miniatur|Quetschnaht am Behälterboden Das Extrusionsblasformen, auch Hohlkörperblasen genannt, ist ein Verfahren der Kunststoffverarbeitung zur Herstellung von Hohlkörpern aus thermoplastischen Kunststoffen. Dabei wird das aufgeschmolzene Polymer über eine Förderschnecke durch die Düse gepresst, so dass ein schlauchförmiger Vorformling entsteht (Extrusion). Dieser wird in eine Blasform übergeben und durch Innendruck den Innenkonturen der Form angepasst (Blasformen). Auf diese Weise hergestellte Hohlkörper finden sowohl als Primärpackmittel wie Kanister oder Fässer als auch als technische Bauteile wie Kraftstofftanks oder Lüftungskanäle Verwendung.Thomas Brinkmann, Volker Lessenich-Henkys und Walter Michaeli: Kunststoff-Bauteile werkstoffgerecht konstruieren, Hanser Verlag, 1995, ISBN 978-3446175358, S. 21 (online-Vorschau auf Google Books). Das Extrusionsblasformen erlaubt die Herstellung von Hohlkörpern mit einem Volumen von etwa einem Milliliter (Augentropfenampullen) bis zehn Kubikmetern (Öltanks). Typisches Erkennungsmerkmal für extrusionsblasgeformte Verpackungen ist eine Quetschnaht an der Unterseite. Für druckbelastete Flaschen (beispielsweise für kohlensäurehaltige Getränke) wird in der Regel das Spritzstreckblasen angewendet.
Entstehung und Verbreitung der Technik miniatur|Vorformling beim Extrusionsblasformen Die Herstellung von Hohlkörpern durch Schmelzen und Aufblasen wurde zuerst von Glasbläsern praktiziert. Ein wesentlicher Entwicklungsschritt war die Einführung von Hohlformen aus Holz, den sogenannten Modeln, die eine reproduzierbare Artikelform auch bei großer Stückzahl garantierten. Im 19. Jahrhundert wurden die Holzformen durch Metallformen ersetzt. Glasmaschinen zur Hohlglasproduktion übernahmen seit Beginn des 20. Jahrhunderts die handwerkliche Produktion von Gebrauchsgegenständen.
In einer US-Patentschrift vom 24. Juni 1851 beschreibt der Autor S. T. Armstrong mit dem Titel Improvement in Making Gutta-Percha Hollow Ware (Verbesserung in der Herstellung von Hohlkörpern aus Guttapercha) „die Bildung eines rohrartigen Vorformlings, der durch Innendruck an die Werkzeugwand geblasen wird“. Guttapercha ist ein Kautschukprodukt und wird aus dem Milchsaft des Guttaperchabaums gewonnen. Es folgten Entwicklungen mit Zelluloid und Gummi. Durch die stark eingeschränkte Verfügbarkeit geeigneter Werkstoffe stagnierte die Entwicklung des Blasformens.
In den 1930er Jahren erfolgte die Entdeckung des Kunststoffs Polyvinylchlorid (PVC). Die Glasindustrie in den Vereinigten Staaten interessierte sich sehr für diesen neuen Werkstoff, da er weniger zerbrechliche Behälter versprach. Daher ist verständlich, dass in der Anfangszeit zwischen 1938 und 1945 in Amerika viele Patente zum Blasformen von Kunststoffen durch die Glasindustrie angemeldet wurden. Im Jahr 1939 startete die erste Serienproduktion von Kunststoffflaschen durch die Owens-Illinois Glass Company. Das dazu eingesetzte Verfahren entsprach dem Spritzblasen.Michael Thielen, Klaus Hartwig, Peter Gust: Blasformen von Kunststoffhohlkörpern, Hanser Verlag, 2006, ISBN 978-3446226715, Abschnitt Historie des Blasformens von Hohlkörpern, S. 7–11 (online-Vorschau auf Google Books).
Die Entwicklung der Blasformtechnologie in Europa begann unabhängig von ihrer Entwicklung in den USA. Angeregt von den Entwicklungen des in der Nähe befindlichen Unternehmens Dynamit Nobel in Troisdorf, das aus Nitrozellulose die Kunststoff-Verbindung Zelluloid herstellte, konstruierten die Gebrüder Reinold und Norbert Hagen (Kautex-Werke Bonn) die ersten Formteile aus Kunststoffplatten. Die hierbei verwendete Verarbeitungstechnik entstammte der Blechbearbeitung und war aus dem Biegen und Schweißen abgeleitet. Zur Vereinfachung des Prozesses entwickelten die Gebrüder Hagen 1949 ihre erste Extrusionsblasformmaschine, die es ermöglichte, Flaschen, Behälter und andere Hohlkörper aus Kunststoff herzustellen. Durch das Blasformen konnten wesentlich aufwendigere Geometrien erzeugt werden, als es mit Metall oder Stahlblech möglich gewesen wäre. Ab 1955 wurden deren Blasformautomaten auch nach Amerika exportiert.
