Extrusion 3-2026

analytisch bestimmt. Aufgrund der Komplexität der strö- mungsmechanischen Zusammenhänge wird an dieser Stelle auf eine detaillierte Darstellung der analytischen Be- rechnung verzichtet. Die nach der analytischen Auslegung konstruierten Stempel werden additiv mittels eines FDM- 3D-Druckers vom Typ MK4 der Prusa Research a.s., Prag, Tschechische Republik, gefertigt. Anschließend erfolgt eine experimentelle Feinabstimmung der Kanalgeometrien. Hierzu wird die Ausströmgeschwindigkeit der Stützluft an den einzelnen Kanälen mithilfe eines Anemometers vom Typ TA300 der Trotec GmbH, Heinsberg, gemessen. Auf Basis dieser Messungen wird der flächenspezifische Mas- sestrom iterativ über eine Variation der Kanaldurchmesser angepasst, bis eine maximale Abweichung von weniger als 5 % zwischen den Funktionsbereichen erreicht wird. Bild 3 (rechts) zeigt exemplarisch die Entwicklungsschritte zur Be- stimmung der finalen Luftkanaldurchmesser und -positio- nen. Validierung des Stempelkonzepts in praktischen Thermoformversuchen Die experimentelle Validierung des Stempelkonzepts er- folgt auf einer Labor-Einstationen-Thermoformanlage vom Typ KD 20/25 der Kiefel GmbH, Freilassing, mit ausgela- gerter Heizstation. Als Halbzeugmaterial kommt eine 0,8 mm dicke Polystyrolfolie der W.u.H. Fernholz GmbH, Mein- erzhagen, zum Einsatz. Die Halbzeugtemperatur beträgt 120 °C. Pro Stempelausführung werden jeweils fünf Becher mit und ohne Stützluft unter konstanten Prozessparametern gefertigt. Die konstant gehaltenen Prozessparameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die Wanddickenverteilung der hergestellten Becher wird anschließend mit einem Dickenmessgerät vom Typ Magna Mike 8600 der Olympus Europa SE & Co. KG, Hamburg, er- mittelt. Die Messung erfolgt an 14 Messpunkten entlang eines rotati- onssymmetrischen Becherquer- schnitts (siehe Bild 4 , oben links). Zur Validierung eines vollständigen Luftpolsters, das einen direkten Kon- takt zwischen Halbzeug und Vor- streckstempel verhindert, werden die entwickelten Stempelgeometrien zu- sätzlich aus einemmetallischen Werk- stoff gefertigt. Die metallischen Vorstreckstempel werden mittels Powder Bed Fusion – Laser Based/ Metal (PBF-LB/M) gemäß DIN EN ISO/ASTM 52900 hergestellt. Auf- grund der höheren Wärmekapazität des metallischen Vorstreckstempels ist in der Theorie davon auszugehen, dass die Wanddickenbildung im Bo- denbereich stärker ausgeprägt ist. Zunächst wird untersucht, ob sich durch den Einsatz von Stützluft ein Luftpolster ausbilden kann, das den direkten Kontakt zwischen Stempel und Halbzeug verhindert. Hierzu werden die Wanddicken- verteilung der hergestellten Becher ohne Stützluft für zwei unterschiedliche Stempelmaterialien miteinander vergli- chen (siehe Bild 4 , oben rechts). Die Ergebnisse zeigen, dass sich bei konventioneller Stempelverstreckung ohne Luftpolster unterschiedliche Wanddickenverteilung für Kunststoff- und Metallstempel ergeben. Entgegen der theoretischen Erwartung führt der Metallstempel jedoch nicht zu einer stärkeren Materialanhäufung im Bodenbe- reich. Eine plausible Erklärung hierfür liegt in der höheren Oberflächenrauheit der additiv gefertigten Kunststoff- stempel, die den Materialfluss lokal behindert und dadurch erhöhte Wanddicken begünstigt. Zusätzlich ist an Mess- punkt 8 eine lokale Materialanhäufung erkennbar, die eine Schreckmarke kennzeichnet und infolge eines frühzeitigen Wärmeaustauschs durch die Halbzeug-Stempel-Interak- tion entsteht. Damit ist bewiesen, dass sich bei Ausbildung eines vollständigen Luftpolsters die Wanddickenverteilung beider Stempelmaterialien angleichen müssen, sofern der direkte Kontakt vollständig unterbunden wird. Bei einer Zuschaltung des Stützluftdrucks von 0,5 bar tre- ten weiterhin Unterschiede in den Wanddickenverteilung auf, was darauf hinweist, dass unter diesen Bedingungen kein vollständiges Luftpolster aufgebaut wird (siehe Bild 4 , Extrusion 3/2026 27 Bild: 4 Messpunkte am Formteil zur Bestimmung der Wanddickenverteilung und Einfluss des Stempelmaterials und der Stützlufthöhe auf die Dickenverläufe des Becherformteils Messpunkte am Becherformteil Stempel (0|0|0) 0 bar Stempel (1|1|1) 1 bar Stempel (0|0|1) 0,5 bar Symmetrie- achse Wanddicke [mm] Wanddicke [mm] Wanddicke [mm] Schreckmarke Messpunkt Messpunkt Messpunkt Becher- wand Metall Kunststoff Metall Kunststoff Metall Kunststoff Becher- boden 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314 14 13 12 11 10 9 8 7 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 Konstante Parameter Stempelverstreckweg Verstreckgeschwindigkeit Formdruck Haltedauer des Formdrucks Stempeltemperatur Einheit [mm] [mm/s] [bar] [s] [°C] Wert 37,8 275 5 3 35 Tabelle 1