Projektbeschreibung

Inhaltsbeschreibung / Ergebnisse

Kunststoffverpackungen, wie Flaschen, Behälter oder Kanister müssen heute aus ökonomischen und ökologischen Gründen ein niedriges Gewicht aufweisen und sind daher sehr dünnwandig ausgeführt. Gleichzeitig müssen diese Verpackungen kundenspezifische oder gesetzliche Anforderungen bzgl. Stapelfähigkeit, Innendruck- oder Fallfestigkeit etc. erfüllen. Denn Kunststoffe neigen unter Raumtemperatur und auch schon bei kleinsten Beanspruchungen zum so genannten Kriechen. Dadurch kommt es bei den leichten und dünnwandigen Verpackungen zu lokalen Instabilitäten, wie beispielsweise Beuleffekten, die letztendlich ein Versagen der Verpackungen schon im Regal hervorrufen können. In der konstruktiven Gestaltung dieser Verpackungskörper müssen daher diese Auswirkungen berücksichtigt werden.

Ein Ziel dieser Arbeit ist die Erstellung eines theoretischen Ansatzes, mit dem das Kriechbeulen an einem blasgeformten Verpackungskörper beschrieben werden kann. Hierzu werden die im FEM-Softwaresystem ABAQUS implementierten Materialmodelle getestet und bewertet.

Ein weiteres Ziel der Arbeit ist die experimentelle Ermittlung zeitabhängiger Materialkenndaten nach DIN EN ISO 899-1. Für die Kennwertermittlung ist im Rahmen dieser Arbeit ein normkonformer Prüfstand entwickelt, aufgebaut und in Betrieb genommen worden. Für die Bewertung der theoretischen Ansätze können somit Materialkenndaten für den wichtigen Zeitbereich von 0 bis 100 Stunden ermittelt werden. In diesem Zeitbereich werden die Kriechbeuleffekte bei den leichten Kunststoffverpackungen erwartet. Materialkenndaten, die für diesen Zeitbereich gültig sind, sind in der Literatur kaum zu finden oder werden von den Rohstofflieferanten nur unzureichend oder gar nicht zur Verfügung gestellt.

Obwohl in dieser Arbeit nur auf die in ABAQUS implementierten linearen visko-elastische Materialansätze zurückgegriffen wurde, führte der direkte Vergleich mit der Realität zu qualitativ sowie auch quantitativ guten Übereinstimmungen der Ergebnisse. Kriech- und Beuleffekte konnten an Verpackungskörpern im zeitlichen Verlauf nachgewiesen werden. Im Weiteren zeigte sich jedoch, dass eine Erweiterung der in ABAQUS implementierten linearen Materialgesetze auf nichtlineare Ansätze notwendig ist, um Problemstellungen, die deutlich über 100 Stunden liegen, realitätsgetreu zu beschreiben.

Die Untersuchung der Produkteigenschaften, ob im Kurz- oder Langzeitverhalten werden ebenfalls nach genormten Prüfverfahren durchgeführt. Das Langzeitverhalten von Verpackungskörpern wird dabei sehr oft im sogenannten Stapeltest überprüft. Im Rahmen dieser Arbeit ist auch für den Stapeltest ein Prüfstand entwickelt, aufgebaut und in Betrieb genommen worden.

In praktischen Untersuchungsreihen konnten an verschiedenen Verpackungskörpern typische Deformationen auf Grund von Kriech- und Beuleffekten im Zeitbereich bis 100 Stunden beobachtet werden. Mit den ermittelten zeitabhängigen Materialkenndaten und einem speziellen FEM-Modell sind diese im Versuch beobachteten Effekte auch mit Hilfe der Simulation ermittelt worden. Somit ist es heute möglich, Kriech- und Beuleffekte an Verpackungskörpern im Zeitbereich von 100 Stunden in der Entwicklung dieser Körper zu berücksichtigen.