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Hallo Branchen-Neulinge!

Herzlich Willkommen in unserem Nachschlagewerk rund um das Thema Blasformen. Hier greifen wir regelmäßig Begriffe rund um die Verfahrenstechniken, Bauteile und die Produkte des Hohlkörperblasformens auf und erklären diese anhand von kleinen Texten und Abbildungen sehr anschaulich und fachbezogen.

Denn verstehen kann man sich nur, wenn man die gleiche Sprache spricht.

Ihr W.MÜLLER-Team

Herzkurvenverteiler

In der Disziplin „Mehrschicht-Schläuche produzieren“ schlagen sich sogenannte Herzkurven-Pinolen besser als Stegdorn-Torpedos. Hinter den hightech-Düsen mit dem romantischen Namen stecken mehr oder weniger stark konisch aufgebaute, hohle Stahlzylinder mit einem ganz speziellen Kick: Davor wird der plastifizierte Kunststoff aus dem Extruder zwar auch auf zwei (oder mehr) Teilströme aufgeteilt. Allerdings werden diese dann, anders als bei der Stegdorn-Düse, durch zwei Bohrungen gedrückt, die auf der Außenseite der Düse austreten. Hier werden die Polymerströme über zwei herzförmig angelegte Leitungen ineinander geführt, bevor das frisch durchmischte Material über die Außenwand des Bauteils geleitet wird und dort endlich zum ersehnten Schlauch zusammenfließt. Stellt man die Düse auf den Kopf, sehen diese Wiedervereinigungs-Leitungen aus wie Kleiderbügel, weshalb Manche diese Ausführung auch etwas profaner, nun ja:"Kleiderbügel-Verteiler“ nennen.

Der Clou ist, dass die aufgespaltenen Kunststoff-Ströme durch das clevere Strömungsdesign via Herzkurve schon recht gut ineinander geführt werden: Sie fließen nicht nebeneinander her, sondern praktisch aufeinander zu – und können gar nicht anders, als sich dabei zu durchdringen und zu vermischen. Nebeneffekt: Wer mag, kann mehrere dieser Herzkurven-Pinolen ineinander stecken, was eben die Produktion mehrschichtiger Schläuche bzw. Behälter ermöglicht. Und die Herstellung dieser Düsen ist auch nicht ganz so kompliziert wie die der „Blasform-Torpedos“ Marke Stegdorn. Zwar müssen auch hier diverse Bohrungen sein – und ohne erhebliches Knowhow bei der Detailgestaltung der Leitungen geht auch nichts.

Dafür hat diese Konstruktion den Nachteil, dass man, je nach Material, ab und an eben doch noch Bindenähte im Schlauch findet. Für die meisten Anwendungen reicht die Festigkeit allerdings locker aus.

Schlauchkopf

Beim Extrusionsblasformen wird ein Schlauch aus einem Polymerwerkstoff in einer Hohlform mit Druckluft aufgeblasen, wobei er sich an die Innenwände dieses Werkzeugs anschmiegt. Anschließend ablängen, eventuell Grate entfernen, bedrucken – und fertig sind Shampooflasche, Pillendöschen, Kanister & Co. – so weit, so gut.

Aber wie wird dieser Schlauch eigentlich erzeugt, an dem letztlich alles hängt? Das ist die Aufgabe des Schlauchkopfs – und die ist, wie so oft in der Kunststoff-Verarbeitung, verblüffend anspruchsvoll. Von massiv zu hohl: Das geht nur, indem man einen Polymerstrang auftrennt und wieder zusammenfügt, ohne dass dabei „Sollbruchstellen“ entstehen. Und das alles noch möglichst fix, damit auch hohe Losgrößen schnell produziert sind. Tatsächlich kennt die Blasformtechnik eine ganze Reihe von Konzepten, mit denen sich diese knifflige Aufgabe gut meistern lässt. In unserem Blasform-ABC stellen wir eine Reihe davon vor: Stegdornhalter, Herzkurven- oder Kleiderbügel, Wendel- oder Ringverteiler.
Samt ihrer technischen Vor- und Nachteile.

