Vakuumformen: Was ist das und wie funktioniert es?

Vakuumformen ist ein Thermoformverfahren, das Vorteile wie niedrige Fertigungskosten, reduzierte Werkzeugkosten und hohe Effizienz bei der Herstellung hochwertiger Teile bietet. Von kleineren Teilen wie pharmazeutischen Blisterpackungen bis hin zu größeren Autoteilen wird Vakuumformen in vielen Branchen eingesetzt.

Doch mehrere Feinheiten umgeben den Prozess, was ein Verständnis vor der Auswahl erforderlich macht. Dieser Artikel erklärt den Prozess, kompatible Materialien und Maschinen sowie Anwendungen.

Vakuumformen ist ein Kunststofffertigungsverfahren, bei dem eine Maschine einen Kunststoffpolymer erhitzt, bis er formbar ist, bevor er über ein Werkzeug gezogen wird. Es ist ein wichtiger Prozess in der Kleinserienproduktion von Kunststoffteilen.

Der Prozess ist kompatibel mit Thermoplasten und Duroplasten trotz ihrer Unterschiede. Daher sollte die Verwendung erst nach ordnungsgemäßem Verständnis ihrer Eigenschaften erfolgen. Dennoch bevorzugen die meisten Hersteller Thermoplaste aufgrund ihrer Recyclingfähigkeit.

Wie funktioniert Vakuumformen?

Vakuumformen ist ein unkomplizierter Fertigungsprozess, der fünf Hauptschritte umfasst:

Schritt 1: Erstellen der Vakuumform-Werkzeugform

Hersteller verwenden Gussaluminium, Holz, Struktur-Schaum oder 3D-gedruckte Kunststoffe, um eine Vakuumform-Werkzeugform herzustellen. Jedes Material hat seine spezifischen Vor- und Nachteile. Beispielsweise sind 3D-gedruckte Kunststoffe leichter herzustellen und erlauben komplexere Designs im Werkzeug. Andererseits kann Aluminium die richtige Wahl sein, wenn Festigkeit entscheidend ist.

Meistens haben die Werkzeugformen tausende Entlüftungsbohrungen. Diese dienen als Durchlass für eingeschlossene Luft während des Formens, um Lufteinschlüsse zu verhindern. Zudem muss das Werkzeug Wärme leiten können, um die Abkühlzeit des Endprodukts zu verringern. Wie beim Vakuumguss mit Polyurethan ist es wichtig, das Werkzeug vor Beginn des Vakuumformprozesses vorzuheizen.

Schritt 2: Spannprozess

Nach Platzieren des Werkzeugs in der Maschine wird der Kunststoffbogen korrekt auf der Maschine positioniert. Die Spannvorrichtung muss stark genug sein, um den Kunststoff während des gesamten Formprozesses zu halten; ihre Stärke hängt von der Maschine ab. Die meisten Spannvorrichtungen können Materialien mit Dicken von 6–10 mm halten.

Schritt 3: Heizprozess

Dabei wird ein Heizer verwendet, um den Kunststoffbogen unter die Glasübergangstemperatur zu schmelzen. Der Heizer verfügt über eine Strahlungsquelle für seine Funktion, und die Heizzeit hängt vom verwendeten Kunststofftyp ab.

Hinweis: Es ist wichtig, die Wärme gleichmäßig über den gesamten Kunststoffbogen zu verteilen.

Schritt 4: Vakuumprozess

Nach Dehnen des erhitzten Kunststoffbogens mit Druckluft wird Vakuum angewendet, um ihn über die Werkzeugoberfläche zu ziehen und zu verteilen. Das Vakuum entfernt eingeschlossene Luft, während der Kunststoffbogen die Form des Werkzeugs annimmt.

Es ist notwendig, dass das Teil ausreichend abkühlt, da unzureichende Kühlung zur Verformung des Endteils führen kann.

Schritt 5: Trimmen und Finishen

Trimmen bedeutet, überschüssiges Kunststoffmaterial abzuschneiden. Je nach Größe und Textur kann mit Handmesser oder Bandsäge getrimmt werden. Darüber hinaus können Vakuumformprodukte zusätzliche Bohrungen oder andere Designs benötigen, um vollständig zu sein.

