 |
| Frank Nissel ist Präsident von Welex Inc., einem Anbieter von Einschnecken-Extrusionsanlagen zur Herstellung von thermogeformten Behältern sowie von Rohren, Profilen, Schläuchen, Platten, Folien und anderen Artikeln. |
E
Die Inline-Kombination von Folienextrusion und Thermoformen bietet jedoch Großserienherstellern von Verpackungen und Einwegartikeln viele Vorteile. Die Integration von Extrusion und Thermoformen in einen Inline-Prozess führt zu einer verbesserten Produktion und Energieeinsparungen. Mehrere alternative Verfahren bieten dem Verarbeiter Vorteile bei bestimmten Polymeren und Endprodukten.
Sowohl die Plattenextrusion als auch das Thermoformen haben sich in den rund 50 Jahren seit ihrer Einführung zu hochpräzisen Verfahren entwickelt. Plattenextrusionsanlagen bieten praktisch unbegrenzte Ausstoßkapazitäten. Immer größere Thermoformmaschinen werden entwickelt, um den unersättlichen Märkten für Verpackungen und Einwegartikel wie Trinkbecher und Deckel gerecht zu werden.
Passende Kapazitäten
Die Integration von Extrusion und Thermoformen in ein Online-System erfordert eng aufeinander abgestimmte Kapazitäten, um die besten Skaleneffekte zu erzielen. Plattenextrusionssysteme mit geringerer Kapazität sind relativ teuer, sodass die Integration größere Thermoformmaschinen begünstigt. Kleinere Systeme werden am besten von einer großen Folienextrusionslinie bedient, die zwei oder mehr Thermoformer versorgen kann. Bei einer Einschicht-Folienextrusionslinie erhöht die Verdoppelung der Kapazität die Investition nur um 30 Prozent.
Während Welex über eine Reihe integrierter Systeme verfügt, die in Übersee im Bereich von 400 bis 500 kg/h laufen, laufen die meisten US-Betriebe von 1000 bis 2000 kg/h. Solche Kapazitäten erfordern Märkte mit großem Appetit auf ein bestimmtes thermogeformtes Produkt. Kosten- und Effizienzüberlegungen erfordern auch, dass die Extrusionskapazität die Thermoformkapazität übersteigt, so dass der Thermoformer niemals durch die Extruderkapazität begrenzt wird.
Folienextrusionstechnologie
Die Plattenextrusion hat sich zu einem der am genauesten gesteuerten und automatisierten Kunststoffverfahren entwickelt. Extrem enge Toleranzen werden üblicherweise problemlos eingehalten. Dieser hohe Grad an Gleichmäßigkeit reduziert das Produktgewicht und minimiert Ausschuss, was zu erheblichen Materialeinsparungen führt.
Folienextruder werden normalerweise entlüftet, um die Notwendigkeit des Vortrocknens von Materialien zu vermeiden und Lufteinschlüsse aus recyceltem Tiefzieh-Skelettabfall zu eliminieren. Die Schmelze wird immer durch einen Siebwechsler gefiltert, um Verunreinigungen zu entfernen. Üblicherweise werden Schieberplattenwechsler vom Kassettentyp verwendet, aber stark verunreinigtes Material wird am besten mit einem vollständig kontinuierlichen Wechsler gehandhabt, der den Fluss während des Wechsels nicht unterbricht.
Während Extruder präzise Polymerpumpen sind, wirkt sich die Variation des Ausgangsmaterials von Pellets bis hin zu verschiedenen Graden von weniger dichtem Mahlgut nachteilig auf die Ausgangsstabilität aus. Eine perfekte volumetrische Ausgangsstabilität wird durch den Einsatz eines Zahnradpumpensystems nach dem Siebwechsler gewährleistet. Dieses wird mit automatisch geregeltem konstantem Druck vom Extruder zugeführt, der einfach zu einem effizienten Schmelzgerät wird. Darauf folgt normalerweise ein statischer Mischer, um eine perfekte Schmelztemperatur und Viskositätsgleichmäßigkeit zu gewährleisten.
 |
| Dieses rotierende Inline-Formsystem von Welex/Irwin produziert 100.000 Deckel/h. Die heiße Folie wird direkt auf die gekühlte Vakuumformtrommel extrudiert, wodurch eine Folienabnahme entfällt. |
Die Temperatur der Folie, die aus der Form austritt, ist im Allgemeinen höher als die wünschenswerteste Warmformtemperatur, und die Folie erfordert oft ein Oberflächenpolieren, um die gewünschte Endbearbeitung des Produkts zu erreichen. Im Fall von Polypropylen ist ein schnelles Abkühlen wesentlich, um eine Kristallitbildung zu verhindern, die zu einer schlechten Klarheit und einer verringerten Steifheit führt.
