MAP-Schale aus thermogeformten, biobasierten und biologisch abbaubarem Kunststoff.

MAP-Schale aus thermogeformten, biobasierten und biologisch abbaubarem Kunststoff. (Bild: Illig)

Im Bereich des „Rigid Packaging“, der Herstellung steifer Verpackungen, ist die Technologie des Thermoformens von Kunststoffen ein weit verbreitetes Fertigungsverfahren. Die meisten thermogeformten Verpackungen werden weltweit noch immer aus Polypropylen (PP), Polyethylenterephthalat (PET) und Polystyrol (PS) geformt. Biokunststoffe, biologisch abbaubare sowie biobasierte, spielen hierbei noch eine Außenseiterrolle. Aufgrund ihrer geringen Rohstoffverfügbarkeit und gesetzlicher Vorgaben werden diese nur in bestimmten Anwendungen eingesetzt. Gemessen an der gesamten jährlichen Kunststoffproduktion (2019) von 368 Mio. t haben die Biokunststoffe nur einen Anteil von etwa 1 % [1]. Aus technischer Sicht spricht allerdings nichts gegen einen verstärkten Einsatz dieser Werkstoffe im Thermoformen. Abhängig von Produktgestalt, der Formatauslegung des Werkzeuges, des Maschinentyps und des eingesetzten Kunststoffs sind Stückzahlen einzelner Thermoformsysteme von bis zu 150.000 Teilen pro Stunde üblich.

Technisch nachhaltige Lösungen

Mit dem Leitgedanken „Circular Thinking“ entwickelt Illig Maschinenbau Lösungen für Packmittelhersteller und unterstützt damit den wirtschaftlichen Kreislaufgedanken. Die Nachhaltigkeitsziele sind klar definiert: Reduzieren, Wiederverwenden, Trennen, Recyceln und Erneuern. In diesen Prozessen nimmt das Heilbronner Team des Illig Technology Center (ITC) als Bindeglied zwischen Anwendungs-, Werkzeug- und Maschinenentwicklung eine wichtige Rolle ein. Die Mitarbeiter im ITC mit Verpackungslabor, dem direkt angeschlossenen Technikum und der technischen Schulung, entwickeln, testen und evaluieren zusammen mit Packmittelherstellern Produkte zur Marktreife und bis zur Produktion auf Systemen des Maschinenbauers.

Die Rollen-Verarbeitungsmaschinen (Rollensysteme), Platten-Verarbeitungsmaschinen (Plattensysteme) und Blistersysteme sind materialseitig flexibel und bieten Performance auf Knopfdruck. Sie verarbeiten prozesssicher bioabbaubare Kunststoffe, Recyclingware, Kunststoff-Karton-Kombinationen oder Post-Consumer-Folien, bis hin zu reinen Karton-Anwendungen.

Die bisher am häufigsten im ITC für Anfragen, Projekte und Aufträge eingesetzten Biokunststoffe sind Polylactide (PLA), PLA-Blends (zum Beispiel Ecovio) und Compounds aus Polybutylensuccinat (PBS). Explizit ausgenommen werden sollen aus dieser Aufzählung teil- oder vollständig aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellte Bio-PP- und Bio-PET-Typen. Diese unterscheiden sich chemisch nicht von ihren erdölbasierenden Pendants. Das hat zur Folge, dass Maschinen-, Werkzeug- und Prozesstechnik beim Thermoformen identisch sind [2].

Technische Machbarkeitsstudie

Eine der jüngsten Entwicklungen basiert auf Ergebnissen einer internen Machbarkeitsstudie in Kooperation mit der BASF, Ludwigshafen, dem Rohstoffhersteller von Ecovio, und dem Folienwerk Wolfen, Bitterfeld-Wolfen, als Folienhersteller. Ziele waren das Überprüfen der Einsatzmöglichkeit und technische Umsetzung eines typischen Thermoformteils für „Modified Athmosphere Packaging“ (MAP) aus Biokunststoff zum hygienischen Verpacken frischer Lebensmittel wie beispielsweise Fleisch, Gemüse und Obst.

Das Team des ITC hat die Versuche auf einem Thermoformsystem des Typs IC-RDK 80 durchgeführt. Die maximale Formfläche beträgt 756 mm x 565 mm und die maximale Taktzahl liegt bei 55 Takten/Minute. Mit diesem System können vielseitige Werkzeuge für Formteile unterschiedlicher Geometrien gerüstet werden. Durch die Möglichkeit gleichzeitig formende und stanzende Werkzeuge einzusetzen (auch getrennt formende und stanzende Werkzeuge bei separater Stanzstation sind hier möglich), werden eine hohe Formteilqualität ohne Stanzversatz und Produktivität kombiniert. Das für die Studie eingesetzte Werkzeug verfügt über sechs Kavitäten mit einem formen-/ stanzenden Werkzeug und einem Stapelwerkzeug. Es wird für die Prozessinbetriebnahme verwendet und ist für das Verarbeiten von PP, PET aber auch PS ausgelegt. Die hier existierenden Referenzwerte der Prozessparameter für die aufgezählten Kunststoffe lassen sich direkt mit einem Biokunststoff vergleichen (siehe Tabelle 1). Als Biopolymer wurde Ecovio vom Typ T2308 untersucht, eine von zwei speziell für Thermoformanwendungen spezifizierten Varianten dieses Kunststoffes.