Dafür setzen Hersteller Bohren, Rollschneiden, CNC-Bearbeitung und mehr ein, um präzise und genaue Bohrungen und Features zu erstellen. Auch können Sie die Teilequalität und -optik durch Nachbearbeitungsprozesse wie Vakuummetallisierung verbessern.

Arten von Vakuumformmaschinen

Jede im Fertigungsprozess verwendete Maschine hat ihre einzigartigen Qualitäten und Features. Daher sollten Sie die verschiedenen verfügbaren Maschinen verstehen. Nachfolgend die Haupttypen.

Industrielle Vakuumformmaschine

Dieser Maschinentyp beansprucht viel Platz und eignet sich am besten für die kommerzielle Fertigung. Er kann Teile mit komplexen Formen und Designs produzieren. Ein wichtiges Merkmal dieser Maschinenklasse ist, dass Designer die aktuellen Parameter ohne Unterbrechung des Produktionszyklus anpassen können.

Mittelgroße Vakuumformmaschine

Hersteller nutzen Maschinen dieser Klasse für die Fertigung kleiner bis mittelgroßer Kunststoffteile für Prototyping und Kleinserienproduktion. Mit mittelgroßen Vakuumformmaschinen hat man mehr Autonomie über den Prozess wegen der halbautomatischen Funktion.

Tisch-Vakuumformmaschine

Diese Maschinenklasse ist tragbar, einfach zu bedienen und für persönliche Formanwendungen konzipiert. Tisch-Vakuumformmaschinen eignen sich am besten für Materialien mit Dicken nicht über 6 mm.

DIY-Vakuumformmaschine

Dies ist ein perfektes Bildungswerkzeug für Kinder und Jugendliche. Sie wird manuell bedient und kann nur für Teile mit einfachen Features genutzt werden.

Materialien für Vakuumformen

Es gibt mehrere Materialien, die mit dem Fertigungsprozess kompatibel sind. Jedes hat einzigartige Eigenschaften, z. B. hat Polycarbonat hohe Zugfestigkeit, was es für Strukturteile anwendbar macht. Gängige Materialien für den Prozess sind:

• Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)
• Polycarbonat (PC)
• Polypropylen (PP)
• Polyvinylidenfluorid (PVDF)
• Polyethylenterephthalat-Glycol (PETG)
• Polyvinylchlorid (PVC)
• Hochschlagfestes Polystyrol (HIPS)
• Acryl (PMMA)
• Hochdichtes Polyethylen (HDPE)

Vorteile des Vakuumformens

Hersteller nutzen Vakuumformen wegen der folgenden Vorteile.

1. Kosteneffizient

Vakuumformen ist die günstigste Kunststoffverarbeitungsmethode für Kleinserienproduktion. Dies ist auf die niedrigen Kosten für Prototyping und Werkzeugerstellung zurückzuführen. Werkzeugkosten sind niedrig, weil Hersteller sie aus erschwinglichen, leicht zugänglichen Materialien fertigen. Auch bei ähnlichen Teilen kann das Werkzeug wiederverwendet werden.

2. Durchlaufzeit

Verglichen mit konventionellen Verarbeitungsmethoden ist die Zeit für die Werkzeugerstellung kurz, und noch kürzer, wenn Werkzeuge 3D-gedruckt sind. Mit Vakuumformen ist die Zeit zwischen Design-for-Manufacturing und tatsächlicher Produktion kurz. Dies erhöht Produktionseffizienz und verkürzt die Time-to-Market.

3. Designflexibilität und Vielseitigkeit

Zwar produziert ein Werkzeug Teile mit demselben Design, Designer können diese Werkzeuge jedoch an ihre Bedürfnisse anpassen. Dies fördert Kreativität, da man mit neuen Ideen experimentieren und Prototypen ohne signifikante Kosten oder Verzögerungen erstellen kann. Darüber hinaus bietet Vakuumformen mehr Farboptionen und Anpassung. Damit können Hersteller einzigartige Designs und personalisierte Teile zu fairen Preisen erstellen.

