Ausgangsstärke vs. Wandstärke im Tiefziehen: Warum Materialdicke nicht gleich Wandstärke ist

Ausgangsstärke und Wandstärke im Tiefziehen- Das Wichtigste in Kürze

• Die Ausgangsstärke ist die Dicke des Materials vor dem Tiefziehen.
• Die Wandstärke ist die Dicke des Materials im fertigen Tiefziehteil.
• Beim Tiefziehen wird das Material verstreckt. Deshalb ist die Wandstärke meist geringer als die Ausgangsstärke.
• Die Wanddicke ist nicht konstant. Je nach Geometrie, Tiefe, Formrichtung und Prozessführung entstehen dünnere und dickere Bereiche.
• Die resultierende Wandstärke kann überschlägig mit der Formel d2 = (F1 / F2) × d1 berechnet werden.
• In der Praxis sind lokale Schwankungen möglich. Deshalb sollten Mindestwandstärken und Sicherheitszuschläge eingeplant werden.

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Was ist der Unterschied zwischen Ausgangsstärke und Wandstärke?

Die Ausgangsstärke beschreibt die Dicke der Kunststoffplatte oder Kunststofffolie vor dem Tiefziehprozess. Diese Dicke ist zunächst gleichmäßig. Die Wandstärke im Kunststoff Tiefziehen beschreibt dagegen die Dicke des Materials im fertigen Tiefziehteil. Sie entsteht während des Formvorgangs und ist abhängig davon, wie stark das Material an einzelnen Stellen gedehnt wird.

Das bedeutet: Die Ausgangsstärke ist der Startwert. Die Wandstärke ist das Ergebnis des Umformprozesses.

Thermoforming vs. Spritzguss: Warum die Wanddicke anders entsteht

Beim Spritzguss ist die Wanddicke eine direkte konstruktive Stellschraube. Das Material wird in einen geschlossenen, zweiseitigen Werkzeugsatz eingespritzt. Die Kavität definiert dadurch sehr genau, welche Wanddicke an welcher Stelle entsteht.

Beim Thermoforming ist das anders. Hier wird eine vorhandene Materialausgangsstärke erwärmt und verformt. Die spätere Wanddicke entsteht nicht durch eine vollständig geschlossene Werkzeugkavität, sondern durch die Verstreckung des Materials während des Formvorgangs.

Je nach Bauteilgeometrie, Material, Temperatur, Ziehgeschwindigkeit, Werkzeugauslegung und Formrichtung kann die resultierende Wandstärke daher deutlich variieren. Deshalb sollten Thermoformteile nicht auf exakte Wanddicken ausgelegt werden, sondern auf funktionale Mindestwandstärken mit sinnvollen Toleranzen.

Warum wird die Wandstärke beim Tiefziehen dünner?

Die physikalische Regel ist einfach: Material kann nicht aus dem Nichts entstehen. Wenn eine Platte oder Folie in die Tiefe gezogen wird, muss sich das vorhandene Material über eine größere Fläche verteilen. Dadurch nimmt die Wandstärke ab.

An flachen Bereichen bleibt die Wandstärke oft näher an der Ausgangsstärke. An tiefen Stellen, engen Radien oder stark gezogenen Bereichen wird das Material stärker verstreckt und entsprechend dünner.

Wo entstehen Dünnstellen beim Tiefziehen?

Dünnstellen entstehen dort, wo das Material besonders stark verstreckt wird. Ihre Lage hängt stark davon ab, ob ein Tiefziehteil positiv oder negativ geformt wird.

Dünnstellen bei negativ geformten Teilen

Bei negativ geformten Teilen wird das Material in eine Werkzeugkavität hineingezogen. Dabei wird Material vom Rand in Richtung Boden der Kavität verstreckt. Die Schwachstelle liegt deshalb häufig im Bodenbereich oder in den Übergängen zwischen Boden und Seitenwand.

Je tiefer die Kavität und je ungünstiger das Umformverhältnis, desto stärker dünnt das Material dort aus.

Dünnstellen bei positiv geformten Teilen

Bei positiv geformten Teilen wird das Material über einen erhabenen Werkzeugkern gezogen. Das Material setzt zuerst im späteren Bodenbereich auf dem Positivwerkzeug auf. Anschließend wird der Randbereich weiter nach unten gezogen und dadurch stärker ausgedünnt.

Die Schwachstelle liegt bei positiv geformten Teilen deshalb häufig eher im Rand- oder Flankenbereich.

Warum die Formrichtung entscheidend ist

Ob positiv oder negativ geformt wird, sollte nicht nur aus optischen oder maßlichen Gründen entschieden werden. Auch die gewünschte Wanddickenverteilung spielt eine wichtige Rolle.

Wenn bestimmte Bereiche des Bauteils mechanisch belastet werden oder eine Mindestwandstärke einhalten müssen, kann die Wahl der Formrichtung entscheidend sein. Je nach Anforderung an die Wanddicke in bestimmten Bereichen muss daher geprüft werden, ob eine positive oder negative Formgebung sinnvoller ist.

