Unter Thermoformen versteht man ein Verfahren, das der Umformung von thermoplastischen Kunststoffen dient. Veraltete Bezeichnungen für dieses Verfahren sind Vakuumtiefziehen, Tiefziehen und Warmformen. Auch die für das Verfahren benötigten Werkzeuge werden als Thermoformen bezeichnet.

Mittlerweile wird dieses Fertigungsverfahren für dreidimensionale Formteile aus flächenförmigen Kunststoffhalbzeugen wie Platten und Folien vollautomatisch und in industriellem Maßstab durchgeführt. Zu Beginn der 1950er Jahre hingegen wurde der Prozess, der unter Einwirkung von Wärme und Druckluft oder Vakuum abläuft, vornehmlich im handwerklichen Umfeld ausgeführt.

Funktionsweise des Thermoformens

Prinzipiell sind zahlreiche Verfahrenstechniken für die Durchführung des Umformens im Bereich des Thermoformens geeignet. Die für die Umformung benötigte Energie wird jedoch heute üblicherweise durch Vakuum und/oder Druckluft zugeführt, wenn thermoplastische Kunststoffe umgeformt werden sollen. Zusätzlich kann man auch mechanische Verstreckhilfen einsetzen. Hierbei erfolgt die Umformung im sogenannten kautschukelastischen Bereich. Je nach verwendeter Produktionsanlage führt man das Kunststoff-Halbzeug in Form von Platten oder Folien zu.

Ablauf Thermoformen von Kunststoff

Der Begriff "Thermoformen" hat sich für alle diese Verfahren eingebürgert. Denn generell muss der umzuformende Kunststoff zunächst von der Lager- bzw. Raumtemperatur auf die benötigte Umformtemperatur gebracht, also in der Regel erwärmt werden. Im Gegensatz dazu führt man die Urformverfahren Spritzgießen und Extrusion in einem Temperaturbereich durch, in dem der umzuformende Kunststoff in Form einer Schmelze vorliegt.

Eine weitere Unterscheidung der Thermoformverfahren kann nach der Art der eingesetzten Halbzeuge erfolgen. Während dünne Halbzeuge als Folien bezeichnet werden, nennt man dickere Materialien ab etwa 1,5 mm Stärke Platten. Die Zuführung von Folien-Halbzeugen erfolgt auf großen Rollen, deren Durchmesser bis zu 1,8 Meter betragen kann.

Ablauf Thermoformen

Man kann den Thermoformzyklus in die folgenden Prozessschritte einteilen:

1. Zuführung sowie Einspannen des verwendeten Halbzeugs
2. Erwärmung des Halbzeugs auf Prozesstemperatur
3. Positionieren des Halbzeugs am Werkzeug
4. Umformungsprozess
5. Abkühlung des Formteils
6. Entformen
7. Eventuelle Nachbearbeitung des Formteils

Produktions-Zyklus beim Thermoformen

Eingesetzte Maschinentechnik

Bei den industriellen Thermoformmaschinen haben sich heutzutage vor allem die zwei folgenden Maschinentypen durchgesetzt:

1. Einstationenmaschinen und
2. Mehrstationenmaschinen

Eine Einstationenmaschine nimmt die Erwärmung und Umformung des Halbzeugs in der gleichen Station vor. Hierbei fährt man das Heizsystem zum Erwärmen des Kunststoffs über eine fest eingespannte Platte. Vor dem Umformen wird es wieder zurückgefahren. Andererseits ist es möglich, das Halbzeug in die Heizzone und wieder zurück zu fahren. Die Gesamtzykluszeit zur Herstellung eines Formteils addiert sich aus den Zeiten der einzelnen Verfahrensschritte, als da wären: Aufheizen, Verfahren des Heizsystems, Vorformen und Ausformen des Formteils, Abkühlen und Entnehmen des Formteils.