4. Genauigkeit und Präzision

Kunststoff-Vakuumformen ist ein präziser Fertigungsprozess. Das Endteil nimmt die exakte Form des Werkzeugs an, was zu Konsistenz in Form und Größe von Charge zu Charge bei Verwendung desselben Werkzeugs führt. Genauigkeit und Präzision sind entscheidend für Komponenten, die in ein anderes Teil passen müssen. Daher ist es in der Teilemontage anwendbar.

5. Kompatibilität

Vakuumformen ist mit den meisten Kunststoffmaterialien kompatibel. Beispielsweise können Hersteller sowohl transparente als auch transluzente Teile herstellen, die in Lebensmittelverpackungen anwendbar sind. Gängige kompatible Materialien sind Polycarbonat, Propylen und hochdichtes Polyethylen.

6. Umweltfreundlich

Der Vakuumformprozess schadet der Umwelt nicht, da er wenig bis keinen Abfall produziert. Auch kann man überschüssiges Kunststoffmaterial leicht recyceln und für zukünftige Produktion nutzen.

Nachteile des Vakuumformens

Vakuumformen hat einige Einschränkungen, obwohl es viele Vorteile bietet. Dazu gehören:

Einfachheit

Zwar können Sie maßgeschneiderte Teile erstellen, ein Werkzeug produziert jedoch nur so viel Detail, und Vakuumformen kann für Teile mit hohem Detaillierungsgrad nicht effektiv sein. Daher muss die Form einfach sein, und die Designs müssen unkompliziert sein.

Nicht geeignet für Großserienproduktion

Der Vakuumformprozess beinhaltet die Produktion eines Teils nach dem anderen, was ihn für Kleinserienproduktion geeignet macht. Er kann jedoch zeitaufwendig für Großserienproduktion sein.

Verzugsrisiko

Vakuumformen eignet sich für Kunststoffe mit dünnen Wänden. Dickere Wände erhöhen das Risiko von Kunststoffverzug. Um dies zu vermeiden, muss man den Kunststoffbogen dehnen, um die Wanddicke zu reduzieren.

Kontinuierlicher Fehler

Der Vorteil der Wiederverwendung eines Vakuumformwerkzeugs zur Kosteneinsparung kann eine Limitation sein, da jede Beschädigung des Werkzeugs signifikante Schäden am Endprodukt zur Folge hat, was zu Produktrückrufen und Verlusten führen kann.

Anwendungen des Vakuumformens

Der Vakuumformprozess wird zur Herstellung vieler Produkte in verschiedenen Branchen eingesetzt. Einige gängige Anwendungen sind:

Automobil und Transport

Kunststoff-Vakuumformen ist eine kostengünstige Methode zur Produktion von Autoteilen, da es detaillierte Designs auf Teilen ermöglicht und mit kleinen und großen Autoteilen kompatibel ist. Daneben wird das Kunststoffmaterial zu einem sehr dünnen Bogen gestreckt, was das Teilgewicht reduziert und die Kraftstoffeffizienz erhöht.

Autoteilehersteller nutzen Vakuumformen für Fensterrohlinge, Stoßfänger, Tabletts, Innenverkleidungen, Reserveradabdeckungen und vieles mehr.

Lebensmittelverpackung

Vakuumformen ist in der Lebensmittelverpackungsindustrie anwendbar, da es lebensmittelechte Kunststoffe leicht formen kann. Da diese Kunststoffgüte, wie Polycarbonat, leicht sterilisierbar ist, Verunreinigungen verhindert, Lebensmittelschäden reduziert und Frische bewahrt.

Konsumgüter

Es gibt eine endlose Liste von Vakuumformprodukten, die in Konsumgütern verwendet werden. Dies liegt daran, dass Vakuumformen ideal für Teile ist, die leicht, langlebig und ästhetisch ansprechend sein müssen. Beispiele sind Kinderspielzeug, Bade- und Duschtabletts, Aufbewahrungsboxen und vieles mehr.

