is proven that with the used semi-finished product, pre-stretch quality can be achieved, and the corresponding molding feature is dependent on the temperature-dependent material properties. As part of the study showed, a control of energy of the plug can shorten the oscillation of the thermoforming machine. Looking ahead, a review of the control in a production environment in order to identify long-term behavior is necessary. The temperature control also complements the energy of the plug so that an absolute value for a characteristic material regardless of color, ambient temperature or emissivity consists. Finally, the laboratory hypotheses and control strategies can be tested. It has been proven that it is possible to identify by monitoring the pre-stretching changes in material properties. In the laboratory, this has been demonstrated in related single-layer films; the hypotheses could also be confirmed for unknown coextruded multilayer composite made from recycled materials.

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Moser, Andreas: Nutzung von Prozesswissen beim Thermoformen von Verpackungen. 2013.

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