Ein langes Loch mit etwas Drumherum
Schläuche herstellen – das soll schwierig sein? Eigentlich ist ein Schlauch doch nur ein langes Loch mit etwas drumherum. Eine simple Sache, so etwas herzustellen. Schließlich kann man in jedem Baumarkt kilometerweise Schläuche aller Art von der Wand nehmen. Keine Rocket-Science. Oder?

Nun: Im Prinzip schon. Nur: Wie immer kommt es auch hier auf das „Gewusst wie“ an. Denn wenn man auch nur ein wenig über das Problem nachdenkt, entpuppt sich das Herstellen des langen Lochs mit dem „Drumherum“, also den Schlauchwänden, als verblüffend knifflige Aufgabe.

Das zeigt ein einfaches Experiment, für das man kaum mehr braucht als Mehl, Wasser und ein paar Eier. Wie bekommt man ein längliches Loch in eine, sagen wir: fingerdicke Teigrolle? Ganz einfach: Man könnte zum Beispiel einen spitzen Bleistift hindurch stecken. Wieder herausziehen, fertig. Der Haken: Was so verblüffend simpel klingt, wird im Nu zu einem Problem, wenn man sich keine Teigwurst, sondern einen endlos langen Teigstrang vorstellt, wie er beim Blasformen aus dem Extruder kommt. Unendlich lange Bleistifte gibt es schließlich nicht. Und selbst wenn irgendwann jemand einen erfindet und den Teig fröhlich drüber leitet: Irgendwann müsste man den Schlauch ja doch aufschneiden, um ihn von dem Bleistift abzunehmen. Sonst könnte man ihn nicht verwenden.

Gut: wenn die Sache mit dem endlosen Stift nicht klappt, greift man eben zu einem kürzeren. Aber auch der muss irgendwo befestigt werden, damit die Material-Wurst zur Lochherstellung drüber gleiten kann. Am einfachsten greift man dann zu möglichst schmalen Halterungen, die man an dem Torpedo montiert wie Schwimmflossen an einem Hai. An diesen muss der Teig dann vorbei – wobei er der Länge nach zerteilt wird.

Und spätestens damit sind wir mitten im Thema. Denn egal um welches Material es sich handelt, egal ob Teig oder Kunststoff: Um aus einem massiven, frisch extrudierten Strang einen Schlauch zu machen, muss man ihn irgendwann aufschneiden und später wieder zusammenfügen. Anders geht es nicht. Man kann es drehen und wenden, wie man will: Darum kommt man nicht herum.

Genauso ist das beim Extrusionsblasformen. Irgendwo muss der Polymerstrang aus dem Extruder geteilt und wieder zusammengefügt werden, damit daraus am Ende ein Schlauch entstehen kann.

Nicht die Trennung, sondern die Wiedervereinigung ist das Problem
OK: Eigentlich sollte das kein Problem sein, sofern man die Schnittflächen anschließend wieder fest miteinander verbindet, so dass der frische Schlauch am Ende wieder nahtlos feste Wände hat. Die Sache ist nur die: Kunststoffe nehmen es unter Umständen übel, wenn sie zerteilt und wieder zusammengefügt werden. Die meisten sind im plastifizierten Zustand zwar beweglich, aber lange nicht so flüssig wie Wasser, nicht mal wie Honig. Im ungünstigsten Fall fließen die Kunststoff-Schnittflächen nach der Trennung aneinander entlang, ohne sich wieder zu verbinden. Genau das gilt es durch clevere Technik zu verhindern: Wenn man hier nicht aufpasst, holt man sich mit minderwertigen Schlauchköpfen schnell Sollbruchstellen ins Haus. Der Experte spricht von „Bindenähten“.

Wie im richtigen Leben ist im Blasformen also nicht die Trennung, sondern die Wiedervereinigung danach das eigentliche Problem. Wie im Operationssaal: Auch hier ist der Schnitt schnell gesetzt – aber die Naht braucht Tage, bis sie verheilt ist.

Anders ausgedrückt: Schlauchköpfe müssen ausgesprochene Experten darin sein, zwei oder mehr Polymerströme zu einem Schlauch zu verbinden.

