Thermoforming: The Effects of Machine Parameters to the Process and End Product

Abstract

Lämpömuovaus on yksi yleisimmistä muovin prosessointimenetelmistä elintarvikkeiden pakkausteollisuudessa. Lämpömuovauksessa prosessointilämpötilaan lämmitetty muovilevy venytetään muottipesään, jossa se saa muotonsa. Lämpömuovauksen etuina ovat matalat laitekustannukset muihin muovin prosessointitekniikoihin nähden. Lämpömuovaamalla voidaan saada aikaiseksi erittäin ohuita, mutta hyvin kestäviä tuotteita. Lämpömuovaamisen huono puoli on epätasainen seinämänvahvuus tuotteessa. Materiaalijakaumaan voi vaikuttaa tuotteen suunnittelulla, koneparametreilla ja tuotantovalinnoilla, mutta venytysprosessin luonteesta johtuen sitä ei saada täysin tasaiseksi. Tämän diplomityön tarkoituksena on tutkia eri parametreja ja niiden vaikutuksia lämpömuovattujen tuotteiden materiaalijakaumaan.

Lämpömuovauskoneiden käyttäjillä on pitkältä ajalta kerääntynyttä tietoa ja taitoa prosessin hallitsemisesta, mutta sitä tietoa on harvoin kerätty talteen kirjallisesti. Mielipiteet parametrimuutosten vaikutuksista eri käyttäjien välillä saattavat myös vaihdella. Tämän työn kokeellisessa osuudessa suoritettujen koeajojen tarkoitus oli saada tuotantoparametrien muutosten vaikutukset mitattua ja dokumentoitua. Koeajot jaettiin kahteen osioon, joista ensimmäisessä tutkittiin vakuumin lisäämistä tuotantolinjalle ja toisessa neljää eri parametrimuutosta. Työssä tutkittavassa lämpömuovatussa tuotteessa on ollut ongelmia materiaalijakauman kanssa ja tavoitteena on löytää yhteys parametrien ja tuotteen materiaalijakauman välillä.

Vakuumin avulla lämpömuovatun tuotteen materiaalijakauma saatiin referenssinäytteen jakaumaa tasaisemmaksi. Tuote oli paksumpi seinämän kriittisiltä alueilta, joka paransi tuotteen kuormankestävyyttä. Koeajojen perusteella vakuumin lisääminen lämpömuovausprosessiin paransi seinämänvahvuuden tasaisuutta sekä kuormankestävyyttä. Tämän perusteella voitiin tehdä johtopäätös, että vakuumin lisääminen tämän tyyppisiin tuotantolinjoihin olisi kannattavaa.

Tutkittavat prosessiparametrit valittiin kokeneiden koneenkäyttäjien suositusten mukaisesti. Koeajot suoritettiin puskimen loppuaseman, puskimen ajoituksen, muotoilupaineen määrän ja muotoilupaineen ajoituksen parametrisäädöillä. Prosessiparametrien muutoksilla saatiin huomattavia muutoksia tuotteen materiaalijakaumaan. Eri prosessiparametreillä pystyttiin vaikuttamaan siihen, sijaitsevatko tuotteen paksuimmat kohdat tuotteen pohjassa vai sivuseinissä. Yksittäisellä parametrimuutoksella ei saatu aikaan täydellisen tasaista tuotetta, mutta mittausten perusteella saatiin tärkeää tietoa siitä, mikä muutos johtaa mihinkin lopputulokseen ja niiden perusteella voidaan suunnitella jatkotutkimuksia aiheesta.

Thermoforming is one of the most common polymer converting processes in the food packaging industry. The conversion of the polymer sheet to the thermoformed product is achieved by stretching the softened polymer sheet to the mould cavity. The advantage of thermoforming is the relatively low equipment cost compared to other plastic conversion processes. With thermoforming very thin products with enough stability can be produced. The biggest disadvantage of thermoforming is the non-uniform wall thickness distribution. The variation of the wall thickness distribution can be controlled with design, process parameters and manufacturing choices, but due to the nature of the stretching process it cannot be fully eliminated. The objective of this thesis was to examine different process parameters and their influence on the wall thickness distribution of a thermoformed product.

The machine operators have accumulated knowledge and skill of process control over the years, but that knowledge is rarely documented. The opinions of the changes that different parameter adjustments can make to the product and process can differ between operators. The objective of the trial runs was to examine the effects of different machine parameter adjustments and document their effects. The trial runs were divided into two segments. In the first segment the addition of vacuum to the thermoforming process was examined and in the second segment different process parameter adjustments were investigated. There have been problems with the material thickness distribution on the examined tray. The objective of the trial runs was to find the connection between the process parameters and the material thickness distribution of the thermoformed product.

The addition of vacuum to the process made the material thickness distribution of the product more even. The products were thicker in the critical segments of the sidewall, which increased the stability of the products. In conclusion based on the measurements, the addition of vacuum to these types of production lines would be beneficial. The parameters for the second segment were chosen with the help of experienced operators of the thermoforming machine. The parameters were: plug assist displacement, plug assist delay, forming air pressure and forming air delay. The parameter adjustment trial runs showed significant difference in the material thickness distribution of the product. With different parameter adjustments the thicker regions of the product moved either to the base of the tray or the sidewalls of the tray. The trial runs provided important information of different machine parameters and their effects on the material thickness distribution of the product.