Blasformen & Verfahrenstechnik & Blasformmaschinen

Blasformen: Verfahrenstechnik bei der Herstellung von Kunststoffhohlkörpern mit Blasformmaschinen

Blasformen von Kunststoffhohlkörpern mittels kontinuierlicher Extrusion

Beim Blasformen von Kunststoffhohlkörpern wird im ersten Verfahrensschritt mittels eines beheizten Extruders einer Blasformmaschine Kunststoff in Granulat- oder Pulverform eingezogen, verdichtet, entgast, aufgeheizt, plastifiziert und zu einem plastischen Kunststoffstrang homogenisiert.

Im nächsten Schritt wird die Kunststoffmasse in einen an den Extruder angeflanschten Schlauchkopf geführt.

Dort wird die Kunststoffschmelze zu einem Schlauch geformt, der senkrecht aus einer Düse nach unten austritt. Der Schlauchdurchmesser wird mit unterschiedlich großen Dorn- und Düsennormalien die an den Schlauchkopf angeflanscht werden an den zu fertigenden Blasformartikel angepasst. Die Schlauchdicke und das daraus resultierende Gewicht der Blasformteile wird durch die Auswahl von unterschiedlichen Durchmesser- Differenzen von Dorn zu Düse vorbestimmt.

Bei stark konturierten Blasformteilen führen unterschiedliche Reckwege zu unterschiedlichen Wanddicken innerhalb der Blasformteile. Um diese unerwünschten Auswirkungen auf die Artikelqualität zu verhindern wird die Wanddicke des Schlauches dem entgegenwirkend, durch Veränderung der axialen Stellung des konisch ausgelegten Dornes zur Düse verändert. Dorn und Düse sind entweder innen- oder außenkonisch ausgelegt.

(Abbildung = Außenkonisch)

Der Schlauch wird, je weiter er aus der Düse austritt, immer schwerer. Je schwerer er wird und umso länger er am Schlauchkopf hängt, um so stärker wird der Schlauch durch sein Eigengewicht gestreckt. Deshalb wird mit der Wanddickensteuerung auch den Folgen des Auslängens (und damit einer Schlauchdickenreduktion) entgegengewirkt.

Bei Blasformteilen mit stark ovalem Querschnitt werden Dorn oder Düse üblicherweise auch noch oval profiliert um den unterschiedlichen radialen Reckwegen im Blaswerkzeug Rechnung zu tragen. Durch unterschiedliche Schlauchwanddicken auf dem Umfang wird die Ausdünnung im Bereich großer Reckwege minimiert.

Abbildung: Querschnitt (Draufsicht) durch Blasform mit darin befindlichem, oval profilierten Schlauch / Vorformling. Pfeile = Reckwege beim Aufblasen

Eine gleichmäßige Wanddicke der Blasformteile ist von entscheidender Bedeutung für den Materialbedarf, eine gute Wanddickenverteilung sorgt für ebene Flächen ohne Rippenbildung. Durch eine hohe Wanddickenkonstanz kann die Kühlzeit wesentlich reduziert werden. Bei technisch anspruchsvollen Blasformteilen wird auch während des Blasformzyklusses die radiale Profilierung geändert. Man setzt dieses mittels eines in die Düse eingesetzten flexiblen Ringes um, der mit Servostellzylindern kontrolliert deformiert werden kann. Dieses Verfahren wird als PWDS (Partielle WandDickenSteuerung ) bezeichnet.

Im nächsten Schritt des Blasformverfahrens schließt die wassergekühlte Blasform um den extrudierten Vorformling. Der Vorformling wird mittels Trennvorrichtung (Messer, Glühdrahtschneider oder Schlauchschließklappe) vom weiterhin aus der Düse austretenden Materialstrang getrennt. Während oder unmittelbar nach dem Trennvorgang fährt die Schließeinheit mit der darin befindlichen Blasform unter dem nachströmenden Material hinweg in die Aufblasstation.

Um dem nachströmenden Materialstrang auszuweichen werden in der Verfahrenstechnik unterschiedliche Wege beschritten:
1.) Die Form fährt schräg oder in einem Bogen nach unten in die Aufblasstation.
2.) Während und nach dem Trennvorgang wird bei jedem Zyklus der Extrunder samt Schlauchkopf angehoben, nach erfolgter Formbewegung in die Aufblasstation wird der Extruder wieder abgesenkt. Blasformmaschinen mit diesem Konzept verfügen damit über eine technisch einfacher umzusetzende Möglichkeit mit einer linear- waagrecht stattfindenden Bewegung der Schließeinheit.

