Thermoforming ist ein weit verbreiteter Herstellungsprozess, der verwendet wird, um thermoplastische Plattenmaterialien durch Anwendung von Hitze und Druck/Vakuum in die gewünschten Profile/Formen zu bringen. Die verschiedenen Techniken innerhalb des Oberbegriffs Thermoforming umfassen: Vakuumformen, Druckformen und kombiniertes Vakuum/Druckformen. Jede Variante bietet spezifische Vorteile basierend auf dem gewünschten Ergebnis und den Anwendungsanforderungen.
Thermoforming wird bei der Herstellung sowohl einfacher als auch relativ komplexer Einzelblattteile eingesetzt, die einem relativ niedrigen Spannungsprozess folgen, indem scharfe Übergänge im Formeinsatz vermieden werden.
Dieser Artikel wird erklären, was Thermoforming ist, einschließlich seiner Funktion, des Prozesses, der Arten und der Verwendungen.
Was ist Thermoforming?
Thermoforming ist ein einfacher Prozess, bei dem ein erhitztes thermoplastisches Blatt über einen 3D-Profilformer gespannt und dann in engen Kontakt mit diesem gebracht wird. Es nutzt entweder Druck oben, Vakuum unten oder beides. Das Material wird dann gekühlt und vom Formeinsatz gelöst, wobei die ihm auferlegte Form beibehalten wird.
Was ist die Funktion des Thermoforming?
Thermoforming ist eine kostengünstige Methode zur Herstellung von 3D-Profilen aus flachen, thermoplastischen Materialien. Es ermöglicht die Produktion überraschend komplexer Netze mit bemerkenswerter Funktionalität.
Betrachten Sie das Beispiel des faltbaren Eierkartons, der noch immer weit verbreitet im Einzelhandel für Eierverpackungen eingesetzt wird. Dieser integriert eine Reihe von Funktionen in ein äußerst langlebiges Produkt mit einer über 50-jährigen Markterfahrung. Die einzelnen Nester halten das Ei sanft in Unterstützung mit engem Sitz. Das Produkt integriert stoßdämpfende Eigenschaften, die einen hohen Schutz vor Schäden bieten, indem lokale Kollapsmerkmale hinzugefügt werden und das Ei vom oberen und unteren Verpackungssurfaces getrennt bleibt, um Raum für Bewegung zu lassen, sodass die Impulskräfte auf die Schale reduziert werden. Das Schalentier-Design bedeutet, dass ein Blatt Material beide Hälften des Kastens bildet. Ein Kneif- oder Teilschnitt am Scharnierpunkt ermöglicht eine lokale Scharnierung, die die kristalline Elastizität am Flexpunkt ausnutzt, um mehrere Schließvorgänge ohne Bruch zu ermöglichen. Schnappmerkmale sind in den einstufigen Thermoforming-Prozess integriert, sodass der Kasten geschlossen werden kann, bis der Verbraucher ihn leicht öffnen kann.
Wie unterscheiden sich Thermoforming und andere Formverfahren?
Thermoforming ist nahezu einzigartig darin, keinen flüssigen thermoplastischen Zustand zu nutzen. Spritzgießen verwendet einen flüssigen Zustand. Extrusion zwingt ein festes Material durch Scherung in einen nahezu flüssigen Zustand. Ausgehend davon kann Thermoforming komplexe 3D-Profile formen. Geometrisch gesehen ist das Material jedoch immer noch im Wesentlichen 2D (das ursprüngliche Blatt verzerrt), anstatt eine neu geformte Flüssigkeit zu sein. Das bedeutet, dass die intermolekularen Beziehungen des ursprünglichen Blattes verzerrt, aber im Wesentlichen intakt sind.
Um mehr zu erfahren, sehen Sie unseren vollständigen Leitfaden zu Formverfahren.
Was ist der Prozess des Thermoforming?
Ein thermoplastisches Blatt wird erhitzt, bis es den erforderlichen viskosen, gummiartigen, halbfesten Zustand erreicht, in der Regel hoch im Glasübergangsbereich. Die notwendige Temperatur dafür liegt am oberen Ende des Glasübergangsbereichs, wobei die Kettenbindungen, die die kristalline Matrix bilden, geschwächt und beweglich, aber nicht vollständig überwunden sind.