Umformverhältnis, Ziehverhältnis und Flächenverhältnis einfach erklärt

Beim Tiefziehen beschreiben verschiedene Kennwerte, wie stark das Material verformt wird. Für die spätere Wandstärke sind vor allem Umformverhältnis, Ziehverhältnis und Flächenverhältnis relevant.

Umformverhältnis

Das Umformverhältnis beschreibt die Relation zwischen Höhe und Breite der zu formenden Fläche. Es zeigt also, wie stark eine begrenzte Materialfläche in die Tiefe gezogen wird. Je größer die Tiefe im Verhältnis zur Öffnungsbreite ist, desto stärker muss sich das Material verstrecken. Dadurch sinkt die resultierende Wandstärke.

Besonders kritisch sind:

• tiefe, schmale Geometrien
• steile Seitenwände
• enge Radien
• große Tiefenunterschiede innerhalb eines Bauteils
• zu dünn gewählte Ausgangsstärken

Ziehverhältnis

Das Ziehverhältnis beschreibt, wie stark das Material während des Formvorgangs gedehnt wird. Ein hohes Ziehverhältnis bedeutet, dass das Material tief gezogen wird und entsprechend stärker verstreckt wird.

Flächenverhältnis

Das Flächenverhältnis beschreibt das Verhältnis zwischen der Fläche des Materialzuschnitts und der Oberfläche des fertigen Tiefziehteils. Je größer die Oberfläche des fertigen Bauteils im Vergleich zur ursprünglichen Materialfläche ist, desto stärker wird das Material gedehnt.

Wie berechnet man die Wandstärke beim Tiefziehen?

Die resultierende Wandstärke kann überschlägig mit folgender Formel berechnet werden:

d2 = (F1 / F2) × d1

Dabei gilt:

• F1: Fläche des Materialzuschnitts ohne Spannrand, also Länge × Breite
• F2: Oberfläche des Tiefziehteils nach dem Formvorgang
• d1: Materialausgangsstärke des Halbzeugs
• d2: überschlägige resultierende Wandstärke

Beispiel: Wenn die Oberfläche des fertigen Tiefziehteils ungefähr dreimal so groß ist wie die nutzbare Ausgangsfläche, verteilt sich das Material auf die dreifache Fläche. Bei einer Ausgangsstärke von 3 mm ergibt sich rechnerisch eine durchschnittliche Wandstärke von etwa 1 mm.

Wichtig: Diese Formel liefert nur einen Richtwert. Die tatsächliche Wanddicke ist im Bauteil nicht überall gleich. Zwischen der dünnsten und dicksten Stelle im Wandbereich können Schwankungen des überschlagenen d2-Werts auftreten. Deshalb sollte die Auslegung nicht auf eine exakt konstante Wanddicke abzielen, sondern auf eine sichere Mindestwandstärke im kritischsten Bereich.

Warum lässt sich die Wandstärke nicht zu 100 % vorhersagen?

Auch mit Berechnungen, Erfahrungswerten und Vorstrecken bleibt eine Restunsicherheit. Thermoplaste verhalten sich viskoelastisch. Das bedeutet: Die Verformung hängt von Temperatur, Zeit, Geschwindigkeit und Materialverhalten ab.

Die resultierende Wandstärke wird unter anderem beeinflusst durch:

• Materialtoleranzen: Die Ausgangsstärke der Platten oder Folien unterliegt Herstellungstoleranzen.
• Temperaturverteilung: Unterschiedliche Bereiche des erwärmten Materials können minimal unterschiedliche Temperaturen haben.
• Aufheizzeit: Zu kurze Aufheizzeiten können zu ungleichmäßiger Verformung führen.
• Ziehgeschwindigkeit: Eine hohe Verformungsgeschwindigkeit kann lokal stärkere Verstreckung verursachen.
• Formrichtung: Positive und negative Formgebung führen zu unterschiedlichen Dünnstellen.
• Werkzeugtemperatur: Kalte Werkzeugbereiche kühlen das Material schneller ab und beeinflussen die Materialverteilung.
• Materialtyp: Nicht jeder Thermoplast lässt sich gleich weit und gleichmäßig verstrecken.

Grundsätzlich gilt: Je kälter das Halbzeug bei der Verstreckung ist, desto größer ist die nötige Kraft zur Verformung. Je schneller die Verformungsgeschwindigkeit ist, desto größer ist ebenfalls die benötigte Kraft. Wird das Material zu stark oder zu ungleichmäßig verstreckt, können Dünnstellen, Aufrisse oder instabile Bauteilbereiche entstehen.

Wie lassen sich Wanddickenunterschiede reduzieren?

Eine vollständig konstante Wandstärke ist beim Kunststoff Tiefziehen nicht realistisch. Konstrukteure können die Wanddickenverteilung jedoch positiv beeinflussen.

