Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Implementierung und Kalibrierung eines orthotropen Versagenskriteriums für PET in die

integrative Simulation des zweistufigen Streckblasprozesses

 

Im zweistufigen Streckblasprozess werden etwa 70 % der Produktionskosten von Kunststoffflaschen für das zu verarbeitende Material aufgewendet, so dass die Gesamtkosten zur Herstellung der Flaschen über einen reduzierten Materialeinsatz erheblich gesenkt werden können. Um den damit verbundenen Herausforderungen zu begegnen werden Preform- und Prozessauslegung in der Industrie zunehmend durch Simulationswerkzeuge unterstützt.

Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Implementierung, Kalibrierung und Validierung verschiedener orthotroper Versagenskriterien in eine integrative Simulation des zweistufigen Streckblasprozesses zur Vorhersage eines möglichen Materialversagens bei der Verarbeitung extrem leichter Preforms. Damit kann Materialversagen im Streckblasprozesses erstmals simulativ vorhergesagt werden. Die Koeffizienten der Versagensmodelle werden in einer Simulation des Membran-Inflations-Rheometers in einem Reverse Engineering Prozess iterativ an experimentelle Messungen angepasst, bis das Rissverhalten der Simulation dem des MIRs entspricht. Die Validierung erfolgt am MIR bei Prozesspunkten, die nicht in die Kalibrierung eingeflossen sind und im Streckblasprozess, in dem gezielt Prozesspunkte gewählt werden, bei denen das Material im Werkzeug versagt. Mit diesen Ergebnissen wird die Eignung jedes Modelles für den Streckblasprozess separat bewertet.

Die angestrebten Ergebnisse des Vorhabens sind erstmals der Einsatz verschiedener orthotroper Versagenskriterien für PET im Streckblasprozess und deren Bewertung. Dazu wird ein Erkenntnisgewinn im Bereich der hohen Verstreckung von PET angestrebt, der dazu beitragen kann, bei sehr leichten Preforms weiter Material einzusparen. Davon profitieren insbesondere die Flaschenhersteller, meist KMU, die ihre Produktionskosten signifikant senken können. Zudem wird PET als Halbzeug im Thermoformprozess verarbeitet. Auch in diesem Bereich kann das Modell eingesetzt werden, um Produkte zu verbessern und Material einzusparen.

Ergebniszusammenfassung:

Für die Versagensvorhersage wurden ein Maximaldehnungs- und ein Maximalspannungs-Versagenskriterium entwickelt, die beide mit den Messergebnissen der Membrane-Inflation Rheometrie kalibriert wurden. Dazu wurden insgesamt vier verschiedene Koeffizientensätze betrachtet. Gezeigt wurde, dass eine Kalibrierung über Alen gesamten Temperatur- (95 °C bis 105 °C) und Dehnratenbereich (10 1/s bis 100 1/s) einer Kalibrierung nur im unteren bzw. nur im oberen Parameterbereich vorzuziehen ist. Im nächsten Schritt wurden das Materialmodell sowie das Versagenskriterium in die zweistufige Prozesssimulation implementiert. Zusammen mit der Aufheizsimulation kann das Deformationsverhalten des Preforms in der Umformsimulation

abgebildet werden. Die Validierung der Simulation erfolgte mittels PET-Maschen, die in einer Laboranlage verstreckt wurden. Der Vergleich zwischen Experiment und Simulation zeigt, dass sowohl die Umformung als auch das Versagen akkurat simuliert werden kann. Das Maximalspannungs-Versagenskriterium führt zu aussagekräftigen Ergebnissen bei der Vorhersage von Weißbruch und Materialbruch. Während im kalibrierten Temperatur- und Dehnratenbereich die Vorhersagegenauigkeit am Höchsten ist, kann auch um extrapolierten Bereich eine qualitative Aussage über das Versagensverhalten getroffen werden.