Wenn die Blasform die Blasstation erreicht hat, taucht ein ebenfalls wassergekühlter Blasdorn in den in der Blasform befindlichen Vorformling ein, formt mit der Blasdornspitze die Halskontur des späteren Blasformteiles und beaufschlagt die Innenseite des in der Form eingequetschten Vorformlings mit Druckluft.

Durch die Druckluft reckt sich der Vorformling und legt sich an die gekühlte Blasformwandung an. Die auf der Außenseite des Vorformlings befindliche Luft entweicht über die Formtrennebene und über zusätzlich in die Blasform eingebrachte Entlüftungsbohrungen. Der heiße, plastisch verformbare Kunststoff, der von der Druckluft an die Formwandung gepresst wird, gibt anschließend einen großen Anteil seiner Wärmeenergie an die gekühlte Blasform ab und erstarrt. Beim Blasformen von Polyolefinen arbeitet man dabei üblicherweise mit Aufblasdrücken von 6 bis 10 bar.

Verfahrensbedingt wird die Wärmeenergie beim Blasformen über die Außenseite des Blasformteiles abgegeben. Da Kunststoff ein schlechter Wärmeleiter ist, nimmt die erforderliche Aufblas- und damit Abkühlzeit mit zunehmender Artikelwandung sehr deutlich in einer quadratischen Funktion zu, welches bei einer Verdoppelung der Artikelwandstärke eine Vervierfachung der Aufblaszeit erfordert.

Die langen Kühlzeiten bei dickwandigen Blasformteilen (und die damit einhergehende geringere Produktivität) versucht man zu verringern, indem man die Artikelinnenseite mittels Spülluft, Umkehrluft, Wassernebel, tiefkaltem CO2 oder flüssigem Stickstoff zusätzlich kühlt.

Folgende Faktoren beeinflussen die Kühlzeit und damit eine wirtschaftliche Fertigung beim Blasformen:

• Spezifische Wärmekapazität des zu verarbeiteten Kunststoffes
• Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffes
• Farbpigmente und Additive
• Schmelzetemperatur
• Artikelwanddicke
• Gleichmäßigkeit der Wanddicke
• Innenkühlung CO2 / N2
• Innenkühlung mit Spülluft / Umkehrluft / Wassernebel
• Entformungstemperatur
• Nachkühlvorrichtung

Die Blasform beeinflusst durch ihre Auslegung die Kühlzeiten ebenfalls durch die Wahl von:

• gebohrten Kühlkanälen
• Konturgefrästen Kühlkanälen
• eingegossenen Kühlrohren
• Abstand der Kühlkanäle zum Nest der Blasform
• Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugmateriales

Zusätzlich wird die Kühlzeit beim Blasformen beeinflusst durch:

• Kühlwasserdurchsatz
• Kühlwassertemperatur
• Taupunkt in der Umgebungsluft, auf die die Kühlwassertemperatur abgestimmt sein muß. (sonst bilden sich durch Kondenswasser Markierungen auf der Blasteiloberfläche). Die Kühlwassertemperatur liegt je nach Luftfeuchtigkeit und Lufttemperatur in nicht klimatisierten Räumen zumeist zwischen 11 und 17 Grad Celsius.

Nach einer voreingestellten Zeitspanne wird das Aufblasen beendet und in einer nachfolgenden Zeitspanne kann die im Blasteil enthaltene Druckluft über den Blasdorn entweichen. Anschließend öffnet die Blasform und das Blasformteil samt Butzen bleibt auf dem Blasdorn hängen. Wenn der zeitgleich mit dem Aufblasvorgang extrudierte nächste Vorformling die mittels Fotozelle überwachte Länge erreicht, fährt die Schließeinheit samt Blasform wieder in die Position direkt unterhalb des Schlauchkopfes.