Wichtige Maßnahmen sind:

• Großzügige Radien einplanen: Enge Radien konzentrieren Verstreckung und erhöhen das Risiko für Dünnstellen.
• Extreme Tiefziehverhältnisse vermeiden: Tiefe, schmale Bereiche sind besonders kritisch.
• Gleichmäßige Tiefen bevorzugen: Große Tiefenunterschiede erschweren eine gleichmäßige Materialverteilung.
• Entformungsschrägen vorsehen: Schrägen von etwa 2–5° erleichtern das Entformen und reduzieren Spannungen.
• Formrichtung bewusst wählen: Positive und negative Formgebung führen zu unterschiedlichen Wanddickenverteilungen.
• Ausgangsstärke nicht zu knapp wählen: Eine zu dünne Materialausgangsstärke erhöht das Risiko für kritische Dünnstellen.
• Prototypen testen: Muster zeigen die tatsächliche Wanddickenverteilung und ermöglichen Anpassungen vor der Serie.

Vorstrecken mit Oberstempel: Wanddicken gezielt beeinflussen

Bei anspruchsvollen Geometrien kann ein Oberstempel helfen, die Materialverteilung zu verbessern. Beim Vorstrecken drückt ein zusätzlicher Stempel das erwärmte Material vor, bevor es vollständig über das Werkzeug oder in die Kavität gezogen wird.

Das Ziel: Das Material wird gezielter verteilt. Dadurch kann verhindert werden, dass zu viel Material in unkritischen Bereichen bleibt und kritische Bereiche zu stark ausdünnen.

Besonders sinnvoll ist ein Oberstempel bei:

• tiefen Kavitäten
• hohen Ziehverhältnissen
• Negativformen
• anspruchsvollen Geometrien
• Bauteilen mit definierten Mindestwandstärken

Trotzdem gilt: Vorstrecken ersetzt keine tiefziehgerechte Konstruktion. Wenn das Ziehverhältnis für Material, Ausgangsstärke und Geometrie zu hoch ist, entstehen auch mit Oberstempel Dünnstellen oder Aufrisse.

Welche Ausgangsstärke ist sinnvoll?

Eine sinnvolle Ausgangsstärke hängt nicht nur von der gewünschten Wanddicke ab. Entscheidend sind vor allem Funktion, Handling, Einsatzgebiet, Materialtyp, Geometrie und Kostensensibilität.

Wichtige Fragen für die Auslegung sind:

• Muss das Tiefziehteil schützen, tragen, führen, abdecken oder nur positionieren?
• Wird das Bauteil manuell bewegt, automatisiert gegriffen, gestapelt oder transportiert?
• Gibt es mechanische, thermische, chemische oder hygienische Anforderungen?
• Gibt es kritische Funktionsflächen, die eine Mindestwandstärke benötigen?
• Wie tief ist das Bauteil?
• Welche Radien, Flanken und Konturen sind vorgesehen?
• Welches Material soll verwendet werden?

Häufiger Fehler: Zu dünne Ausgangsstärke gewählt

Ein häufiger Fehler in der Praxis: Die Ausgangsstärke wird zu knapp kalkuliert, um Materialkosten zu sparen. Das führt dazu, dass kritische Bereiche zu dünn werden und das Bauteil mechanisch versagt oder nicht den geforderten Belastungen standhält.

Folgen:

• Risse oder Löcher während des Tiefziehprozesses
• Bauteile brechen bei Handhabung oder im Einsatz
• Nacharbeit oder Werkzeuganpassung nötig
• Projektverzögerungen und höhere Gesamtkosten

Besser ist es, die Ausgangsstärke mit Sicherheitszuschlag zu wählen, Prototypen zu fertigen und reale Wandstärken zu messen. Die Mehrkosten für ein etwas dickeres Ausgangsmaterial sind häufig geringer als die Kosten für Ausschuss, Werkzeugänderungen oder fehlgeschlagene Serien.

Fazit: Ausgangsstärke ist der Startwert, Wandstärke das Ergebnis

Die Ausgangsstärke des Materials ist nicht gleich der Wandstärke des fertigen Tiefziehteils. Beim Kunststoff Tiefziehen wird das Material verstreckt. Dadurch nimmt die Wandstärke ab und fällt je nach Geometrie, Formrichtung, Material und Prozessführung unterschiedlich aus.

Umformverhältnis, Ziehverhältnis und Flächenverhältnis helfen dabei, die spätere Wanddicke besser einzuschätzen. Die Formel d2 = (F1 / F2) × d1 liefert einen überschlägigen Richtwert. In der Praxis muss jedoch mit lokalen Schwankungen gerechnet werden.

Wer Tiefziehteile konstruiert, sollte deshalb Mindestwandstärken definieren, Sicherheitszuschläge einplanen und die Machbarkeit vor dem Werkzeugbau prüfen lassen.

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