Mit der Marktreife von verschiedenen Arten von Polyethylen Ende der 1950er Jahre wuchs die Bedeutung des Blasformens von Kunststoffen insbesondere für die Verpackungsindustrie immer stärker an. Mit der Entwicklung von immer leistungsfähigeren Kunststoffen nahm auch der Einsatz in technischen Produkten immer weiter zu.
Herstellungsprozess miniatur|Darstellung der verschiedenen Prozessschritte des Extrusionsblasformens Die Schneckenwelle im Extruder drückt das geschmolzene Polymer durch eine am Umlenkkopf befindliche Düse senkrecht nach unten heraus. Es entsteht ein schlauchartiger Vorformling. Das zu diesem Zeitpunkt noch geöffnete zweigeteilte Werkzeug besitzt auf der Innenseite die Negativform des fertigen Werkstücks. Hat der Vorformling die gewünschte Länge erreicht, schließt das Werkzeug und verschließt den Vorformling am unteren Ende durch Zusammenquetschen. Es entstehen die für das Extrusionsblasformen typischen Quetschnähte am Boden des Formteils.
In einem zweiten Prozessschritt taucht ein Dorn von oben in den Schlauch hinein, durch den sodann Druckluft einströmt, womit sich der Vorformling aufbläst und an die innere Kontur des Blaswerkzeugs angepresst wird. Zusätzlich hat der Dorn die Aufgabe, den Halsbereich des Werkstücks zu formen. In diesem Moment beginnt die Abkühlung des Werkzeugs und damit des Kunststoffs. Zur Verkürzung der Abkühlzeit können im Innenraum des Hohlkörpers gekühlte Spülgase eingesetzt werden. Nachdem das Formteil ausreichend abgekühlt ist und eine genügende Festigkeit besitzt, öffnet sich das Werkzeug und das Formteil kann entnommen werden.Franz-Josef Vossebürger, Leo Wolters, Walter Michaeli und Helmut Greif: Technologie der Kunststoffe: Lern- und Arbeitsbuch, Hanser Verlag, 2008, ISBN 978-3446415140, S. 103–105 (online-Vorschau auf Google Books)
An der Halspartie, am Boden und an der Nahtstelle zwischen den beiden Werkzeughälften entstehen Butzen aus Kunststoff, die teilweise gleich beim Öffnen abgeschert werden; teilweise ist eine Nachbearbeitung notwendig. In der Regel werden diese als Regenerat dem Extruder wieder zugeführt.
Um die Zykluszeiten kurz zu halten, werden die Blasformartikel häufig aus der Form entnommen, wenn diese eine minimale Festigkeit erreicht haben. Aufgrund der meist einseitig von außen gekühlten Artikelwand ist der Kunststoff auf der Innenseite noch sehr heiß und kann Wärme nach außen abgeben, wodurch der gesamte Artikel wieder weich werden könnte. Um dies zu verhindern, wird eine Nachkühlung eingesetzt, wobei kühle Luft durch einen dünnen Nachkühldorn in das Innere des Artikels geblasen wird, um die Temperatur weiter zu reduzieren. Die aufgewärmte Luft kann seitlich am Dorn wieder austreten.Michael Thielen, Klaus Hartwig, Peter Gust: Blasformen von Kunststoffhohlkörpern, Hanser Verlag, 2006, ISBN 978-3446226715, Abschnitt Historie des Blasformens von Hohlkörpern, S. 106–110 (online-Vorschau auf Google Books).
Wanddickensteuerung miniatur|Variable Düse am Schlauchkopf zur Wanddickensteuerung beim Extrudieren Die Wanddickensteuerung des Vorformlings erfolgt durch einen verstellbaren Austrittsbereich an der Düse des Schlauchkopfes. Eine Servohydraulik verschiebt die beiden konisch gestalteten Teile der Düse gegeneinander und steuert über die verbleibende Spaltbreite die Durchflussmenge. Damit lässt sich einerseits die Wanddicke im Fertigprodukt einstellen, andererseits die Wanddicke des Schlauchs während seiner Entstehung kontinuierlich anpassen. Ohne eine entsprechende Steuerung wäre die Wand in stärker aufgeblasenen und damit stärker gereckten Abschnitten des Endproduktes dünner als in engeren, weniger stark aufgeblasenen Abschnitten.
