Nutzung von Prozesswissen beim Thermoformen von Verpackungen (2013)

Diese Arbeit untersucht das Herstellen von Verpackungen im Thermoformverfahren auf Rollenautomaten. Im Rahmen der Arbeit konnte gezeigt werden, dass durch die Uberwachung von Prozessgrosen nutzliche Informationen beim Thermoformen gewonnen werden konnen. 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 Uberprufung der Ansatze auf andere Thermoformwerkstoffe wurde amorphes Polyethylenterephthalat in die Untersuchung mit aufgenommen. Die Arbeit ist in zwei Kernthemen untergliedert. Im Ersten werden die Einflusse der Einstellparameter und der Anlage auf die Produktmerkmale untersucht. Dazu wurde eine Einflussparameteranalyse durchgefuhrt, die Anlagensteuerung uberarbeitet und Peripheriegerate wie die Vorheizung optimiert. Im Zweiten wird gezeigt, wie mit Hilfe von Prozessgrosen Betriebszustande der Anlage uberwacht und Qualitatsmerkmale der Formteile prognostiziert werden konnen.
Die Einflussparameteranalyse wurde anhand der Formteilmerkmale Wanddickenverteilung, Stauchdruck, Masse, Siegelrandgeometrie und geometrischer Grosen des Formteils durchgefuhrt. Dabei zeigte sich, dass die Umformtemperatur und die Geometrie des Vorsteckers die grosten 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 zuruckzufuhren, dass fur das Thermoformen optimierte Halbzeuge verwendet wurden. Diese sind in der Regel nukleiert und besitzen eine geringe Abhangigkeit 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 Storungen, die die Formteilmerkmale in einer laufenden Produktion beeinflussen, entweder durch die Temperaturfuhrung des Halbzeugs oder die Halbzeugeigenschaften verursacht werden. Aus diesem Grund werden Moglichkeiten aufgezeigt, wie die Temperaturfuhrung optimiert, uberwacht und geregelt werden kann.
Um Storungen in der Temperaturfuhrung 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 Veroffentlichungen zur Identifizierung der Thermoformbarkeit oder zur Beschreibung des Arbeitspunkts der Thermoformanlage herangezogen wurde. Dadurch konnen Veranderungen im Materialverhalten festgestellt werden, die durch Veranderungen 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 Schlieskraft des Werkzeugs eine Alternative zur Temperaturmessung durch optische Sensoren. Vorteile dieser Messung ist die Unempfindlichkeit gegenuber optischen Eigenschaften des Halbzeugs und Strahlungsquellen in der Umgebung. 
Durch eine zyklusweise Kennwertbildung aus den Prozessgrosen ergeben sich Prozesswerte, die sich gut zur Identifikation und zur Regelung des Betriebspunktes eignen. Dies ist im Speziellen die Verstreckenergie, die wahrend 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 Formteilqualitat erreicht werden kann. Zudem muss dass qualitatsbestimmende Formteilmerkmal von den temperaturabhangigen Materialeigenschaften abhangig sein. Im Rahmen der Arbeit konnte gezeigt werden, dass eine Regelung der Verstreckenergie das Einschwingen der Thermoformanlage verkurzen kann. Zudem erganzt die Verstreckenergieregelung die Temperaturregelung dahin gehend, dass ein absoluter Kennwert fur ein Material unabhangig von Farbe, Umgebungstemperatur oder Emissionsgrad besteht. 
Abschliesend konnten die im Labor aufgestellten Hypothesen uberpruft und Regelungsstrategien getestet werden. Es konnte nachgewiesen werden, dass es moglich ist, durch die Uberwachung des mechanischen Versteckvorgangs, Anderungen in den Materialeigenschaften zu identifizieren. Im Labor wurde dies bei verwandten Einschichtpolypropylenfolien nachgewiesen, bei einem Verarbeiter konnte es fur einen unbekannten coextrudierten Mehrschichtverbund aus Recyclingmaterialien ebenfalls bestatigt werden.