Styroporheißdrahtschneiden

Für die Herstellung von Verpackungen eignet sich besonders der Profi Cutter. Dies ist eine Portalmaschine, welche im Wesentlichen aus dem Grundrahmen, dem Drahthalter, den Portalen und der Hard- und Software die für das Bedienen der Maschine notwendig ist besteht.

Bild IV.1: Der Profi- Cutter

Der Schneidprozess ist hauptsächlich ein Schmelzprozess, bei welchem ein heißer dünner Draht das Styropor zertrennt. Dieser wird auf 300°C erwärmt und ist so in der Lage verschiedene Kunststoffschäume zu schneiden. Der Prozess ist berührungslos, so dass es nicht erforderlich ist die Styroporblöcke oder -platten fest einzuspannen, nur der Draht ist gespannt.

Der Draht erreicht seine Schneidtemperatur durch den Widerstand, dem er dem Strom, welcher vom Netzteil geliefert wird, selbst bietet. Diese Materialkonstante wird als spezifischen elektrischen Widerstand bezeichnet. Er ist abhängig von der Länge, des Durchmessers, der Spannung und der Stromstärke. Aus Sicherheitsgründen darf an dem Draht eine maximale Spannung von 40V anliegen. Müssen aus verfahrenstechnischen Gründen höhere Spannungen angelegt werden, so ist die Sicherheit der Arbeiter durch Warnhinweise und einer Konstruktion, die es nicht möglich machen den Draht während er stromdurchflossen ist zu berühren, gewährleistet. Ist der Draht noch nicht Strom durchflossen so ist es ein neutraler Leiter. Legt man nun eine Spannung an, entsteht ein elektrisches Feld und die Elektronen fangen an sich zu beschleunigen. Diese gehören nicht zum Metallgitter und bewegen sich in Richtung des plus Pols. Das Metallgitter fängt in folge des Stromflusses an zu schwingen, was den Elektronen das Bewegen in diesem erschwert, da sie mit den Teilchen im schwingenden Metallgitter zusammenstoßen. Dadurch entsteht Reibung, diese hat zur Folge das Energie in Form von Wärme abgegeben wird.

Die Abhängigkeit des Widerstandes in Form eines Drahtes, von seiner Länge und Querschnittsfläche bzw. seines Durchmessers lässt sich wie folgt beschreiben:

dabei ist die Querschnittsfläche des Drahtes

Weiter ist er Widerstand R auch beschrieben als das Verhältnis zwischen der Spannung und der Stromstärke.

Aus diesen Abhängigkeiten ergeben sich die folgenden Grenzwerte

Bild IV.2: Parameter der Drähte

Die Foam Cutting System GmbH stellt ebenso Mehrdrahtschneidmaschinen her. Diese verschieden Drähte sind parallel geschaltet, damit die Spannung möglicht gering bleibt. Die Parallelschaltung wirkt wie eine Vergrößerung der Querschnittsfläche des Drahtes, das heißt die Stromstärke I erhöht sich und die Spannung V bleibt konstant. 

So ist:

Damit ergibt sich ein Gesamtwiderstand von:

Der Ausgleich der Längenänderung des Drahtes während er beheizt wird, ist durch eine Feder realisiert, das heißt längt sich der Draht, so spannt ihn die Feder, verkürzt er sich wird er zurück gelassen.

Bild IV.3Der Drahthalter

Nachdem der Schneiddraht seine Arbeitstemperatur erreicht hat kann mit dem Schneidprozess begonnen werden. Der Schaumblock bewegt horizontaler Richtung (x- Richtung) und der Draht in vertikaler Richtung also y- Richtung. Der Vorschub wird über Schrittmotoren geregelt. Die mitgelieferte Controllercard, ist das Element, welches die Informationen, der Programme OptimPro und FoamCut an die Maschine weiter gibt. Sie steuert die Motoren. Ein Netzteil, versorgt die Controllercard mit Strom, so ist die Versorgung vom PC unabhängig.

Kurz bevor der heiße Draht  das Styropor berührt, schmilzt es und es entsteht ein Spalt. Styropor fängt ab einer Temperatur von ca. 100°C an zu schrumpfen. Es schmilzt nicht wie andere Kunststoffe mit großen Tropfen ab, sondern schrumpft an den Schmelzstellen, damit ist der Werkstoff durchtrennt, ohne sichtbare farbliche Veränderungen, und ohne ein Verkleben des Schaumstoffes nach dem Schmelzvorgang.