Das erhitzte Blatt wird in eine bestimmte Form geformt, wobei zwei Schritte durchgeführt werden. Zuerst wird das Werkzeug auf einem beweglichen Tisch angehoben, der sich hebt, um die Unterseite des Blattes zu treffen. Dies zwingt das erhitzte Polymer, sich über das Werkzeug zu legen, wobei die Höhe, aber nicht die Gesamtform, angepasst wird. Dann wird zusätzlicher Druck durch Vakuum unten oder Druck oben oder eine Kombination aus beidem ausgeübt. In ungewöhnlichen Fällen kann eine obere Werkzeugkomponente verwendet werden, um bestimmte Bereiche beim Formen zu unterstützen.
Das geformte Teil wird gekühlt, um das Material in den festen Zustand zurückzuführen und seine geformte Form zu bewahren, während es zu einer jetzt 3D-Platte wird. Während des Abkühlens werden Vakuum oder Druck aufrechterhalten, um eine Formrelaxation zu verhindern, während das Material wieder in die Steifigkeit zurückkehrt.
Der Abschluss des Formprozesses hinterlässt ein 3D-Profil (oder mehrere gleiche Profile), entweder als männliche oder weibliche Netzform im Vergleich zur Position des Blattes. Dieses unvollständige Teil wird aus der Thermoforming-Maschine entfernt, entweder manuell oder automatisiert. Es wird dann in eine Nachbearbeitungsphase übergeben, in der überschüssiges Material entfernt wird, um das Endprodukt zu erzielen. Der Zuschnitt kann manuell oder automatisiert, geschnitten oder gestanzt werden.
Was sind die zwei Thermoforming-Verfahren?
Materialdicke ist ein nützlicher Unterscheidungsfaktor bei Thermoformprozessen, wobei dünnere Materialien hauptsächlich für Einweg-Anwendungen verwendet werden und dickere Materialien eher in Situationen mit höherer Belastbarkeit eingesetzt werden. Nachfolgend sind zwei kundenspezifische Herstellungsverfahren für Kunststoffe aufgeführt:
1. Schwer-Gauge-Thermoformen
Schwer-Gauge-Thermoformen ist eine spezialisierte Klassifikation des Prozesses, die sich auf dickere Polymerplatten, typischerweise ab 1,5 mm, konzentriert. Dieser Materialtyp wird verwendet, wenn große, langlebige und strukturell robuste Kunststoffteile hergestellt werden, oft mit komplexen Geometrien. Allerdings sind lokale innere Krümmungen bei zunehmender Materialdicke eingeschränkter. Die Tiefe der Merkmale kann ziemlich groß sein, da das Material über höhere Werkzeuge gedehnt und dünner gemacht wird. Dabei tritt an ausgeprägten Merkmalen und Dehnzonen lokale Dünnung auf.
Schwer-Gauge-Thermoformen wird in Branchen eingesetzt, die robuste und langlebige Komponenten benötigen, wie: Automobilpaneele, Innenraumverkleidungen für die Luft- und Raumfahrt sowie industrielle Anwendungen wie: Tropfschalen, Mehrfach-Nest-Teileinsätze und architektonische Fertigstellungselemente. Es bietet Vorteile in Bezug auf Kostenersparnis, schnelle Produktionszyklen und die Fähigkeit, Teile mit komplexen Details und variierenden Wandstärken herzustellen, ohne hohe Werkzeugkosten zu verursachen.
Eine Ausnahme von der allgemeinen Haltbarkeit des Schwer-Gauge-Thermoformens bildet die Formgebung dicker Schaumstoffe wie Takeaway-Getränkeschalen, die oft aus Polypropylen-, Polyethylen- und Polystyrolschaumstoffen thermoformt werden, um einfache Schalen herzustellen, die dick, aber von sehr niedriger Dichte und Haltbarkeit sind.
2. Dünn-Gauge-Thermoformen
Dünn-Gauge-Thermoformen ist ein Verfahren, das dünne thermoplastische Platten verwendet, typischerweise im Bereich von 0,008 bis 0,080 Zoll (0,2 bis 2,0 mm). Dies impliziert einen Überlappungsdickenbereich, in dem Dünn- und Dick-Gauge-Thermoformen überlappen, was die Definitionen offen für Interpretationen lässt.
Dieser Materialdickenbereich wird häufig für die Herstellung leichter, wegwerfbarer Produkte verwendet, wie: Verpackungen, Blisterverpackungen, Einweg-Schalen/-Lebensmittelbehälter und einige langlebige Konsumgüter.
