Gemeinschaftsforschungsprojekt

Projektpartner

• Ingenieurbüro Feuerherm
• Hochschule Bonn-Rhein-Sieg

Projektförderung

NRW Ziel 2-Programm 2007 – 2013 (EFRE)

Projektbeschreibung

Motivation

Steigende Energie- und Rohstoffpreise verändern das Profil von Blasformartikeln signifikant. Einwegverpackungen, z. B. PET-Flaschen, werden kontinuierlich dünner und leichter. Der Zwang zur globalen Ressourcenschonung wird immer größer. Ein mögliches Einsparpotenzial lässt sich exemplarisch an einem einzelnen Verpackungsartikel von 70 Gramm aufzeigen: Bei nur drei Gramm weniger lassen sich bei einer durchaus realistischen Stückzahl von 10 Millionen Artikeln pro Jahr 30 Tonnen Polymer und knapp € 30.000,- an Kosten sparen. Nach Addition der Herstellkosten entsteht so eine Kosteneinsparung von ca. € 42.400. Wird darüber hinaus die im Blasformprozess, aber auch bei der Herstellung des Materials benötigte Energie betrachtet, ergibt sich für den genannten Artikel beim heutigen Strommix in Deutschland eine Gesamt‑CO₂‑Reduzierung von 387 Tonnen. Das gesamte Einsparpotenzial für die Blasformbranche wird bei einem Blick auf ein Supermarktregal (Wasch- und Reinigungsmittel, Kosmetik, u.v.m.) deutlich.

Ziele

Ziel des Forschungsprojektes „MatRes“ ist eine verbesserte Material- und Ressourceneffizienz für blasgeformte Verpackungsartikel unter drei Liter. Bei gleicher Performance und wachsenden Designansprüchen soll ein deutlich geringeres Gewicht gegenüber heutigen Artikeln erreicht werden. Zwei wesentliche Einflussgrößen, die Form des Artikels sowie die verfahrensbedingte Wanddickenverteilung müssen dafür gleichzeitig betrachtet und optimiert werden. Es ist daher notwendig, Entwicklungswerkzeuge wie die FEM‑Simulation, aber gleichzeitig auch die Verfahrenstechnik / Maschinentechnik deutlich weiter zu entwickeln.

Stand der Technik

Die FEM‑Simulation bietet bereits heute die Möglichkeit für blasgeformte Verpackungen zutreffende Aussagen über deren Verhalten während der Herstellung, des Transports und des Gebrauchs zu treffen. Wichtige Produkteigenschaften, wie der Fall aus einem Regal, oder das Einknicken in einem Verpackungsstapel sind grundsätzlich vorhersagbar. An Grenzen stößt die Aussagekraft der Simulation immer dann, wenn absolute Werte, wie z. B. genaue Fall- oder Stapelhöhen gefragt sind, also die Höhen, bei denen ein Produkt versagt oder bestimmte Grenzwerte aus dem Normen-Regelwerk einzuhalten sind. Hier sindderzeit keine quantitativen zuverlässigen Aussagen möglich. Gründe für auftretende Abweichungen liegen u. a. in den verfahrenstechnischen Besonderheiten des Blasformens, wie der Abhängigkeit der Materialeigenschaften von den Verfahrensparametern. Diese Abweichungen sind für das Blasformen noch nie systematisch und vor allem nicht quantitativ untersucht wurden. Eine weitere verfahrensbedingte Besonderheit ist der Bereich der sog. Quetschnaht. Dieser Bereich ist meist. eine Schwachstelle und hat wesentlichen Einfluss auf das Versagen des gesamten Hohlkörpers. Bisherige Ansätze und Modelle für die Berücksichtigung der Quetschnahtzone in der Simulation sind stark vereinfacht und nicht hinreichend verifiziert. Zurzeit sind keine sicheren Aussagen über das Verhalten in dieser kritischen Zone möglich.

Vorgehen

Die Möglichkeiten der FEM‑Simulation soll während der Projektlaufzeit von drei Jahren derart erweitert und abgesichert werden, dass wesentliche Einflussgrößen wie z. B. die prozessabhängigen Materialdaten, die Quetschnaht oder die Abhängigkeiten von Artikelgestalt und Wanddickenverteilung berücksichtigt werden können und damit auch quantitative Vorhersagen des Produktverhaltens zuverlässig möglich sind. Gelingt dieses, so können die Artikel von vornherein in Richtung „Leichtbau“ und Ressourcenschonung konzipiert werden.

Um eine erweiterte Möglichkeit zur Herstellung von Verpackungsartikeln zu erhalten, wird erstmals eine partielle Wanddickensteuerung (PWDS) für Artikel unter drei Liter entwickelt und eingesetzt. Eine gezielte Anpassung der Wanddickenverteilung in bestimmten Bereichen der Artikel wird damit möglich, wodurch gleichbleibenden Eigenschaften im gesamten Artikel bei reduzierten Wandstärken und damit deutlich geringerem Artikelgewicht erzielt werden können.

Die in MatRes vorgesehenen gekoppelten Entwicklungen von theoretischen Ansätzen (Simulationstechnik) mit praktischen Ansätzen aus der Verfahrenstechnik (PWDS für kleine Artikel) sind letztendlich notwendig, um die theoretisch errechneten und optimierten Wanddickenverteilungen überhaupt fertigen zu können. Gleichzeitig schafft eine abgesicherte Simulation erst die Voraussetzung, dass die Einsparpotenziale des Einsatzes einer PWDS schon im Entwicklungsprozess optimal ausgereizt werden können. Hierdurch können die heute nicht mehr vertretbaren Zeit- und Kostenaufwände durch spätere Änderungen vermieden werden.