Zum Glück haben findige Ingenieure in den vergangenen Jahrzehnten eine ganze Reihe sehr brauchbarer Lösungen für das Problem gefunden. Dabei machen sie sich einen Effekt zu Nutze, den man auch bei Felsen beobachten kann, die inmitten eines schnell schließenden Bachs liegen: Sie zerteilen den Strom zwar – aber kurz dahinter fließt das Wasser eben wieder zusammen. Und zwar, abhängig von bestimmten Parametern wie etwa der Strömungsgeschwindigkeit, nicht ohne dabei einen ziemlichen Wirbel zu verursachen. Aber Wirbel sind gut! Wirbel bedeuten: Durchmischung. Und bei Kunststoffen bedeutet eine gute Durchmischung: Bindenähte Ade!

Um diesen Effekt optimal zu nutzen, gibt es die verschiedensten Arten von Verteilern. Hierzu gehören Stegdornhalter, Herzkurven-, Wendel- oder Ringverteiler.

Düsen sind noch lange nicht alles
Aber die Konstruktion einzelner Düsen, ob mit Herzkurven-, Wendel- oder Ringverteiler, ist nur der Anfang – selbst diese hightech-Komponenten sind ja letztlich nur ein Teil des Schlauchkopfes. Die Herausforderungen für das Entwicklerteam potenzieren sich, wenn in der Produktion mehrschichtiger Schläuche drei, vier, fünf, sechs, in manchen Fällen sogar bis zu sieben Kunststofflagen übereinander gelegt werden müssen, jeweils mit unterschiedlichen Wandstärken, die obendrein jeweils gerade einmal Millimeterbruchteile dick sein dürfen: Dickenschwankungen sind absolutes No-Go, denn bei Stückzahlen im Millionenbereich addieren sich selbst Grammbruchteile zu viel ausgetragenen Kunststoffs schnell zu Tonnenbeträgen auf. Und das Gegenteil, nämlich zu dünne Schichten, will auch niemand – die würden zum Beispiel die wichtige Barrierewirkung des Mehrschichtaufbaus zunichte machen oder die Haftung verschiedener Lagen aneinander gefährden: Gleichmäßige Wanddicken sind das A&O und ein Qualitätsmerkmal der Branche.

Und selbst das durchdachte Düsen-Stapeln für Mehrschicht-Schläuche ist nichts im Vergleich zur Königsdisziplin der Schlauchkopfentwicklung: Der Konstruktion sogenannter Mehrfachköpfe, in denen auch schon mal zwölf Düsen „feuern“ müssen – und zwar exakt bis auf die hundertstel Sekunde gleichzeitig. Hoher Durchsatz? Kein Problem! Aber nicht mit einem Schlauchkopf von der Stange.

Auch die Kunststoffe spielen eine Rolle für die Auslegung
Der Schlauchkopf muss also außerordentlich gut auf seine Umgebung abgestimmt sein: Selbst die schönsten Schlauchköpfe arbeiten niemals im „luftleeren Raum“. Das zeigt sich auch im Zusammenspiel mit den beteiligten Kunststoffen. So wie Sportwagen auf Autobahnen und SUVs auf Schotterpisten zugeschnitten sind, sollte der Schlauchkopf-Konstrukteur nicht nur seine Maschinenbau-Skills, sondern immer auch den Polymerwerkstoff im Auge haben, bevor er sich an den CAD-Bildschirm setzt. Es gibt zum Beispiel Pigmente, die Standard-Stahl mit der Zeit runterschmirgeln wie Holz – hier braucht‘s dann eine speziell gehärtete Oberfläche, wenn der Kopf eine gute Weile halten soll.

Andere Kunststoffe reagieren paradox auf Änderungen der Anlagenparameter: störrisch bei niedrigen Drücken und bei höheren auf einmal fließfähig wie Honig – Prinzip Ketchupflasche. Selbst die Schläuche: alles Individualisten. Manche sind von Haus aus eher steif, andere werfen Falten wie ein barocker Vorhang. Und fast alle Kunststoffe neigen darüber hinaus zum Schwellen – was bedeutet, dass sie sich ein wenig ausdehnen, sobald der Druck, der im Innern des Schlauchkopfes herrscht, wegfällt. Profis wissen: Jeder Kopf, jeder Kunststoff hat ein anderes Schwellverhalten. Wichtig, wenn man dem Anwender exakt eingemessene Wandstärken versprochen hat.