Es bietet große Kosteneffizienz durch schnelle Produktionszyklen und die Möglichkeit, komplexe und detaillierte Teile aus sehr kostengünstigen Materialien und einfacher Verarbeitung/Werkzeugherstellung zu fertigen. Dieses Verfahren wird in Branchen eingesetzt, in denen die Massenproduktion dünnwandiger Kunststoffkomponenten vorteilhaft und wirtschaftlich notwendig ist, aber hohe Kosten nicht getragen werden können.
Wie lange dauert das Thermoformverfahren?
Die Dauer des Thermoformprozesses ist sehr variabel und muss pro Design bewertet werden. Sie hängt von Faktoren ab wie: Materialart, Plattendicke und Komplexität des Teils.
Im Allgemeinen können Dünn-Gauge-Thermoformprozesse für einfache Formen kürzere Zykluszeiten haben, oft im Bereich von wenigen Sekunden bis zu einer Minute oder mehr pro Zyklus. Schwer-Gauge-Thermoformen kann längere Zykluszeiten haben, die mehrere Minuten umfassen. Hochvolumige und automatisierte Produktionssysteme können mehrere Formen und kontinuierliche Verarbeitung integrieren, um die Effizienz zu steigern.
Welche Art von Form wird beim Thermoformen verwendet?
Formen, die beim Thermoformen eingesetzt werden, sind sehr vielfältig. Ein einfaches und leicht geformtes Stück Holz kann als Werkzeug dienen, um eine grundlegende Schale oder eine ähnliche einfache Form zu formen. Komplexere Holz- und MDF-(Mitteldichte-Faserplatten)-Montagen werden häufig für detailliertere Profile verwendet, die keine lange Haltbarkeit erfordern. CNC-gefertigte Werkzeuge werden in höherem Volumen und bei höherer Präzision eingesetzt. Diese können MDF, Aluminium und gelegentlich Stahl sein, wenn eine lange Werkzeuglebensdauer erforderlich ist.
In allen Fällen ist das Werkzeug auf einer Seite flach und muss ein konisches und verjüngtes Profil aufweisen, ohne signifikante axiale Vergrößerung an irgendeinem Punkt. Begrenzte Untercut-Formen können geformt und vom Werkzeug abgedrückt oder gedehnt werden, solange das Design ausreichend Beweglichkeit/Elastizität im Bereich um das Merkmal zulässt, sodass das gekühlte Kunststoffteil ohne Bruchgefahr vom Werkzeug abgenommen werden kann.
Welche Materialien werden beim Thermoformen verwendet?
Thermoformen ist auf thermoplastische Plattenmaterialien beschränkt, wobei der Prozess die Erweichung durch Strahlungswärme oder Heißluft als ersten Schritt erfordert. Die am häufigsten verwendeten Materialien sind:
Polystyrol (PS) und Hoch-Impact-Polystyrol (HIPS).
ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol).
Polycarbonat.
PET (Polyethylenterephthalat) und PETG (Polyethylenterephthalat-Glykol).
Hochdichtes Polyethylen (HDPE).
Wie viel kostet Thermoformen?
Thermoformen ist ein Low-Tech-Prozess, der mit höher technologische Verbesserungen wie Prozessautomatisierung für: Beladen, Entladen, Handhabung/Trimmen und potenziell alle Phasen umgesetzt werden kann.
In der Regel sind die Teilekosten für eine thermoformgefertigte Komponente zwischen 5 und 50 Mal höher als für das entsprechende Spritzgussteil, abhängig davon, ob der Prozess manuell und arbeitsintensiv oder automatisiert ist. Dies ist auf höhere Rohstoffkosten und ein sehr hohes Arbeitskraftpotenzial zurückzuführen.
Die Werkzeugkosten können jedoch beim Thermoformen um den Faktor 100 geringer sein, und Skaleneffekte machen Kleinserien-Spritzgussteile aufgrund dieses Faktors besonders teuer.
Insgesamt ist bei niedrigen Stückzahlen ein manueller Thermoformprozess immer kostengünstiger als Spritzguss. Bei höheren Stückzahlen, selbst mit Automatisierungskosten, kann das Thermoformen wettbewerbsfähig sein, wie die Verwendung im Automobilsektor zeigt.
Ist Thermoformen billiger als Spritzguss?