 Vergleich typischer Prozessparameter für eine MAP-Schale identischer Kontur aus unterschiedlichen Kunststoffen.
Vergleich typischer Prozessparameter für eine MAP-Schale identischer Kontur aus unterschiedlichen Kunststoffen. (Bild: Illig)

Hohe Taktzahl erreicht

Ein großes Erstaunen bot sich beim Ausloten der möglichen Maschinentaktzahl der hergestellten Folie. Die Maschinenbediener brachten das System bis an seine Grenzen. Der Biokunststoff fuhr tatsächlich mit der höchstmöglichen Taktzahl durch die Linie mit hervorragenden Ergebnissen. Die Stapelfähigkeit der Formteile war regelmäßig und das Herstellen verlief prozesssicher ohne notwendige Anpassungen am Werkzeug Set-up. Bei dieser Versuchskonstellation erzielte die biobasierte Folie 7 % mehr Ausstoß im Vergleich zu PET, 10 % zu PS und 26 % mehr zu PP. Diese erstaunlichen positiven Ergebnisse erheben jedoch keinen Anspruch auf Verallgemeinerung und eine generelle Übertragbarkeit auf die genannten Materialien, sondern müssen in weiteren Studien verifiziert werden.

Das Verarbeitungsfenster des Biokunststoffs beim Thermoformen war ausreichend groß. Die in der Mitte eines gefunden Prozessfensters gezielten Temperaturänderungen hatten kaum einen positiven oder negativen Einfluss auf die Formteilgestalt. Dieses „gutmütige“ Formverhalten zeigen in diesem Maße sonst nur PS- oder PET-Applikationen.

Die Schalen aus dem Biopolymer lassen sich regelmäßig und prozesssicher stapeln.
Die Schalen aus dem Biopolymer lassen sich regelmäßig und prozesssicher stapeln. (Bild: Illig)

Die mechanischen Eigenschaften der gefahrenen Bio-Formteile waren wettbewerbsfähig mit jenen aus PP-, PET- und PS. Das ist auf die hohe Elastizität (E-Modul) des Materials zurückzuführen. Typischerweise wird der E-Modul in der praktischen Arbeit herangezogen um als Näherungswert für eine Abschätzung der Steifigkeit und mechanischen Festigkeit der späteren Formteile zu dienen. Es wurden im vorliegenden Projekt zwar keine Siegelversuche durchgeführt, Erkenntnisse aus vorherigen klein- und großtechnischen Anwendungen charakterisieren Ecovio T2308 aber als gut siegelfähig. Die Migrationswerte für Sauerstoff liegen laut Hersteller BASF im mittleren Bereich [3]. Die Migrationswerte lassen sich durch den Einsatz einer Barriereschicht aus Polyvinylalkohol (PVOH) noch deutlich erhöhen. Die industrielle Kompostierung ist trotz einer zusätzlichen Barriere aus PVOH gegeben. Daher eignet sich dieser Biowerkstoff insbsondere für Verpackungen, die nach Gebrauch organische Anhaftungen vorweisen. Eine Kompostierung ist dann besonders effizient, wenn durch mangelnde Infrastruktur wirtschaftliche und ökologische Ziele nicht erreicht werden können.

Warum die Verpackung ansprechend ist

Die Transluzenz der aus dem Biopolymer hergestellten Schalen ist aufgrund der Materialstruktur im Vergleich zu den anderen untersuchten Kunststoffen PP, PET und PS am geringsten ausgeprägt. Sie lässt sich am ehesten als schwache Kontakttransparenz beschreiben. In der Praxis ist somit der frische Inhalt von äußeren Einflussfaktoren wie Licht besser abgeschirmt, der Blick des Verbrauchers darauf bleibt durch Sichtfenster in der Siegelfolie gewährt.

Die vom Maschinenhersteller technisch evaluierte Machbarkeitsstudie zeigt, dass Biokunststoffe sich mit bestehender Maschinen und Werkzeugtechnik thermoformen lassen [4]. Zu berücksichtigen sind materialspezifische Anpassungen wie Werkzeugschwindung oder spezifisch notwendige Kühlleistungen. Besonders bei kritischen Applikationen und wenig Erfahrungen zu Verarbeitbarkeit und materialspezifischen Kennwerten von Biokunststoffen empfiehlt es sich, Thermoform-Vorversuche durchzuführen.

Literatur

[1] Schwarzmann, Peter; Thermoformen in der Praxis 3. Auflage, Herausgeber ILLIG Maschinenbau GmbH & Co. KG, Carl Hanser Verlag, München 2016

[2] Engelmann, Sven; Advanced Thermoforming; John Wiley & Sons, Inc, Hoboken New Jersey 2012

[3] BASF Produktinformation

[4] Fraunhofer Übersichts–Positionspapier 2018

[5] https://www.plastverarbeiter.de/markt/geringer-marktanteil-biologisch-abbaubarer-kunststoffe.html

 

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