Hekuma schafft den Durchbruch beim Tiefzieh-IML

Hohe Hürden

Das 'In-mold-labeling' hat seine Serienreife sowohl beim Spritzgießen als auch beim Blasformen vor mehr als 20 Jahren erreicht und wird seither breit eingesetzt. Nicht jedoch in der Tiefziehproduktion. Hier galt es, vorher eine Reihe zusätzlicher technischer Hürden zu überwinden. Dies sind vor allem die höhere zu manipulierende Labelzahl pro Zyklus, bedingt durch die höheren Fachzahlen beim Tiefziehen, die gleichzeitig schlechtere Zugänglichkeit zum Formwerkzeug und die ebenso kurzen Zykluszeiten. Ein Großteil der damit verbundenen Entwicklungsarbeit wurde vom Automatisierungsspezialisten Hekuma geleistet. Bereits auf der K 2004 und der NPE 2006 konnte mit Anlagenbeispielen die Machbarkeit demonstriert werden. Doch trotz dieser vielbeachteten Erfolge konnte sich T-IML in der Folge nicht durchsetzen, einige Spezialprojekte ausgenommen. Nicht die Produktqualität ließ potentielle Anwender zögern, sondern die höhere Komplexität des Tiefziehprozesses und die notwendigen Zugeständnisse bei der Ausstoßleistung. Letztendlich bedurfte es für den Sprung in die Großserienproduktion von T-IML-Bechern weiterer fünf Jahre Detailentwicklung und eines 'launching customers'. Er wurde im amerikanischen Verpackungshersteller Tech II in Springfield / Ohio gefunden. Als Ergebnis dieser Zusammenarbeit wurde im Oktober 2011 die erste Großserien-Anlage auf dem amerikanischen Kontinent in Betrieb genommen. Produziert wird ein ovaler Lebensmittelbecher mit einem 14-Kavitäten-Werkzeug. Der Projektbericht gibt einen Einblick in die Technik und das Potenzial des Verfahrens, dessen nächste Evolutionsstufen bei HEKUMA bereits in der Realisierungsphase sind. Beim Spritzgießen von Behältern ist die Label-Applikation während des Formungsprozesses seit vielen Jahren Stand der Technik, nicht jedoch beim Tiefziehen, obwohl es das wirtschaftlichste Verfahren zur Großserienherstellung von Verpackungsbechern ist. Noch immer ist in der Tiefziehproduktion die Oberflächendekoration durch nachfolgendes Bedrucken oder Sleeven mit Schrumpffolien bzw. Kartonhüllen gängige Praxis. Gründe für diese Diskrepanz gibt es bei genauerer Analyse einige. An erster Stelle stehen die vergleichsweise hohen Fachzahlen, die dadurch aufwändige Automationstechnik und nicht zuletzt die, von der Zeitdauer des Einlegevorganges verursachten, Produktivitätseinbußen. Erschwerend kommt noch dazu, dass die Zugänglichkeit zum Tiefziehwerkzeug ungleich schlechter ist, als zu einem Spritzgießwerkzeug. Der Hauptgrund ist die Folienbahn, die durch den Werkzeugbereich geführt werden muss. Die Lösung dafür sind Tiefziehmaschinen mit einer Werkzeug-Kippeinheit. Sie kippen das Unterteil des Tiefziehwerkzeugs bei jedem Produktionszyklus aus der Schließeinheit, dem Handlinggerät mit den Labels entgegen. Während Kippform-Tiefziehmaschinen bereits Stand der Technik waren, mussten bei den Labels neue Qualitäten entwickelt werden. Denn die Oberflächentemperaturen von Tiefziehteilen liegen so deutlich unter denen von Spritzguss- oder Blasformteilen, dass die Kontaktschichten der Standardlabels nicht aufschmelzen und damit keinen sicheren Haftverbund mit dem Partnerteil eingehen können. Hier waren die Labelproduzenten gefordert.

