Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Simulationsbasierte Festigkeits- und Versagensanalyse von peelbaren und festversiegelnden Siegelnähten

Ständige Herausforderungen bei der Massenbedarfsgüterherstellung ist die Individualisierung der Produkte. Gleichzeitig fordern steigende gesetzliche Vorgaben hinsichtlich ökologisch vorteilhafter Verpackungen eine ständige Anpassung von Verpackungskonzepten. Die Wahl der Folienmaterialien, des Schichtaufbaus, der Siegeltechnologie, Siegelwerkzeuge und der Prozessparameter wirkt sich auf die Ausformung Siegelnaht aus. Als Resultat hat die Nahtausformung Einfluss auf die Siegelnahtfestigkeit und -dichtigkeit, sowie die Optik. Derzeit werden Verpackungssysteme diskutiert, die zum einen eine Reduzierung bzw. Substitution von Aluminiumschichten, zum anderen eine Verminderung von herkömmlichen Träger- und Siegelschichten hin zu Monomaterial-ähnlichen Verbunden anstreben. Die Auswirkungen dieser Änderungen auf die Siegelnahtausbildung und die Nahtfestigkeit sind aufgrund der vielfältigen Einflussfaktoren und unbekannten Mechanismen beim Trennen komplex.

Das Forschungsvorhaben beabsichtigt die Entwicklung eines simulationsgestützten Verfahrens zur Festigkeits- und Versagensanalyse von Siegelnähten. Es wird ein parametrierbares Modell aufgebaut, durch dessen Anwendung Vorhersagen hinsichtlich des Versagensverhaltens von Siegel- bzw. Schweißnähten getroffen werden können. Mit Hilfe des Simulationsmodells ist es möglich, geometrische und durch die Materialeigenschaften bedingte Einflussfaktoren auf die Siegelnahtfestigkeit zu analysieren.

Das Simulationsmodell ermöglicht Untersuchungen zum:

- Einfluss des Folienverbundaufbaus, bspw. Substitution von Trägerschichten oder Barriereschichten,

- Einfluss der Siegeltechnologie/des Werkzeugs, und

- Einfluss der technologiespezifischen Prozessparameter auf die Siegelnahtausbildung sowie zum

- Einfluss der Siegelnahtausbildung auf die Nahtfestigkeit.

Als Ergebnis entsteht ein Berechnungstool, welches auf Basis der im Projekt untersuchten Materialien die Zusammenhänge zwischen Einflussfaktoren und Nahtfestigkeit darstellen kann. Das Vorhaben richtet sich insbesondere an KMU, die meist nicht über personelle und materielle Kapazitäten verfügen um umfangreiche Tests durchzuführen.

Ergebniszusammenfassung:

• Ergebnis 1 Abbildung des elasto-plastischen Materialverhaltens und Aufbereitung der Materialdaten für die Finite-Elemente-Simulation -> Anwendung: Materialcharakterisierung und Parametrierung zur Verwendung der nicht-linearen Materialdaten in der nicht-linearen Finiten-Elemente-Analyse

• Ergebnis 2 Nachweis des Siegelparameters Siegeldruck auf die Siegelnahtfestigkeit und die charakteristische Siegelnahtausformung -> Anwendung: Berücksichtigung des Einfluss des Siegelparameters Siegeldruck auf die Siegelnahtfestigkeit

• Ergebnis 3 Aufbau von Simulationsmodellen zur Modellierung von Nahtfestigkeitsprüfungen von peelbaren und festversiegelnden Folien unter Berücksichtigung von Siegelnahtgeometrie und Schichtaufbau -> Anwendung: Frei parametrierbare und adaptive Simulationsmodelle zur effektiven Implementierung von Veränderungen des Verbundaufbaus, Materialeigenschaften und Siegelnahtausformungen

• Ergebnis 4 Nachbildung der experimentellen Kraft-Weg-Kurven bei peelbaren Folien mit Hilfe der Simulation bei Bruchbild C -> Anwendung: Numerische Untersuchung der Auswirkungen der Siegelnahtausformung auf den charakteristischen Kraft-Weg-Verlauf im T-Peel-Test

• Ergebnis 5 Ermittlung der Einflussgrößen auf die erzielbare Nahtfestigkeit unter Berücksichtigung von Folienmaterial, Schichtaufbau und Nahtgeometrie -> Anwendung: Numerische Untersuchungen der Einflussfaktoren der Materialeigenschaften der Folien und dem Schichtaufbau auf die Siegelnahtfestigkeit