Rollfed-Thermoformen
Bei der Offline-Verarbeitung wird das Blech auf einem Drei-Walzen-Stapel oberflächenveredelt und gekühlt, der unter Walzendruck die gewünschte Oberflächenveredelung aufbringt, während die Wärme abgeführt wird. Drei Walzen mit zwei Walzenspalten sind erforderlich, um die Oberflächenbeschaffenheit zu steuern und die Bahn angemessen zu kühlen. Die erste Walze stellt nur einen momentanen Druckpunkt bereit und dient hauptsächlich dazu, Lufteinschlüsse zwischen der mittleren Walze und dem Blatt zu beseitigen. Die mittlere Walze sorgt für das Oberflächenfinish auf einer Seite, während die dritte Walze während des Abkühlens das Finish auf die andere Seite aufträgt. Die Walzen erfordern eine genaue Präzision, da jede Abweichung von der Ebenheit, Rundheit oder Gleichmäßigkeit der Geschwindigkeit die Gleichmäßigkeit der Blechdicke nachteilig beeinflusst.
Nach dem Abkühlen wird die Platte auf die exakte Breite besäumt und für das anschließende Thermoformen zu Rollen gewickelt. Das Kantenbeschneiden ist für das Wickeln guter Rollen unerlässlich, da unbeschnittene Bahnen dazu neigen, kleine Wülste an den Kanten zu haben, die die Rollenform stören. Während der Randstreifen granuliert und wiederverwendet wird, bedeutet dies eine Verschwendung von 5 bis 10 Prozent der Produktionskapazität.
Rollen sollten vor dem Thermoformen mehrere Tage gelagert werden, um eine vollständige Temperaturgleichmäßigkeit zu gewährleisten. Dies ist besonders kritisch für Polypropylen, das einen sehr engen Temperaturbereich für das Thermoformen hat.
Tandem-Inline-Systeme
Ein Tandem-Inline-System kombiniert eine komplette Bogenlinie ohne Kantenschneider und Aufwickler mit einer kompletten Tiefziehmaschine. Die Folie wird weit unter ihre Erweichungstemperatur gekühlt, und eine kurze Folienhängeschlaufe dient als Akkumulator zwischen der kontinuierlichen Folienlinie und dem zyklischen Thermoformer. Die Synchronisierung wird mit einem optischen Schleifendetektorsystem erreicht, das den Thermoformer jedes Mal vorrückt, wenn sich genügend Bogen angesammelt hat. Zur Energieeinsparung kann eine kleine Menge Restwärme in der Platte aufrechterhalten werden, aber es folgt eine komplette Thermoformmaschine mit einem vollen Nachwärmofen.
Dies ist das am einfachsten zu bedienende System und für alle Materialien geeignet. Bei Bedarf kann eine Zwischenstation zum Auf- und Abwickeln der Rollen eingefügt werden, um kurze unabhängige Testläufe entweder der Folienextrusionsanlage oder des Thermoformers zu ermöglichen. Die Hauptvorteile sind die Konsistenz des Futters und die Freiheit von Handhabungsrollen. Wie bei allen Inline-Systemen müssen die Kanten nicht beschnitten werden, sodass die Extruderkapazität zu 100 Prozent genutzt wird.
Das Tandem-Inline-System ist das wesentliche Verfahren für klare Materialien. Es ist auch möglich, Testläufe für jede Hälfte des Systems unabhängig voneinander durchzuführen, indem eine Zwischenstation zum Auf- und Abwickeln der Rollen installiert wird.
Der Hauptnachteil des Systems besteht darin, dass beim Abkühlen und anschließenden Wiederaufheizen des Blechs viel Energie verschwendet wird. Selbst bei einer bescheidenen Rate von 1 Tonne/h beläuft sich dies auf etwa 75.000 Kcal/h an abgeführter und später ersetzter Wärme. Das entspricht 90 kW, was bei 0,10 $/kWh mindestens 50.000 $/Jahr kostet.
 |
| Das Tandem-Inline-System kombiniert eine Folienextrusionslinie mit einem Thermoformer. Das System ist einfach zu bedienen und für alle Materialien geeignet, jedoch wird viel Energie zum Abkühlen und Wiederaufheizen der Platte aufgewendet. Das heiße Inline-System führt eine teilweise gekühlte Folie einem Thermoformer zu. Die kleinen Rollen im Blattabzug minimieren die Wärmeabfuhr. Das Verfahren nutzt Energie effizient, ist jedoch auf Anwendungen mit großen Kapazitäten und dicken Blechen beschränkt. Das Rotations-Inline-System extrudiert heiße Folie direkt auf eine gekühlte Vakuumformtrommel, wodurch Kühl- und Folienabnahmekomponenten entfallen. Das System dient zur Herstellung von Artikeln mit geringem Tiefgang. |
Heiße Inline-Systeme
Welex verwendet für diese Anwendung einen speziellen Blechabzug mit drei Rollen, der relativ kleine Rollen verwendet, um die Wärmeabfuhr zu minimieren. Daran schließt sich ein voll unterstütztes kurzes Speicherkreislaufsystem in einem geschlossenen Gehäuse an, das direkt in die Transportkette des Thermoformers einbindet.