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Mehr als gutes Aussehen

Tiefzieh-In-mould-labeling-Anlage Die Label-Manipulationseinheit war als eigenständiges Anlagenmodul konzipiert, welches mit jeder Kippform-Tiefziehanlage kombiniert werden konnte. (Fotos: Hekuma)

Nach Lösung der speziellen Aufgabenstellungen bietet das T-IML-Verfahren ein ganzes Bündel an Vorteilen. Grundsätzlich gilt, dass ein Verbundteil aus Kunststoff-Becher und Kunststoff-Label das Potenzial zu Verbesserungen der Produktqualität bietet. Ganz oben steht der Verstärkungseffekt durch das, in der Regel verwendete, Vollflächen-Label. Die Verstärkung ergibt sich aus dem Haftverbund mit dem Becher. Daraus abgeleitet, kann, bei Annahme gleicher Gesamtfestigkeit, die Wandstärke des Bechers reduziert werden, d.h. es kann eine entsprechend dünnere Ausgangsfolie verwendet werden. Mit der dünneren Folie reduziert sich nicht nur der Materialeinsatz generell, sondern gleichzeitig auch die Materialmenge des Stanzabfalls, der recycliert werden muss. Bei entsprechender Materialpaarung liefert das Label auch einen Beitrag zur Barriere-funktion des Bechers. Optimal ist diese gegeben, wenn als Ausgangsmaterial für den Becher eine Verbundfolie verwendet wird, z.B. mit einer EVOH-(Ethylen-Vinylalkohol-Copolymer) Barriere-Schicht. Vor allem im Vergleich mit dem Multilayer-Spritzguss, sind Tiefzieh-Barrierebecher konkurrenzlos einfach und mit gleichmäßig reproduzierbarer Qualität zu produzieren, ohne dass es dazu einer permanenten Prozessüberwachung für die Barriereschicht bedarf. Ein weiteres, für eine Reihe von Produktnischen ganz wesentliches Argument für das Tiefzieh-IML ist die Möglichkeit zur Dekoration von zusammenhängenden Verpackungs-einheiten, den so genannten Kombi-Packs. Deren Bechergruppen sind mit konventionellen Dekorationsmethoden, z.B. Bedrucken, nicht zugänglich. Eine Dekoration bliebe entweder nur auf die Deckelflächen oder auf nachträglich angebrachte Sleeves aus Karton- oder Kunststoff beschränkt, keine ökologisch und ökonomisch idealen Lösungen. Durch die Verwendung von In-Mold-Labels können alle Becher von Kombi-Packs einzeln dekoriert werden, auch mit unterschiedlichen Designs innerhalb der jeweiligen Bechergruppe. Auch für Becher mit ovalem oder eckigem Querschnitt, deren Dekoration durch Druckverfahren in jedem Fall höchst aufwändig ist, bietet Tiefzieh-In-Mold-Labeling eine wirtschaftlich interessante Alternative. Ein herausragender, genereller Vorteil des IML-Verfahrens ist die Leichtigkeit eines Dekorwechsels. Im Gegensatz zu nachfolgenden Druckoperationen muss keine Mehrfarben-Druckmaschine aufwändig umgerüstet werden. Ein einfacher Wechsel der Labelversion im Magazin genügt. Auch bei der Recyclingfreundlichkeit kann T-IML punkten. Label und Becher aus gleichen oder gut verträglichen Kunststoffmaterialien müssen zum Recycling nicht getrennt werden. Insgesamt wird die Prozesskette dadurch kürzer und kostengünstiger, ein nicht unwesentlicher Aspekt für die Großserienanwendung in der Konsumgüterproduktion.