Dort angekommen schließt die Blasform wieder um den Vorformling. An der Blasform sind Maskenarme angebracht, die sich mit der Formschließbewegung um das noch am Blasdorn hängenden Blasformteil legen und es festhalten. Der Blasdorn fährt jetzt aus der unteren Position heraus nach oben, das Blasformteil verbleibt dabei in den Maskenarmen.
Wenn der Blasdorn in der oberen Stellung angekommen ist, fährt die Blasform wieder zurück in die Aufblasstation (Bewegung "1") und transportiert gleichzeitig den in den Maskenarmen befindlichen Blasformartikel in die mit Führungsstangen versehene Entbutzungsstation. Beim herunterfahren der Blasform schieben die Maskenarme gleichzeitig das aus dem vorhergehenden Zyklus in der Butzentrennstation verbliebenen Blasformteil weiter in die Artikelführung und damit aus der Blasformmaschine heraus.

Die Blasdorne tauchen wieder in die Blasform (Bewegung "2"), der nächste Vorformling wird aufgeblasen. In der Butzentrennstation werden die Reste des Vorformlings, die über das Formnest nach oben und unten hinausgeragt hatten mit einer Stanzvorrichtung abgetrennt. Diese als Butzen bezeichneten Abschnitte werden einer Schneidmühle zugeführt, eingemahlen und als Mahlgut dem Fertigungsprozess wieder zugeführt.

Video: Blasformen mittels kontinuierlicher Extrusion auf einer Kautex Blasformmaschine.

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Schrumpfung des Artikels

Der Artikel schrumpft während des Abkühlvorganges innerhalb und außerhalb des Blaswerkzeuges. Das bedeutet dass der fertige Artikel kleiner ist als das in die Blasform eingebrachte Formnest.

Die Schrumpfung des Blasformteiles ist abhängig von

• Dem verwendeten Materialtyp des Artikels
• Der Entformungstemperatur des Artikels
• Farbpigmenten und Additiven
• Der Artikelwanddicke
• Dem Reckverhältnis von Vorformling zu Artikelabmessung.

Beispielsweise wird ein nicht eingefärbter Artikel aus HDPE mit Wanddicke 1 mm bei den üblichen Taktzeiten um ca. 1,7% schrumpfen Ein Artikel aus HDPE mit einer Wandstärke von 5 mm wird um etwa 2,5% schrumpfen. Der Schrumpfvorgang, der zuerst schnell von statten geht, ist in der Regel erst 24 bis 48 Stunden nach der Herstellung abgeschlossen. Deshalb ist es für die Qualitätssicherung wesentlich, welche Zeit zwischen der Produktion und der Erfassung von Artikelmaßen vergangen ist. Das gleiche gilt für den Zeitpunkt einer möglichen Nachbearbeitung z.B. mit Bohrungen bei denen genaue Mittenabstände eingehalten werden müssen.

Blasformteil vor und nach dem Entbutzen

In der Blasform wird der Bereich in dem der Butzen liegt oftmals mit Rippen versehen, um die Kühlfläche zu vergrößern und dem Butzen eine höhere Stabilität zum Abstanzen zu geben.

In der nebenstehenden Abbildung sind ebenfalls die bis auf die Formtrennebene hervorstehenden Schneidkanten der Blasform gut zu erkennen. Das Formnest wird, anders als hier gezeigt, bei der Verarbeitung von Polyolefinen (PE + PP) sandgestrahlt. Durch die dadurch entstandene Oberflächenstruktur der Blasform wird verhindert, dass sich die Kunststoffschmelze abdichtend in die Form legt, Luftpolster eingeschlossen werden und ein vollständiges Entlüften des Nestes unterbleibt, die Artikeloberfläche nicht sauber ausgebildet wird.

Bei der Verarbeitung thermoplastischer Kunststoffe rechnet man mit erforderlichen Schließkräften je laufenden cm Butzentrennkante bei Einsatz von:

LDPE mit 800 - 1000 N/cm
HDPE mit 1000 - 1200 N/cm
HDPE hochmolekular mit 1600 - 1800 N/cm
PP mit 1500 - 1800 N/cm
PC mit 1600 - 1900 N/cm

Zu diesen Trennkräften kommen noch die Kräfte der Butzenquetschung hinzu. Die Kraft die durch den Aufblasdruck aufgebaut wird (Aufblasdruck x projizierte Formnestfläche auf der Trennebene) wird nicht zum Zeitpunkt des Schließens der Blasform aufgebracht und braucht deshalb nicht zu den Trennkräften addiert werden. Maßgeblich für die notwendige Schließkraft ist, welche der beiden Kräfte höher ist. (zzgl. Sicherheitsaufschlag)

Blasformen mit der Einstationen- Blasformmaschine Kautex KEB 1 aus der Sicht eines Elektrikers:

(Kautex- Einschieß- Blasformmaschine bis 1 ltr. Artikelvolumen, mit kontinuierlicher Extrusion)

Blasformen mit kontinuierlicher Extrusion.

