IKV: Integrative Simulation unterstützt Entwicklung neuer PET-Flaschen

Vergleich des Versagensmechanismus aus Experiment und Simulation (Bild: IKV)

Das Thema „Integrative Simulation unterstützt Entwicklung neuer PET-Flaschen“ ist ein besonderes Highlight des diesjährigen IKV-Kolloquiums.

Im Streckblasprozess werden qualitativ hochwertige Kunststoffflaschen aus Polyethylenterephthalat (PET) mit hervorragenden mechanischen und optischen Eigenschaften hergestellt. Etwa 70 bis 75 Prozent der anfallenden Produktionskosten werden für das Material aufgewendet. Aufgrund dieser dominierenden Kostenposition ist die Verpackungsindustrie bemüht, die Materialeffizienz zu optimieren und somit die Produktionskosten zu senken. Dies soll über die beanspruchungsgerechte Flaschengeometrie realisiert werden. Verbesserungen wurden bisher hauptsächlich durch empirische Ansätze erreicht, der Einsatz der Simulation kann aber die Entwicklung neuer Getränkeverpackungen nachhaltig unterstützen.

IKV koppelt Struktursimulation mit Prozesssimulation
Das Ziel aktueller Forschungsarbeiten am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) ist es daher, über eine Abbildung der prozessbedingten Materialeigenschaften das mechanische Verhalten streckblasgeformter Kunststoffhohlkörper unter verschiedenen Lastbedingungen virtuell zu bestimmen.

Zunächst wird die Erwärmung des Preforms beim Durchlauf durch die Infrarot-Heizstrecke modelliert. Dazu wird in einer Strahlungssimulation der auf den Preform treffende Strahlungswärmestrom berechnet. Mit dieser Information wird dann die Erwärmung des Preforms berechnet. Anschließend erfolgt die Simulation des Umformprozesses, über die u. a. die biaxialen Verstreckgrade und die Wanddickenverteilung des ausgeformten Hohlkörpers berechnet werden. Die berechnete Wanddickenverteilung und die Verstreckgrade werden über eine Schnittstelle an die Struktursimulation übergeben.

Über die Kopplung der Struktursimulation mit der Prozesssimulation ist dieser Ansatz in der Lage, die lokale Wanddickenverteilung und die verstreckgradabhängigen Materialeigenschaften in der Struktursimulation zu berücksichtigen.

Um die Leistungsfähigkeit dieser entwickelten Simulationsroutine zu bestimmen, wurden die Topload-und Sideload-Eigenschaften einer leeren und einer gefüllten 0,5 Liter PET-Flasche berechnet. Ein Vergleich mit konventionellen Simulationen und experimentellen Untersuchungen zeigt, dass die Abbildungsgenauigkeit der Simulation durch den integrativen Simulationsansatz deutlich verbessert wird.

Auf Basis dieser Methode können bereits in einer frühen Entwicklungsphase Änderungen am Produktdesign in Hinblick auf die gestellten Anforderungen vorgenommen werden. Über die präzise Vorhersage der Leistungsfähigkeit der Flaschengeometrien unter verschiedenen Lastbedingungen werden teure Iterationsschritte im Entwicklungsprozess der geeigneten Flaschengeometrie vermieden bzw. verringert. Dadurch wird die volle Ausnutzung des Werkstoffpotenzials durch minimale Flaschengewichte ermöglicht und die Designfreiheit der Flaschen durch schnellere virtuelle Erprobungen erhöht.

Beim 26. Internationalen Kunststofftechnischen Kolloquium am 8. März 2012 werden die dargestellten Forschungsarbeiten in einem Vortrag diskutiert.

Weitere Informationen: www.ikv-kolloquium.de, www.ikv-aachen.de

26. Int. Kunststofftechnisches Kolloquium, 7.-8. März 2012, Aachen

Institut für Kunststoffverarbeitung, Aachen

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