Unter idealen Bedingungen wäre ein solches System in der Lage, ohne weitere Wärmezufuhr zu laufen. Derzeit ist dies aufgrund der langen Hübe großer Thermoformer, die zyklische Temperaturunterschiede vom Anfang bis zum Ende jedes Formrahmens erzeugen, nicht erreichbar. Solche heißen Inline-Systeme werden daher mit verkürzten Wiedererwärmungsöfen betrieben, die mit niedriger Leistung arbeiten, um die Blechtemperatur vor dem Formen zu stabilisieren.
Dieses Verfahren eignet sich für alle Polymere außer für klare Polypropylenprodukte. Klares PP und APET müssen unmittelbar nach der Extrusion schnell abgekühlt werden, um die Bildung von Kristallen zu vermeiden. Heißes Inline-Formen würde zu milchig aussehenden Behältern mit geringerer Steifigkeit führen. Dieses Verfahren bietet die effizienteste Nutzung von Energie, ist jedoch auf Anwendungen mit sehr großem Fassungsvermögen und ziemlich dicken Folien, wie Bechern und Behältern, beschränkt.
Dünne Bleche und kleine Kapazitäten sind für dieses Verfahren nicht geeignet, da es unter diesen Bedingungen nicht möglich wäre, die erhöhte Blechtemperatur aufrechtzuerhalten. Diese werden durch den Tandem-Inline-Betrieb besser bedient. In jedem Fall sind die Ausrüstungskosten im Wesentlichen gleich. Der Hauptvorteil liegt in der Energieeinsparung.
Rotierende Inline-Systeme
Für Deckel und andere Artikel mit geringem Tiefgang kann die heiße Folie direkt auf eine gekühlte Vakuumformtrommel extrudiert werden. Dadurch entfällt die Notwendigkeit eines Blattabzugs vollständig. In einigen Fällen wird ein kleines Zwischenpaar von Polierwalzen verwendet, um eine Oberflächenveredelung auf das Blech aufzubringen und es vor dem Formen leicht abzukühlen. Rotationsformer dieser Art werden seit vielen Jahren von Deckelherstellern kundenspezifisch hergestellt und waren bis vor kurzem nicht im Handel erhältlich.
Früher war dieses System verständlicherweise weder für Extruder- noch für Tiefziehmaschinenhersteller von Interesse. Der Extruderbauer verpasst die Gelegenheit, eine Blattabzugseinheit, einen Hauptteil des Systems, zu verkaufen. Der Hersteller von Thermoformern verliert noch mehr, da er auf den Verkauf einer Entgratpresse angewiesen ist. Dem Werkzeughersteller ist es gleichgültig, da er in jedem Fall die Formen herstellt.
Die Düse des rotierenden heißen Inline-Systems von Welex/Irwin ist normalerweise geneigt, um der Zugrichtung des Trommelsystems zu entsprechen. Dieser Winkel ist entscheidend, um den Aufbau von Extrudat an den Düsenlippen zu vermeiden. Solche Ansammlungen können Formlinien auf dem Bogen bilden und sich periodisch ablösen. Die Winkelverstellung erfolgt entweder durch eine um die Einlaufachse drehbare stirnseitige Matrize oder durch eine zentral gespeiste Matrize mit Universalgelenkadaptersystem.
Die Formtrommel sollte mindestens acht Facetten von Formen haben, um ihre Sehnenwirkung zu minimieren, da dies dazu neigt, zyklische Dickenvariationen zu induzieren. Dieses Problem kann auch durch programmierte zyklische Variationen der Umfangsgeschwindigkeit behoben werden. Ein Kommutatorsystem beaufschlagt die Formfacetten am anfänglichen Blechkontaktpunkt mit Vakuum und schaltet es am Abstreifpunkt ab.
Nach dem Abziehen wird die thermogeformte Bahn zu einer synchronisierten Schneidepresse transportiert, wo die Teile auf die übliche Weise geschnitten und gestapelt werden. Die Prozesskapazität wird nur durch die Fähigkeit der Entgratpresse begrenzt.
Dieses System produziert große Mengen von Teilen mit geringer Formtiefe. Für kleinere Kapazitäten ist es aufgrund der hohen Anzahl an benötigten Kavitäten nicht geeignet. Bei hohen Stückzahlen bietet es Einsparungen bei Investitions- und Betriebskosten.
Kontaktinformationen
Welex Inc., Blaue Glocke, PA
Frank Niesel
(215) 542-8000
www.welex.com