Beim nebenstehenden Beispiel einer Flaschenform müssen der obere und der untere Teil des Vorformlings dünner gestaltet werden, um eine gleichmäßige Wanddicke im Endprodukt zu erreichen. Durch eine hohe Wanddickenkonstanz können der Materialverbrauch und die Kühlzeit wesentlich reduziert werden.Walter Michaeli, Thomas Brinkmann und Volker Lessenich-Henkys: Kunststoff-Bauteile werkstoffgerecht konstruieren, Hanser Verlag, 1995, ISBN 978-3446175358, S. 21 (online-Vorschau auf Google Books).
Bei Blasformteilen mit stark ovalem Querschnitt wird durch die Form von Düse und Dorn üblicherweise ein Schlauch mit über dem Querschnitt variierender Wanddicke erzeugt, um den unterschiedlichen radialen Reckwegen im Blaswerkzeug Rechnung zu tragen.
Die adaptive Wanddickensteuerung hat einen zusätzlichen Vorteil bei großen Vorformlingen: Je größer die Masse des Vorformlings wird und je länger dieser am Schlauchkopf hängt, desto stärker wird der obere Schlauchbereich durch sein Eigengewicht gereckt. Über die Wanddickensteuerung wird der Massenstrom im oberen Bereich erhöht, um so die Folgen des Auslängens zu kompensieren und damit einer Schlauchdickenreduktion entgegenzuwirken.
Kontinuierliche und diskontinuierliche Extrusion miniatur|Aufbau eines einfachen Speicherkopfes für diskontinuierliche Extrusion Bei der kontinuierlichen Extrusion tritt ständig Kunststoffschmelze aus der Düse aus. Sobald der Schlauch die geforderte Länge erreicht, schließt das Blasformwerkzeug und übernimmt den Vorformling. Es bewegt sich aus dem Düsenbereich in die Blasposition, und der Vorformling wird aufgeblasen. Nach dem Abkühlen und Auswerfen des Artikels fährt das Blasformwerkzeug wieder unter die Düse, um den nächsten Schlauch zu übernehmen (Shuttleverfahren). Die Taktzeiten von Extrusion und Kühlzeit müssen genau aufeinander abgestimmt sein.Michael Thielen, Klaus Hartwig, Peter Gust: Blasformen von Kunststoffhohlkörpern, Hanser Verlag, 2006, ISBN 978-3446226715, Abschnitt Kontinuierliche / diskontinuierliche Extrusion, S. 41–44 (online-Vorschau auf Google Books).
Alternativ steht ein zweites kontinuierliches Verfahren zur Verfügung, bei dem der Schlauch über einen Greifer (Schlauchzubringer) von der Düse abgenommen und zum Blasformwerkzeug transferiert wird. Dieses Vorgehen ist besonders dann sinnvoll, wenn das Blasformwerkzeug aufgrund der Größe oder des Gewichts schwierig zu bewegen ist oder wenn für die Aufstellung der Maschine nur wenig Platz zur Verfügung steht. Außerdem können bei einer mit einem Schlauchtransportgreifer ausgestatteten Maschine mehrere Schließeinheiten (Werkzeuge) von einer Extrusionseinheit bedient werden. Die kontinuierliche Schlauchbildung wird begrenzt durch die Steifigkeit der Schmelze, die geforderte Schlauchlänge und die Zykluszeit. Typische Grenzen liegen bei einem Volumen von etwa 100 Litern beziehungsweise bei Taktzyklen kleiner als 120 Sekunden.Günter Mennig: Werkzeugbau in der Kunststoffverarbeitung: Bauarten, Herstellung, Betrieb, Hanser Verlag, 2008, ISBN 3-446-18257-8, S. 114–119 (online Vorschau auf Google Books).
Bei der diskontinuierlichen Extrusion wird die Polymerschmelze zuerst in einem Akku- oder Speicherkopf gesammelt. Erst wenn das Füllvolumen erreicht ist, drückt ein Kolben die gesamte Masse relativ schnell aus dem Düsenkopf. Dieses garantiert im Vergleich zur langsameren, kontinuierlichen Extrusion ein geringeres Durchhängen des Schlauches (Sagging) und ein geringeres Abkühlen des unteren Endes des Vorformlings. Das Verfahren ist somit besonders für lange schwere Vorformlinge geeignet, die zur Herstellung größerer Behälter wie Öltanks benötigt werden. Bei empfindlichen Polymeren wie Polyamid ist ein Ringspeicher notwendig, der garantiert, dass das Polymer in der Reihenfolge des Aufschmelzens verarbeitet wird (First In – First Out). Dieses verhindert lange Verweilzeiten, die dadurch entstehen, dass nicht die gesamte Schmelze vollständig aus dem Speicher ausgestoßen wird.
Multilayer- oder Coextrusionsblasformen