Bei der großtechnischen Herstellung von Kunststoffverpackungen machen die Rohstoffkosten 60% bis 70% der gesamten Produktionskosten aus. Beim Betrieb von industriellen Kunststoff-Thermoformmaschinen bedeutet jeder Millimeter Kunststofffolie, der nach dem Zuschnitt auf dem Reststück verbleibt, einen Gewinnverlust, der direkt aus der Produktion entgeht.
Zwar ermöglichen Recyclingsysteme, dass Ausschussteile zermahlen und zu Granulat extrudiert werden, doch dieser Prozess verbraucht erhebliche Mengen an Energie, verschlechtert die Materialeigenschaften und erhöht die Arbeitskosten. Der effektivste Weg, die Gewinnmargen zu sichern, besteht darin, Abfall bereits an der Quelle zu vermeiden: durch die Optimierung der Formanordnung (Layout-Optimierung).
Dieser technische Leitfaden bietet eine eingehende Analyse der mathematischen Grundlagen von Formaufbauten, fortgeschrittener Verschachtelungsstrategien, die auf verschiedene Produktgeometrien zugeschnitten sind, sowie der Frage, wie Anlagenkonfigurationen – von Ein-Stationen-Maschinen bis hin zu Mehrstationen-Druckformanlagen – die Lösungen für die Formkonstruktion bestimmen.
Die Bedeutung der Formauslegung geht weit über das hinaus, was Sie sich vorstellen können.
Während des Thermoformprozesses wird überschüssiges Material (Abfall) nach dem Erhitzen und Formen der Kunststoffplatte abgeschnitten; dieser Abfall wird in der Regel entsorgt oder zum Recycling zerkleinert. Ein ungeeigneter Formabstand vergrößert die Oberfläche der Verbindungsstege zwischen den Kavitäten – Material, das letztendlich zu Abfall wird. Eine unzureichende Layoutoptimierung kann die Ausschussquote im Vergleich zu einem gut konzipierten Layout um 8–12% erhöhen.
Das Grundprinzip ist einfach: Es gilt, innerhalb der verfügbaren Formfläche so viele Kavitäten wie möglich anzuordnen, ohne dabei die Produktqualität zu beeinträchtigen.
Allerdings sind dabei Kompromisse einzugehen. Werden die Formnester zu dicht beieinander angeordnet, kann dies zur Bildung von Stegen (unerwünschte dünne Kunststoffverbindungen zwischen den Produkten) oder zu ungleichmäßigen Wandstärken führen, während ein zu großer Abstand Materialverschwendung bedeutet. Um das optimale Gleichgewicht zu finden, ist ein Verständnis sowohl der Produktgeometrie als auch der Leistungsgrenzen der Maschine erforderlich.
Grundsätze für den Formaufbau, die auf verschiedene Modelle anwendbar sind
Grundsatz 1: Machen Sie sich mit den geometrischen Eigenschaften von männlichen und weiblichen Formen vertraut.
Die Art des verwendeten Formhohlraums – männlich (Stecker) oder weiblich (Hohlraum) – beeinflusst die Wanddickenverteilung und die Genauigkeit des Hohlraumabstands.
Bei Negativformen (bei denen das Blech in eine konkave Form gezogen wird) entstehen in der Regel am Boden die dünnsten Wandstärken und an den Rändern dickere Wandstärken. Im Rahmen der mechanischen Gegebenheiten lassen sich die Kavitäten von Negativformen in der Regel sehr dicht nebeneinander anordnen.
Bei männlichen Formhohlräumen (bei denen die Folie über eine erhabene Form drapiert wird) sind die Wände oben am dicksten, wobei die Dicke entlang der Seitenwände allmählich abnimmt. Bei dieser Art von Formhohlraum ist ein präziser Mittenabstand erforderlich, um ein “Faltenbild” (bei dem sich die Folie faltet und an sich selbst haftet) sowie eine übermäßige Ausdünnung der Seitenwände zu verhindern.
Die Formel zur Berechnung des Mindestabstands von Mitte zu Mitte bei Formnestern für Stecker lautet: > D = A + [L – 2(F × tan E)]
Regel 2: Verwenden Sie eine geradlinige Anordnung, um die Effizienz beim Zuschneiden zu verbessern.
Obwohl versetzt angeordnete dreieckige Teile die Materialausnutzung verbessern können, ist bei den meisten polygonalen oder kreisförmigen Hohlräumen eine **lineare Anordnung** vorteilhafter, um den Beschnittvorgang zu vereinfachen. Dieser Ansatz geht zwar mit gewissen Einbußen bei der Materialausnutzung einher, senkt jedoch die Arbeitskosten erheblich und vereinfacht den Beschnittvorgang.
Regel 3: Berücksichtigen Sie den Kettenführungseffekt.
Die Ränder des Umformbereichs – insbesondere in der Nähe der Kettenführungen, die zum Transport des Blechs dienen – weisen aufgrund von Wärmeverlusten an die Metallketten unterschiedliche Erwärmungseigenschaften auf. Befindet sich der Formhohlraum zu nahe am Rand, kann dies zu einer unvollständigen Umformung führen. Es ist unerlässlich, einen zusätzlichen Randabstand vorzusehen, der in der Regel zwischen 50 und 100 mm liegt (abhängig von der jeweiligen Anlage).
