Spezialthemen der CAE-Simulationswelt, Optimierung eines PET Flaschenbodens

Spezialthemen der CAE-Simulationswelt, Optimierung eines PET Flaschenbodens

In der Reihe »Spezialthemen in der CAE Simulationswelt« geht Morphotec nunmehr auf die Formoptimierung eines PET Flaschenbodens ein.

Eine #PET #Flasche soll möglichst wenig Material benötigen und gleichzeitig dem Gewicht der aufgenommenen Flüssigkeit samt beigemischter Kohlensäure standhalten. Darüber hinaus muss die Flasche in geöffnetem Zustand eine genügende laterale Steifigkeit aufweisen, um sie in der Hand halten zu können sowie beim Transport den axialen Stapellasten in geschlossenem Zustand standhalten. Das vorwiegend verwendete Verfahren zur Herstellung von PET-Kunststoffflaschen ist das Streckblasen. Ein spritzgegossener PET Rohling wird hierbei in dem Blasformwerkzeug eingespannt und vorgeheizt. Mittels eines sogenannten Reckdorns wird die Vorform in Längsrichtung und durch zugeführte Druckluft in Umfangsrichtung gestreckt. Dadurch orientieren sich die Molekülketten in biaxialer Richtung was zu einer höheren Festigkeit bei Verminderung der Wanddicke führt. Bei diesem Verfahren wird ein überwiegender Anteil der anfallenden Produktionskosten allein durch das Material bestimmt.

Im Rahmen eines Forschungsprojektes wurde ein PET Flaschenboden mit dem Ziel der Materialeinsatzminimierung bei Vorgaben für die axiale und laterale Steifigkeit entwickelt. Zum Einsatz kam dabei die Formoptimierung und Wanddickenoptimierung. In einem sich anschließenden Forschungsprojekt wird derzeit die Topographieoptimierung an der Gesamtflasche durchgeführt. Nach Abschluss des Projektes erfolgt eine Pressemitteilung.

Bei der Formoptimierung wird die Oberflächenstruktur des PET Flaschenbodens direkt über die Knotenverschiebungen der Finiten Elemente optimiert. Die Wanddickenoptimierung verändert die Dicken der Finite Elemente respektive der Flaschenwand. Beide Verfahren folgen dem Ziel, Material im Flaschenboden einzusparen, wobei die Verformung des Bodens insbesondere in axialer Richtung der Flasche unter einer definierten Grenze bleiben muss, um die Stabilität der Flasche nicht zu gefährden.

Im Bild links sieht man die Ausgangssituation des PET Flaschenbodens. Es zeigt das #CAD Modell mit 4 Bodensicken. Die Finite-Elemente-Analyse ergab bei einem maximalen Innendruck von 7 bar zu große Verformungen, die die Stabilität der Gesamtflasche gefährden. Daher wurde eine Bodenstruktur mit 6 Sicken konstruiert, die eine entsprechende Grundstabilität aufweist.

Die Form- und Wanddickenoptimierung wurde schlussendlich an der Bodengeometrie mit 6 Sicken durchgeführt. Im Bild rechts ist das Verformungsergebnis dargestellt, dass den Anforderungen im Hinblick auf eine Grenzverformung genügt. Die Materialersparnis gegenüber der Grundgeometrie mit 5 Bodensicken beträgt 4,2 Prozent, was bei einer Stückzahl der produzierten PET Flaschen im Millionenbereich zu einer erheblichen Rohstoffeinsparungen führt.