Zu Beginn des Blasform- Zyklusses steht die Blasform offen in unterer Endlage, der Blasdorn steht in unterer Endlage, die Butzentrennvorrichtung ist in Grundstellung. Während der Formöffnungsbewegung wird der Initiator Öffnungsbegrenzung angefahren. Durch diesen Initiator wird die Funktion Schließeinheit heben eingeleitet. Mit Erreichen der oberen Endlage wird der Initiator obere Endlage angefahren. Dieser gibt bei ausgeschalteter Fotozelle das Signal Form schließen. Bei eingeschalteter Fotozelle gibt er das Startsignal für die Schlauchlängenkorrektur.

Wenn die Fotozelle den extrudierten Schlauch registriert hat, wird
1.) Form schließen eingeleitet,
2.) ein Soll- Istwert Vergleich von voreingestellter und tatsächlicher Zeitspanne zwischen obere Endlage und dem Signal der Fotozelle angestellt.

Wenn die tatsächliche Zeitspanne kleiner als die Vorgabezeit ist, wird die Extruderdrehzahl reduziert.
Wenn die tatsächliche Zeitspanne größer als die Vorgabezeit ist, wird die Extruderdrehzahl erhöht.

Die Form schließt
1.) um den Extrudierten Vorformling / Schlauch.
2.) Die auf der Form montierten Maskenarme schließen um das Blasformteil das an dem unten stehenden Blasdorn hängt.

Kurz vor Erreichen der Position Form geschlossen wird der Initiator Blasdorn Rückzug angefahren, welcher den Rückzug des Blasdornzylinders einleitet.
Gleichzeitig wird der Initiator Aufblasen angefahren, der das Startsignal für die Zeituhr Abschneider vor, Impulsstützluft ein sowie Wanddickensteuerung 1.Programmpunkt gibt.
Der Abschneider trennt den Vorformling.
Der Blasdornzylinder betätigt in der oberen Endlage den Initiator, der die Funktion Schließeinheit senken freigibt. Die Butzentrennvorrichtung muß in der Grundstellung stehen / zurückgefahren sein.
Die Schließeinheit fährt in die untere Endlage.
Der Initiator untere Endlage leitet die Funktion Blasdorn Einschießen ein und gibt das Startsignal für die Zeituhr Aufblasen verzögert und Verzögert Butzentrenner vor.

Der Blasdorn senkt sich in den in der Blasform befindlichen Vorformling. Jenachdem wie groß die Zeitspanne für Aufblasen verzögert eingestellt ist, beginnt der Aufblasvorgang bereits bevor der Blasdorn völlig in die Blasform eingefahren ist. Durch den vorzeitigen Austritt der Druckluft wird die Tulpe des Schlauches weiter geöffnet. Dadurch soll verhindert werden, das umgekippte Schlauchenden mit in den Artikel geblasen werden. Zusätzlich führt der Druckluftschwall zu einer Abkühlung des Materials in Halsbereich, welches sich oft positiv auf die Oberflächengüte der Halsinnenfläche des Artikels auswirkt.

Während die Aufblaszeit abläuft ist die Zeit für Butzentrenner vor abgelaufen und der Butzentrenner vorgefahren. Nachdem die Zeituhr Butzenstanze zurück abgelaufen ist fährt die Butzenstanze zurück in die Grundstellung. Nachdem die Aufblaszeit abgelaufen ist, beginnt die Zeituhr Entlüften anzulaufen, die im Blasteil befindliche Druckluft entweicht.

Mit Ablauf der Entlüftungszeit öffnet die Blasform (Butzentrenner muss Endschalter Butzentrenner zurück angefahren haben) Das mit Butzen versehene Blasformteil bleibt auf dem in unterer Endlage stehengebliebenen Blasdorn hängen. Wenn die Blasform den Endschalter Öffnungsbegrenzung angefahren hat, ist die Blasmaschine bereit für den nächsten Zyklus.

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Johannes Tack
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