Formaufbau für Mehrstationen-Thermoformmaschinen mit Über- und Unterdruck
Mehrstufige Überdruck- und Unterdruck-Thermoformmaschinen entsprechen dem neuesten Stand der Technik in diesem Marktsegment. Diese Maschinen kombinieren Überdruck (von oben aufgebracht) und Vakuumansaugung (von unten aufgebracht), um Produkte mit gleichmäßiger Wandstärke und komplexen Geometrien herzustellen.
Wesentliche Vorteile des Aufbaus: Das Doppel-Drucksystem ermöglicht engere Hohlraumabstände, da durch die Unterstützung durch Einlegeteile und die Druckformung Material in engere Ecken und tiefere Hohlräume gedrückt werden kann, ohne dass übermäßige Verbindungsstege entstehen. Im Vergleich zum herkömmlichen Vakuumformen kann das Formverfahren mit Über- und Unterdruck die Materialausdünnung um bis zu 20% reduzieren.
Überlegungen zur Anordnung dieser Art von Geräten:
T-förmige Formplattform: Viele moderne Mehrstationenmaschinen verfügen über eine T-förmige Plattformkonstruktion, die einen schnellen Formwechsel ermöglicht. Diese Flexibilität ermöglicht den Wechsel zwischen verschiedenen Kavitätenkonfigurationen ohne nennenswerte Ausfallzeiten.
Maximale Geschwindigkeit und Anzahl der Kavitäten: 4-Stationen-Thermoformmaschinen mit Über- und Unterdruck können mit Geschwindigkeiten von 40–50 Zyklen pro Minute betrieben werden. Bei diesen Geschwindigkeiten summieren sich die Materialeinsparungen, die durch Hinzufügen einer einzigen Formkammer pro Reihe erzielt werden, erheblich. Bei dünnwandigen Behältern muss abgewogen werden, ob eine Verkürzung der Zykluszeiten (durch Erhöhung der Formkammeranzahl) oder eine Reduzierung des Ausschusses (durch Verringerung des Abstands) eine bessere Kapitalrendite (ROI) erzielt.
Praxisbeispiel: Bei der Herstellung runder Behälter mit einem Durchmesser von 200 mm auf einer 3-Stationen-Tiefziehmaschine von SIVITE MACHINERY führte die Optimierung der Formnestanordnung– durch den Wechsel von einer versetzten zu einer linearen Anordnung und die Optimierung des Mittenabstands – wurde die Ausschussquote von 221 TP5T auf 141 TP5T gesenkt, was zu einer Materialeinsparung von etwa 85 kg pro Schicht führte.
Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Optimierung des Formlayouts
Hier ist ein praktischer Arbeitsablauf für alle Bediener von Kunststoff-Thermoformmaschinen:
Schritt 1: Messen Sie Ihren Formungsbereich aus
Ermitteln Sie die genauen Abmessungen Ihrer Formstation (des “Formtisches”). Berücksichtigen Sie dabei die Freiräume an den Rändern (Kettenschiene, Führungen usw.).
Schritt 2: Berechnung der Grundfläche des Bauteils
Ermitteln Sie die maximalen Abmessungen jedes Hohlraums, einschließlich der Entformungsschrägen. Beachten Sie, dass sich die Grundfläche des Bauteils an der Unterseite von der an der Oberseite unterscheidet.
Schritt 3: Probieren Sie verschiedene Layoutkonfigurationen aus
Verwenden Sie CAD oder auch Millimeterpapier. Test:
Gerade Reihen (am besten zum Zurückschneiden geeignet)
Versetzte Reihen (können die Flächenausnutzung verbessern)
Verschachtelte Muster (für dreieckige oder unregelmäßige Formen)
Schritt 4: Berechnung des Ausschussanteils
Für jedes Layout:
Abfallmenge % = (Blattfläche – (Kavitätenfläche × Anzahl der Kavitäten)) / Blattfläche
Schritt 5: Führen Sie eine Testversion durch
Führen Sie einen kleinen Testlauf durch, messen Sie die Wandstärke, prüfen Sie, ob Stege oder Risse vorhanden sind, und passen Sie den Abstand entsprechend an.
Empfehlungen
Die Optimierung des Formlayouts für Kunststoff-Thermoformmaschinen ist eine der kosteneffizientesten Möglichkeiten, Materialverschwendung zu reduzieren. Zwar gelten die zugrunde liegenden Prinzipien – dichte Ausfüllung der Formkammern, Berücksichtigung der Geometrien von Patrizen und Matrizen sowie Beachtung des Kettenlauf-Effekts – allgemein, doch weist jeder Maschinentyp seine eigenen spezifischen Einschränkungen und Vorteile auf.
Einzelstationen bieten eine hervorragende Prozesssteuerung, allerdings kann die Materialausnutzung aufgrund der Spannvorgaben etwas beeinträchtigt sein.
Mehrstationen-Vakuumformmaschinen schaffen einen Ausgleich zwischen Geschwindigkeit und Flexibilität und halten sich dabei an eher konservative Abstandsrichtlinien.
Mehrstationen-Druck-/Vakuumformmaschinen gelten als Maßstab für die optimale Balance zwischen Geschwindigkeit und Materialausnutzung und ermöglichen eine möglichst dichte Ausfüllung der Formkammern.
Entwerfen Sie zunächst ein Layout, das Anpassungen zulässt, führen Sie anschließend Versuche durch, messen Sie die Ergebnisse und optimieren Sie den Prozess kontinuierlich. Mit dem richtigen Ansatz können Sie die Ausschussquote um 8–15% senken – Einsparungen, die sich in erheblichen Vorteilen niederschlagen.