Bild IV.4: Der Schneiddraht durchtrennt den Kunststoffschaum

Das Wasserstrahlscheiden ist eine weitere Möglichkeit Verpackungen herzustellen. Dabei ist es ebenfalls möglich sehr komplizierte Konturen auszuscheiden. Die Wasserstrahl Schneidtechnologie wird zum größten Teils zum Schneiden von sehr harten Materialien angewendet wie zum Beispiel Metall und Stein. Mit der Wasserstrahlschneidtechnologie ist es möglich dreidimensionale Formen herzustellen.

Der Aufbau einer solchen Maschine besteht im Hauptsächlichen aus der Hochdruckpumpe, den Hochdruckleitungen, der Düse, dem Schneidtisch, dem Schrittmotor und dem Catcher.

Die Hochduckpumpe hat die Aufgabe die hohen Drücke zu erzeugen, welche notwendig sind, damit der Wasserstrahl als trennendes Werkzeug eingesetzt werden kann. Dieser wird über den so genannten Druckübersetzer erzeugt, indem der bis zu 200 bar große Öldruck von der Hydraulikpumpe bis um das 20 fache erhöht wird. Dieser Druck wirkt auf das Wasser, welches dann durch Hochdruckleitungen zur Düse geleitet wird.

Bild IV.5: Hochdruckpumpe [4]

Für das Styroporschneiden reicht ein Druck von 400 bar aus. Das heißt das 4 Liter pro Minute mit 800 m /s (2,5 fache Schallgeschwindigkeit) aus der Düse austreten und auf das Material wirken. Dies hat zur folge das auf den Arbeiter eine Hohe Lärmbelastung einwirkt. Durch die hohen Energien verformt sich das Material nicht und es entsteht ein glatter Schnitt. Nachdem der gebündelte Wasserstahl das Material zertrennt hat, wird das Wasser im Catcher aufgefangen. Dieser hat nicht nur die Aufgabe das Wasser zu speichern, sondern auch die noch verbliebene Energie im Wasserstrahl zu absorbieren.

Bild IV.6: Wasserstrahldüse [4]

Das Wasser muss vorher gereinigt und gegebenenfalls enthärtet werden um Ausfallzeiten der Pumpe zu vermeiden.

Der Druck kann eingestellt werden. Der Einstellbereich ist abhängig von dem Düsendurchmesser und der Düsenanzahl, so muss der Druck abgesenkt werden wenn die Düsenanzahl erhöht wird oder Düsen mit größerem Durchmesser verwendet werden. Der Vorschub beträgt beim Schneiden von Styropor bis zu 200m/min.

Natürlich hat dieses Verfahren auch seine Grenzen. Die maximale Schnitttiefe dieser Technologie beträgt 50 cm wenn ein sauberes Schnittbild erforderlich ist. Ist das verwendete Material dicker, so erhält man das folgende Schnittbild:

Bild IV.7: Stark vergrößerter Einstich des Wasserstrahls nach 56 cm [5]

Das Prinzip des Formteilautomaten besteht darin, das durch Energiezufuhr das Rohmaterial  expandiert und damit die Form vollständig ausfüllt.

Die Herstellung von Verpackungen mittels Formteilautomaten ist in folgende Verfahrensschritte gegliedert.

Bild IV.8: Verfahrensschritte bei der Formteilherstellung

Der angelieferte Rohstoff ist entweder vorgeschäumtes Material oder der treibmittelhaltige Rohstoff. Beim vorgeschäumten Material liegen die Vorteile darin, dass die Anschaffung eines Vorschäumers nicht notwendig ist, aber die Lagerung und der Transport ist kostenintensiver. Der vorgeschäumte Schaum nimmt sehr viel Volumen ein. Dies kann man umgehen, in dem man treibhaltiges Rohmaterial benutzt.

Der erste Schritt der Formteilfertigung ist das anfertigen der Form. Dies muss nicht in der Selbstfertigung erfolgen, da es Möglichkeiten gibt die Formen anfertigen zu lassen. Für diese, aus Aluminium bestehende Form, ist eine vorherige Konstruktion und Darstellung dieser unausweichlich.