Eine Mehrstationenmaschine nimmt das Aufheizen und Formen des Kunststoffs in räumlich voneinander getrennten Stationen vor. Dem entsprechend bestimmt der langsamste Verfahrensschritt die Dauer des Gesamtzyklus.

Führt man das Halbzeug der Maschine als Zuschnitt zu, so bezeichnet man diese als Plattenmaschine. Die Zuführung und Entnahme erfolgt bei einer solchen Anlage entweder manuell oder automatisiert. Die Dicke der Halbzeuge bewegt sich in der Regel zwischen 0,1 und 12 mm. Normalerweise erfolgt die Bestückung von Einstationenmaschinen mit Platten. So werden diese Maschinen universell einsetzbar.

Die Beschickung der Maschine von einer Halbzeugrolle mithilfe von Rollenautomaten ist einfacher als die Bestückung mit Platten. Hierbei können thermoplastische Halbzeuge mit einer Dicke von bis zu 2,5 mm von der Rolle verarbeitet werden. Solche Rollenautomaten setzt man vor allem in der Großserienproduktion ein, etwa in der Verpackungsmittelherstellung oder für Fahrzeuginnenverkleidungen.

Anwendung Thermoformen

Das Thermoformen wird für die Produktion einer Fülle an Formteilen aus unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt. Dies können zum Beispiel Verpackungsbehälter sein, von denen pro Stunde bis zu 100.000 Stück produziert werden. Aber auch große Formteile wie Schwimmbecken aus Kunststoff werden auf diese Weise hergestellt. Hierbei sind selbstverständlich nur geringe stündliche Stückzahlen möglich. Zudem ist diese Art der Kunststoffumformung sehr bedeutend für die Herstellung von Automobilteilen wie Verkleidungen oder Armaturenbrettern.

Mit dem Verfahren zu verarbeitende Kunststoffe

Das Thermoformverfahren kommt vorwiegend zur Umformung amorpher Thermoplaste zum Einsatz. Zu ihnen zählen zum Beispiel PMMA, PVC, PC, SAN, ABS und PS. Auch teilkristalline Kunststoffe wie PP und PE lassen sich so umformen. Darüber hinaus eignen sich Verbundfoliensysteme (Laminate) für das Thermoformverfahren. Sie vereinen die guten Eigenschaften mehrerer Kunststoffe in einem Halbzeug. Unter anderem werden mit solchen Folien die Barriereeigenschaften diverser Kunststoffe bezüglich der Diffusion von Gasen und Flüssigkeiten genutzt. Die Formteile werden dann zum Beispiel im Bereich von Lebensmittelverpackungen eingesetzt.

Einsatzbereiche für das Thermoformen

Ein Klassisches Anwendungsgebiet für das Thermoformen ist zum Beispiel die Verpackungsmittelproduktion. Darüber hinaus hat sich das Verfahren jedoch in zahlreichen industriellen Bereichen etabliert. Da es besonders bei kleinen und mittelgroßen Serien durch niedrige Werkzeugkosten rentabel ist, setzt es sich häufig als Alternative zum Spritzgießen durch.

Das Verfahren ist besonders deshalb bei Industrieesignern so beliebt, weil Form, Farbgebung und Funktion sich dabei mühelos und zu günstigen Konditionen kombinieren lassen.

Auf diese Weise lassen sich etwa Hauben und Abdeckungen für den Maschinen- und Anlagenbau produzieren, sowie für den Nutz- und Agrarfahrzeugbau, für Baumaschinen oder Flurförderzeuge. Auch Kotflügel und Armaturen lassen sich per Thermoformen produzieren. Darüber hinaus hat sich das Verfahren im Konsumgüterbereich etabliert. Hier kommt es beispielsweise zur Produktion von Kühlschrankteilen zum Einsatz. Thermisch und akustisch isolierende Kunststoffe wie Polyurethanschaum oder Glasfasermatten werden zudem für den Automobilsektor thermogeformt.