Wer Blasformartikel produziert, bewegt sich immer in materialtechnischen Grenzbereichen, für die man einen richtig guten Scout braucht. Und dass man für blasgeformte Augentropfen-Fläschchen eine andere Lösung braucht als für Kubikmeter-große Polyethylen-Tanks: auch klar.

Aus diesen Gründen gibt es niemals DEN Schlauchkopf für alle Eventualitäten, der immer passt. Auch nicht DEN universellen Speicherkopf, DEN Dreischicht-Kopf, DEN idealen „Lebensmittelverpackungs“-Kopf.

Sondern immer „nur“ Spezialisten, die von kundigen Ingenieuren optimal auf ihre jeweilige Aufgabe, den gewünschten Durchsatz und die verwendeten Werkstoffe zugeschnitten sind. Bevor also das erste Produkt in Serie geht: Besser früh auf Beratung setzen.

 

Stegdornhalter

Das ganze Geheimnis der meisten Schlauchköpfe ist: Den Polymerstrom aus dem Extruder möglichst schonend auftrennen und bei der erneuten Zusammenführung dahinter für ordentlich Wirbel sorgen, um das Material bestmöglich wieder zu verbinden. Das einfachste Mittel, einen Polymerstrang in einen Schlauch zu verwandeln, ist daher ein sogenannter Stegdornhalter. In Schlauchköpfen, die diese Technik nutzen, montiert man einfach einen möglichst strömungsgünstig gestalteten Dorn mitten in die Kunststoff-„Wurst“, die gerade aus dem Extruder gedrückt wird.

Idealerweise hat dieser Dorn die Gestalt eines Torpedos – das ist nichts Neues. Die eigentliche Herausforderung liegt in der Gestaltung der Stege, die diesen Torpedo fest im Kunststoffstrom halten. Diese müssen extrem smart gestaltet werden, denn sie sind es, die den extrudierten Polymerstrang in mehrere Streifen aufteilen, die sich hinter dem Dorn tunlichst wieder vereinigen müssen. Damit der aus dem Schlauch geblasene Behälter nicht am Ende aus locker aneinander liegenden Teilen besteht, die beim ersten Befüllen auseinander brechen. Sondern aus einer möglichst einheitlichen, hübsch homogenen Wand, die auch was aushält.

Allerdings haben die an sich segensreichen Wiedervereinigungs-Wirbel auch einen Nachteil: Sie schlucken Energie, was bedeutet, dass es gehörige Kraft braucht, den Kunststoff an so einem Stegdorn vorbei zu drücken. Die Gestaltung dieser Halterungen ist also ein Job für Leute, die auf Du sind mit den komplexesten Lehrbüchern der Strömungsphysik oder über die Jahre ein gutes Bauchgefühl entwickelt haben: Hier steckt das Knowhow!

Die Sache mit der Stützluft

Als wäre das noch nicht Aufgabe genug, muss so ein Stegdorn-Torpedo allerdings noch eine wichtige Aufgabe erfüllen: Damit der frisch geformte Schlauch mit seinen dünnen Wänden nicht gleich wieder in sich zusammenfällt, pustet man über den Dorn sogenannte Stützluft hinein. Und das ist nur über Bohrungen zu machen, die man, solange das Beamen noch nicht erfunden ist, irgendwie durch die schmalen Stege führen muss.  Und zwar nach allen Regeln der Kunst, sonst reißt der Torpedo irgendwann mitten in der Produktion auf – und die Anlage steht im Extremfall über Tage still: Alptraum für jeden Blasformer!

Schon dies macht klar, warum Blasformköpfe Made in Germany, oder noch besser: bei W. MÜLLER in der Welt so einen guten Ruf haben: Die Erfahrung, die in modernen Stegdornköpfen steckt, fällt eben nicht vom Himmel. Und natürlich sind derart „highendige“ Köpfe nicht eben billig: Der Aufwand, der in ihrer Fertigung steckt, muss schließlich bezahlt werden.