Die Form muss im Formteilautomat befestigt werden. Dies kann entweder direkt in der Maschinenkammer geschehen oder mit einem Erhöhungsrahmen. Bei der ersten Variante ist die Grundkammer mit Dichtungen und Einpassflanschen versehen. Dann kann die Form in diesen Flanschen geschraubt oder gepratzt werden. Hier ist ein Wechsel der Rückwand der Haubenseite bei den unterschiedlichen Füll- und Auswurfpositionen notwendig. Weiter ist die Anpassung der Tiefe nicht möglich.

Wählt man die Variante des Erhöhungsrahmens so ist die Grundkammer auf der Haubenseite flacher ausgebildet. Der Ausgleich der Tiefe erfolgt mit einem Erhöhungsrahmen. Nimmt man den Ausgleich in der Teilung vor, so liegt die Haubenseite der Form auf dem Festtisch der Maschine. Dies hat zum Vorteil, dass eine leichte Montage möglich ist und keine Kippkräfte auf den Fahrtisch wirken. Aber der Maschinenhub und die Formtrennebene ändern sich mit der Veränderung des Erhöhungsrahmens. Somit wäre ein neues Einstellen der Parameter notwendig. Dieses Problem lässt sich mit einer vollautomatischen Steuerung beheben. Es gibt noch die Möglichkeit der Dampfkammervertiefung, aber es wird zu 95% der Ausgleich Teilung angewendet.

Nun wird der vorgeschäumte Rohstoff dosiert und in die Form eingepresst. Dies erfolgt mittels Pressluft und sollte Abrieb frei sein, da sich sonst feiner Staub bilden kann, welcher die Ventilöffnungen verklebt.

Zur Expansion des Materials ist die Zuführung von Energie erforderlich. Diese Energie wird durch Wasserdampf eingeführt. Er verdängt auch die Luft im Zwickelvolumen. Der Wasserdampf ist Sattdampf und damit ist der Vordruck auch sehr gering. Der Dampf muss über große Querschnitte und einem konstanten Druck zugeführt werden. Durch diese Energiezufuhr erfolgt die Expansion, das heißt die Perlen verschweißen ineinander und Füllen somit die gesamte Form aus.

Die Form muss stabilisiert werden, dazu wird ein Vakuum benötigt. Hier wird ein schneller Innendruckabbau durch die hohe Druckdifferenz gewährleistet. Zum Erzeugen des Vakuums benötigt man 25°C kaltes Wasser.

Weiter kann man die Stabilisierung durch die Verdampfung von 55°C - 65°C kalten  Kühlwasser erreichen.   

Nachdem die Form abgekühlt ist kann sie mittels Pressluft entformt werden. Hierfür gibt es sehr viele verschiedene Formauslegungen aber bei 90% aller Verpackungsteile, bei guter Konzeption der Handlingsysteme mit den Formen, sind keine Auswerfer notwendig.

Bild IV.9 :Formteilautomat  [6]

Das Messerschneiden kann in 2 Arten unterschieden werden, einmal in das horizontale und einmal in das vertikal Messerschneiden. Diese Möglichkeit des Konturenschneidens erfolgt in nur 2 Dimensionen. Hierbei übt das Messer eine Kraft auf das Werkstück aus und zertrennt es auf diese Weise. Der Schaumstoff kann bei diesem Verfahren nicht frei auf dem Arbeitstisch liegen, sondern muss in irgendeiner Form fixiert werden. Dies kann durch eine Form erfolgen. Obwohl Ähnlichkeiten mit dem Heißdrahtschneiden bestehen, ist dies ein rein physikalischer Prozess. Das oszillierende Messer ist ca. 2,7mm breit. Mit dem Messerschneiden, kann man Schneidlängen über 2m erreichen. Hierzu ist es nötig, dass das Messer mit einer bestimmten Kraft gespannt wird. Die CNC Maschinen müssen programmiert werden und die Steuerung erfolgt über eine SPS.  Die zu schneidende Kontur kann am Bildschirm nachvollzogen werden.

Berührt die Schneide den Schaumblock schneidet es diesen. Der Tisch kann dabei vor und zurückbewegt werden und das Messer hoch und runter. Dabei ist das Messer torsionsfrei und kann unbegrenzt gedreht werden. So ist das Schneiden mit dem Messer möglich.

Das Messer ist aus speziellem Stahl, dadurch ist es  seine gesamte Standzeit über auch ohne Schleifen scharf genug um die Schäume zu schneiden ohne das der Schnitt unsauber wird.

Bild IV.10: Horizontal Konturschneidmaschine mit Messer [7]