Ja. Es ist deutlich günstiger, die Produktion durch Thermoformen aufzubauen als durch Spritzguss. Die Maschinen für das Grundthermoformen sind 100 bis 1000 Mal günstiger als für Spritzguss. Die Infrastrukturanforderungen für das Thermoformen sind minimal, während sie beim Spritzguss erheblich sind — bis hin zu hochfesten Böden zur Unterstützung schwerer Maschinen.
Lohnkosten für das Personal, das für das Thermoformen erforderlich ist, sind ähnlich. Allerdings ist die Produktionsleistung dieses Personals beim Spritzguss sehr hoch. Auch beim automatisierten Thermoformen ist die Produktivität hoch, was diese Option wettbewerbsfähig macht.
Materialkosten für Spritzguss sind deutlich niedriger als für Thermoformen. Rohplastikgranulate können so wenig wie 1€/kg kosten, während selbst die günstigste HDPE-Platte wahrscheinlich 5 bis 10 Mal so viel kostet.
Welche Arten des Thermoformens gibt es?
Thermoformen lässt sich in zwei Prozesskategorien unterteilen, die durch die Anwendung von Druck über der Platte oder Vakuum unter der Platte getrennt sind. In einigen begrenzten Fällen wird eine Hybridlösung beider Verfahren in der Ausrüstung verwendet, was einige als verbessertes Ergebnis beanspruchen. Die Unterschiede sind jedoch nicht groß, sodass die höheren Kosten für Hybriddruck oft als geringwertig angesehen werden.
1. Druckformen
Beim Druckformen wird Luftdruck über die erweichte Platte verwendet, um die Form an das Werkzeugprofil anzupassen. Druckbasierte Prozesse sind etwas kostengünstiger umzusetzen, da Druckquellen einfacher herzustellen sind als Vakuumquellen.
Ein kleiner Nachteil ist die etwas erhöhte Wahrscheinlichkeit, Luft in bestimmten Werkzeugmerkmalen einzuschließen, was jedoch durch das Hinzufügen klarer Entlüftungspfade ins Werkzeug ausgeglichen werden kann.
2. Vakuumformen
Beim Vakuumformen wird ein Vakuum unter die Platte angewendet, um das Material auf das Werkzeugprofil zu ziehen. Dies ist im Wesentlichen identisch mit dem Druckthermoformen, außer dass der Druck darüber atmosphärisch ist.
Vakuumausrüstung kann schwerer zu regulieren sein als eine Hochdruckquelle, aber viele betrachten diese Formmethode als überlegen. Insbesondere ermöglicht sie eine bessere visuelle Überwachung des Formprozesses, da keine obere Umhausung erforderlich ist, die die Sicht des Bedieners behindert.
Um mehr zu erfahren, siehe unseren vollständigen Leitfaden zum Vakuumformprozess.
Was sind die Anwendungsbereiche des Thermoformens?
Thermoformen ist ein sehr weit verbreiteter Herstellungsprozess, der es ermöglicht, relativ komplexe Produkte aus im Wesentlichen primitiven Werkzeugen und einem technisch einfachen Verfahren herzustellen.
Es wird verwendet, um 3D-Profile in 2D-Materialien zu formen, die thermoplastisch sind:
Für Verpackungsbehälter, Blisterpackungen und Einweggeschirr.
Für Innenraumkomponenten im Automobilbereich sowie Fahrzeugkarosserieteile und Stoßfänger.
Für medizinische Tabletts, Gerätegehäuse, Abdeckungen/Verkleidungen für Prothesen und dentalformende Produkte.
Für Innenverkleidungen und Sitzkomponenten in der Luft- und Raumfahrt.
Für Beschilderungen und Displaypaneele.
Welche Branchen nutzen Thermoformen?
Die meisten Branchen haben das Potenzial, Thermoformen zu nutzen, aber die häufigsten Anwendungen sind in:
Lebensmittel- und Produktverpackungen
Automobil
Luft- und Raumfahrt
Medizin
Beschilderungen
Wie wird Thermoformen in der Fertigungsindustrie eingesetzt?
Thermoformte Komponenten sind entweder Fertigprodukte oder Komponenten, die in Fertigprodukte integriert werden. Einige Beispiele sind:
Eierkartons sind fertige Produkte, thermoformiert und unverändert verwendbar.
Blisterpackungen können als fertige Produkte betrachtet werden, die gefüllt/verschlossen werden, oder sie können Komponenten sein, die in Verpackungen integriert werden, wie z.B. Blisterfenster in Kartonverpackungen.