Noch gravierender ist aber vielleicht ein anderer Nachteil: Stegdornköpfe eignen sich eigentlich nur für das Einschicht-Blasformen. Der technische Trend geht aktuell aber eher in Richtung Mehrschicht.

 

Wendelverteiler

Noch einen Tick besser als der Herzkurvenverteiler funktioniert der sogenannte Wendelverteiler, eine Art „Herzkurven-Verteiler 2.0“. Technisch wieder etwas aufwändiger, aber durchaus nach einem ähnlichen Prinzip konstruiert: Hier wird der plastifizierte Kunststoff nach dem Cut durch eine Leitung gedrückt, die sich spiralförmig um eine Pinole windet. Deren Konus verjüngt sich allmählich in Richtung Austrittsöffnung, wobei die spiraligen Leitungen gleichzeitig immer mehr verflachen. So dass der Kunststoff praktisch in Richtung Austritt überläuft und sich ganz allmählich mit den anderen Strömen vermischt, die aus den anderen Spiralwendeln zur selben Zeit über die Ufer treten.

Dabei bleibt es bei besonders fortschrittlichen Modellen nicht bei zwei Bohrungen: Wendelverteiler auf der Höhe der Zeit werden vierfach oder sogar sechsfach angeströmt. Resultat: Auf der Reise durch zwei, vier oder gar sechs Spiral-Umlaufbahnen werden die Kunststoffströme so innig ineinander verdrillt und ineinander geschoben, dass eventuelle Bindenähte nach allen Regeln der Kunst verwischt werden. Die „Vermählung“ der aufgetrennten Kunststoffströme ist also nicht mehr oder weniger auf einen Punkt beschränkt wie beim Kleiderbügel-Verteiler, sondern findet auf einer vergleichsweise großen Fläche statt. Dadurch kann man mit Wendelverteilern auch steife Materialien sehr gut verarbeiten. Daher sind sie oft die erste Wahl, wenn man derartigen Kunststoffen hohe Durchsätze erzielen muss.

Ringverteiler

Getoppt wird das Modell Wendelverteiler praktisch nur noch von den sogenannten Ringverteilern. Hier wird der Kunststoff durch eine einzige Bohrung auf zwei ringförmig angelegte Kanäle verteilt, die durch einen dünnen Spalt „überlaufen“, um am Ende als dünnwandiger Schlauch aus dem Kopf auszutreten.

Leider hat auch diese Konstruktion einen Nachteil: Sie ist nicht eben einfach zu fertigen. Nicht nur, dass man die rundum laufenden Kunststoff-Rennbahnen überhaupt erst einmal in einen Stahlblock bekommen muss (wozu man das Produkt in mehre Schichten zerlegt, die auf den hundertstel Millimeter genau gefräst und dann fest miteinander verbunden werden): Damit das Material überall mit demselben Druck aus dem schmalen Düsenspalt austritt, müssen die Ringleitungen Richtung Ausgang hin immer dünner ausgelegt werden.

Diesen Effekt kennt jeder, der schon einmal einen Weihnachtsmarkt besucht hat: Am Eingang des Geländes herrscht oft Gedrängel, das sich schnell auflöst, sobald die Leute etwas weiter innen wieder mehr Platz haben. Was, übertragen auf das Blasformen, ein Problem sein kann. Denn weniger Gedrängel (=Druck) bedeutet: Weniger Material wird aus dem Spalt herausgepresst. Und genau das fängt man auf, indem man die Leitungen eben zunehmend schmaler macht: So steigt der Druck darin wieder. Voraussetzung auch hier: ein extrem genaues Gespür für die das Fließverhalten von plastifizierten Kunststoffen.

Der aufwendigen Auslegungs-Tüftelei und Fertigung steht allerdings auch ein erheblicher Vorteil gegenüber: Ringverteiler sind geradezu ideal für das diskontinuierliche Blasformen – geradezu perfekt also für „Stop&Start“-Prozesse, da das Material immer gleichmäßig aus der Düse austritt.