Sonderteile und Spezialeffekte

Hersteller in vielen Branchen nutzen Vakuumformen, um einzigartige Teile anzupassen, was wichtig für das Hinzufügen von Designs und Eigenschaften für Spezialeffekte ist. Mit Vakuumformen können komplexe Logos und Symbole auf einem Teil angebracht werden.

Unterschiede zwischen Vakuumformen, Thermoformen und Druckformen

Thermoformen ist der Oberbegriff, der die Herstellung eines 3D-Teils aus einem Kunststoffbogen beschreibt. Vakuumformen und Druckformen sind die zwei Haupttypen des Thermoformens. Der Unterschied liegt im Formprinzip, den Typen und der Anzahl der verwendeten Werkzeuge.

Prinzip

Druckformen nutzt Druckluft, um den erhitzten Kunststoffbogen in ein Werkzeug zu drücken, bevor das andere auf den geformten Kunststoff gelegt wird. Vakuumformen hingegen nutzt Vakuumdruck, um den warmen Kunststoff über oder in das Werkzeug zu ziehen.

Typen und Anzahl der Werkzeuge

Es gibt zwei Werkzeugtypen: männlich (konvex) und weiblich (konkav) im Thermoformen. Bei Verwendung eines männlichen Werkzeugs wird der Kunststoffbogen darüber gelegt, um in das Teil zu passen. Bei Verwendung eines weiblichen Werkzeugs passt es um den Thermoplastbogen und formt seine äußeren Dimensionen präzise.

Generell kann man im Vakuumformen, das ein einzelnes Werkzeug und Vakuumdruck nutzt, männliche oder weibliche Werkzeuge verwenden.

Druckformen funktioniert anders. Statt um ein Werkzeug zu saugen, wird ein erhitzter Kunststoffbogen zwischen zwei Werkzeuge gepresst. Dies ist nützlich für Kunststoffteile, die auf beiden Seiten präzise geformt sein müssen oder wenn ein tiefer Zug erforderlich ist.

Fazit

Vakuumformen ist die einfachste Methode, um wiederholbare Kunststoffteile wirtschaftlich herzustellen. Es nutzt Vakuumdruck und Wärme für seinen Betrieb. Hersteller kombinieren Vakuumformen oft mit anderen Fertigungsprozessen, um Funktionalität und Ästhetik zu verbessern.

Es gibt mehrere Aspekte des Vakuumformens, die den Erfolg der Operation bestimmen. Beispielsweise die Wahl des besten Werkzeugs und Materials. Daher hat dieser Artikel Aspekte des Vakuumformens diskutiert. Bei WayKen können unsere Ingenieure und Designer Ihre Kleinserienteil-Produktionsbedürfnisse vom Prototyping bis zum Vollserienlauf bedienen.

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FAQs

Wann ist Vakuumformen nicht die richtige Wahl?

Obwohl Vakuumformen viele Vorteile bietet, ist dieser Prozess möglicherweise nicht optimal, wenn die zu produzierenden Teile sehr komplexe Designs und Features haben, das beabsichtigte Produkt in Großserie gefertigt wird, die Time-to-Market kurz ist. In solchen Situationen sollten andere geeignete Alternativen in Betracht gezogen werden.

Was kann beim Vakuumformen schiefgehen?

Wie bei anderen Fertigungsprozessen ist es wichtig, Vorsichtsmaßnahmen beim Formen von Teilen zu treffen. Fehler wie Verzug und ungleichmäßige Wanddicke des Endteils können auftreten. Diese Mängel können die Funktionalität des Teils beeinträchtigen. Daher sollte man sie durch Anpassung des Luftdrucks und anderer Parameter vermeiden.

Sind Vakuumguss und Vakuumformen dasselbe?

Obwohl das Prinzip für beide ähnlich sein mag, gibt es einen Unterschied. Beim Vakuumguss ist das Ausgangsmaterial ein flüssiges Harz, während es beim Vakuumformen ein fester Kunststoffbogen ist.