Die Anlagentechnik

Die Anlagentechnik beim Tiefzieh-IML unterscheidet sich grundsätzlich von der beim Spritzgieß-IML. Sie wird beim Tiefziehen durch die, in der Regel deutlich höhere, Fachzahl bestimmt. Der Schritt in die Großserie wurde mit einer 14-Kavitäten-Produktionszelle für einen Lebensmittel-Ovalbecher realisiert. Deren Leistung liegt bei 12 bis 15 Arbeitstakten pro Minute oder 10.080 bis 12.600 Becher pro Stunde, eine Menge, die den Ausstoß üblicher Spritzgieß-IML-Produktionszellen um mindestens 50 Prozent übersteigt. Dennoch soll an dieser Stelle nicht verschwiegen werden, dass durch die Labelmanipulation nur rund 60 Prozent der theoretisch möglichen Tiefzieh-Anlagenleistung ohne Label erreichbar sind. Die nächsten Entwicklungsschritte in der Anlagentechnik werden diesbezüglich Verbesserungen bringen. Doch schon heute wiegen bei einer summarischen Betrachtung der Produktions- und Dekorationsprozesse die Qualitätsvorteile eventuelle Produktivitäts-nachteile mehr als auf. Die von Hekuma entwickelte T-IML-Automation ist ein eigenständiges System, das grundsätzlich mit jeder Tiefziehanlage kombiniert werden kann. Einzige Voraussetzung ist, dass die Tiefziehmaschine mit einer Werkzeug-Kippstation ausgerüstet ist. Die zentrale Komponente des Systems ist eine neu entwickelte und zum Patent angemeldete Handling-Einheit. Sie kombiniert den Linearvorschub und die notwendige Drehung der Label-Manipulationseinheit zu einer Simultanbewegung. Dies bringt bemerkenswerte Zeiteinsparungen gegenüber herkömmlichen Systemen. Im konkreten Projekt trägt die Manipulationseinheit 2 x 14 Greifer (je 14 Stück Vakuum-Sauger zur Becherentnahme, sowie zusätzlich 14 Labelhalter) Neben der Robotik besteht die Automationsanlage aus einem Labelmagazin und einer Label-Formungsstation. Das Labelmagazin ist doppelt ausgeführt, d.h. es sind zweimal 14 Labelstapel vorhanden. Dies ermöglicht ein Nachfüllen bzw. einen Versionswechsel ohne Anlagenstopp. Ein Manipulationsgerät entnimmt je 14 ebene Labels und übergibt sie in eine Formungsstation, wo sie die dreidimensionale Gestalt des Bechers erhalten. Von dort übernimmt das oben beschriebene Einlegehandling mit 14 Aufnahmen im Becherformat die geformten Labels und übergibt sie an das, aus der Schließeinheit der Tiefziehmaschine gekippte Unterteil der Tiefziehform. Nach dem Zurückschwenken der gekippten Werkzeughälfte in die Tiefziehmaschine werden die Becher aus der erwärmten Folie mittels Druckluft in die Kavitäten hineingeformt und anschließend gekühlt. Zur Entnahme wird das Formunterteil wieder aus der Maschinen-Schließeinheit heraus gekippt. Nach der Entnahme werden die nun fertigen Becher an die Stapeleinheit übergeben und dann weiter an die üblicherweise manuelle Verpackung in Kartons. Das Anlagenkonzept ist für die universelle Anwendung in einem weiten Größenbereich konzipiert und mit 2 x 7 Ovalbecher-Kavitäten nicht am Limit der Möglichkeiten angelangt. Bei Bedarf kann das System bei gleichen Grundabmessungen auf mehr Kavitäten erweitert werden. Versionen für kleinere Werkzeuggrößen und geringere Kavitätenzahlen sind ebenfalls problemlos möglich.

Erste Serienanwendung auf dem amerikanischen Kontinent

'Launching customer' und Projektpartner war der amerikanische Verpackungshersteller Tech II aus Springfield / Ohio. Er setzt das T-IML-System in Kombination mit einer Tiefziehanlage eines amerikanischen Herstellers ein. Das erklärte Ziel von Tech II ist es, mit dem verbesserten Produktangebot qualitativ und preislich überlegene Alternativen zu den, auf dem Markt befindlichen, bedruckten Tiefzieh- oder Spritzgießprodukten anzubieten. Mit der Inbetriebnahme der ersten Großanlage ist die Serientauglichkeit bewiesen und somit der Ausgangspunkt für die nächsten Evolutionsstufen. Dazu der Hekuma-Vertriebsleiter Klaus Wanner: "Mittlerweile ist eine weitere Großserienanlage bei uns in Auftrag, diesmal für die Rundbecherproduktion mit einem 21 Kavitäten-Werkzeug. Sie wird die nächste Entwicklungsstufe unserer Anlagentechnik darstellen. Dabei greifen wir verstärkt auf Standardkomponenten zurück, vor allem bei der Handlingtechnik. Ebenso werden die Label-Magazine und die Fertigteilstationen flexibel positionierbare Module sein. Zusätzlich wurde die Automationsanlage so konzipiert, dass bei Bedarf auch labellose Becher mit der vollen Anlagenleistung von 30 Takten pro Minute durchgeschleust werden können. Insgesamt lässt sich absehen, dass mit diesem nächsten Evolutionsschritt die Eintrittshürden in das Tiefzieh-In-Mold-Labeling bei Technik und Investitionsbedarf abermals kleiner sein werden." Reinhard Bauer/bw

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