Implementierung und Kalibrierung eines orthotropen Versagenskriteriums für PET in die integrative Simulation des zweistufigen Streckblasprozesses

Abstract

Im zweistufigen Streckblasprozess werden etwa 70 % der Produktionskosten von Kunststoffflaschen für das zu verarbeitende Material aufgewendet. Daher sind die Unternehmen der Streckblasbranche bestrebt, die Gesamtkosten zur Flaschenherstellung über einen reduzierten Materialeinsatz zu senken. Der Schlüsselfaktor liegt in der Auslegung des Preforms und der Bestimmung der dazugehörigen Verarbeitungseinstellungen. Die Preformund Prozessauslegung wird in der Industrie zunehmend durch Simulationswerkzeuge unterstützt, sodass Entwicklungszeiten und -kosten reduziert werden können. Für die effiziente Auslegung der Preforms bis in den Grenzbereich der Materialien sind Kenntnisse des Materialverhaltens bis zum Materialversagen notwendig. Das Ziel dieses Forschungsvorhabens war daher die Kalibrierung und Implementierung eines Versagenskriteriums in die integrative Simulation des zweistufigen Streckblasprozesses zur Vorhersage eines möglichen Materialversagens bei der Verarbeitung leichter Preforms. Die Basis für die Vorhersage möglichen Materialversagens bildet ein Materialmodell, welches bis zum Bereich des Versagens kalibriert wurde. Dazu wurde ein Membran-Inflations-Rheometer modifiziert, sodass dehnrheologischen Materialdaten von Polyethylenterephthalat-Folien (PET) unter biaxialer Dehnung mit variierenden Verstreckgeschwindigkeiten in einem weiten Temperaturbereich bis zum Materialversagen ermittelt werden können. Mit diesen Messdaten wurde ein temperatur- und dehnratenabhängiges Yeoh-Modell zur Beschreibung des Materialverhaltens für die Umformsimulation kalibriert. Das Versagensmodell ist temperatur- und dehnratenabhängig und beschreibt die Dehnung und Spannung im Versagenszustand. Als Materialversagen wurde der sogenannte Weißbruch definiert, d.h. die bei hoch verstreckten teilkristallinen Kunststoffen auftretende Weißfärbung. Weiterhin wurde auch das Materialversagen beschrieben, bei dem ein Bruch des Materials auftritt. Das Versagensmodell wurde mit den mittels Membran-Inflations-Rheometer ermittelten Materialdaten kalibriert. Die Validierung erfolgt qualitativ im Streckblasprozess. Im kalibrierten Bereich des Materialmodells kann die Prozesssimulation den Streckblasprozess sehr gut abbilden und sowohl Weißbruch als auch Materialbruch vorhersagen. Damit bietet die Simulation ein wichtiges Werkzeug für die Auslegung leichter Preforms bei extremen Verstreckgraden knapp unterhalb der Versagensgrenze. Das Ergebnis des Forschungsvorhabens sind ein Maximaldehnungs- und Maximalspannungsversagenskriterium für PET im Streckblasprozess und deren Bewertung. Neben diesem direkten Ergebnis wurde ein Erkenntnisgewinn im Bereich der hohen Verstreckung von PET angestrebt, der dazu genutzt werden kann, bei sehr leichten Preforms weiter Material einzusparen.

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