Medizinische und Lebensmittel-Tabletts werden thermoformiert und direkt verwendet, oft mit minimaler Nachbearbeitung.
Automobil- und Luft- und Raumfahrtpaneele sowie Innenraumverkleidungen werden in Fahrzeuge eingebaut.
Kosmetische Teile für menschliche Prothesen sind in der Regel nicht-strukturelle Endbearbeitungskomponenten, die als ästhetische Veredler zum Produkt hinzugefügt werden.
Maschinengehäuse sind Komponenten, die als hygienische oder ästhetische Oberflächen in Geräte wie Werkzeugmaschinen und medizinische Instrumente eingebaut werden.
Beschilderungsteile werden häufig durch Thermoformen hergestellt, um hohe ästhetische Qualitäten zu erzielen und die Gesamtauswirkung von Displays zu verbessern.
Was ist die Qualität von thermoformbaren Kunststoffplatten?
Thermoformbare Kunststoffkomponenten können von außergewöhnlich hoher Qualität sein, abhängig von der Kontrolle des Prozesses und dem Können der Bediener.
Sie hängen stark von drei Faktoren ab, die unten aufgeführt sind:
Gutes Design, das eine enge und web/faltfreie Anpassung an das Werkzeug ermöglicht.
Gute Oberflächenfinishs am Werkzeug, insbesondere beim Dünnblatt-Thermoformen, bei dem es eine starke Tendenz gibt, Oberflächenfinishs und unbeabsichtigte Merkmale auf der äußeren und in der Regel kosmetischen Seite der geformten Komponente widerzuspiegeln.
Qualität und Eignung der Materialien — die Wahl einer übermäßigen Materialstärke führt zu einem Verlust von Merkmalen und schlechter Anpassung; die Wahl eines minderwertigen Materials führt in der Regel zu einem qualitativ schlechteren Produkt/Komponente.
Was sind die Vorteile des Thermoformens?
Thermoformen bietet verschiedene bedeutende Vorteile:
Die Kosten für das Werkzeug sind im Vergleich zu fast jedem anderen Verfahren niedrig.
Die Kosten für Ausrüstung/Einrichtung gehören zu den niedrigsten aller Kunststoffformverfahren.
Materialoptionen sind beträchtlich, sowohl in Polymerart als auch in Dicke.
Die Qualität der Komponenten kann sehr hoch sein, wenn das Werkzeug und der Prozess gut ausgeführt werden.
Die Komponenten kosten, bei niedrigen Stückzahlen, sind überwältigend wettbewerbsfähig im Vergleich zu alternativen Verfahren.
Kompetenzniveaus von niedrig bis moderat können dennoch brauchbare Ergebnisse liefern, wenn das Design förderlich für den Prozess ist.
Was sind die Nachteile des Thermoformens?
Thermoformen hat einige schwere und einschränkende Begrenzungen und Nachteile:
Dickenvariationen können schwer zu kontrollieren sein, da sich das Material über das Profil des Werkzeugs dehnt.
Die Anpassung an komplexe Merkmale kann schwer wiederholt erreicht werden.
Die meisten technischen Materialien und alle exotischen Polymere sind nicht in Plattenform erhältlich oder nicht für den Prozess geeignet.
Designs müssen die beschnittenen Kanten berücksichtigen, die in der Regel kaum kosmetisch hergestellt werden können, ohne erheblichen und mäßig qualifizierten Arbeitsaufwand.
Der Prozess ist langsam und teuer, wenn er vollständig manuell durchgeführt wird, oder deutlich teurer in der Einrichtung, wenn er automatisiert ist.
Das Volumenproduktivität ist ohne große Investitionen in Automatisierung gering, was die Kostenimplikationen der hergestellten Teile verändert.
Die Qualität kann vom Bediener abhängen, daher erfordern die besten Ergebnisse etwas Können und Urteilsvermögen.
XTJ ist ein führender OEM-Hersteller, der sich der Bereitstellung von Komplettlösungen von Prototyp bis Produktion verschrieben hat. Wir sind stolz darauf, ein nach ISO 9001 zertifiziertes System für Qualitätsmanagement zu sein, und wir sind bestrebt, in jeder Kundenbeziehung Mehrwert zu schaffen. Das tun wir durch Zusammenarbeit, Innovation, Prozessverbesserungen und außergewöhnliche Handwerkskunst.
