Fügen und Formen polymerer Packstoffe
Forschungsschwerpunkte der Gruppe Fügen und Formen polymerer Packstoffe
Das Formen von polymeren Packstoffen bspw. zu Beuteln, Bechern oder Schalen sowie das anschließende stoffschlüssige Verbinden bzw. Verschließen von Verpackungen, stellen bedeutende Verarbeitungsverfahren in der Verpackungstechnik dar. Beim Schweißen bzw. Siegeln stehen dabei Dichtigkeit und Festigkeit der Siegelnaht im Vordergrund der Betrachtungen. Bei thermogeformten Verpackungen hat die Wanddicke bzw. deren Verteilung entscheidenden Einfluss auf die Formstabilität und Barrierewirkung.
Die Gruppe Fügen und Formen polymerer Packstoffe der Professur Verarbeitungsmaschinen und Verarbeitungstechnik befasst sich mit der Analyse und Modellierung von Schweiß- bzw. Siegelverfahren. Der Fokus der wissenschaftlichen Arbeiten liegt auf der Untersuchung von Nahtbildungsvorgängen beim:
- Wärmekontaktsiegeln und
- Ultraschallsiegelverfahren
Dabei werden insbesondere die Einflüsse der zumeist polyolefinen Siegelmaterialeigenschaften untersucht um Zusammenhänge zw. spezifischen Eigenschaften und Qualitätsparametern abzuleiten. Neben den Fügeverfahren stellt die Analyse und Modellierung des Thermoformvorgangs einen weiteren Arbeitsschwerpunkt dar. Dabei liegt der Fokus auf der Simulation des Thermoformvorganges, wozu neben der Modellerstellung auch die Charakterisierung der relevanten Materialeigenschaften und die Parametrisierung verschiedener Materialmodelle zählt. Durch numerische Berechnungen des Stauchverhaltens thermogeformter Packmittel können Ansätze zur Geometrieoptimierung der Verpackungen sowie der Prozessführungsparameter abgeleitet werden.
Experimentelle Prozessanalyse
Zur Analyse der Prozesse stehen an der Professur verschiedene Laborgeräte in klimatisierten Laborräumen für das Ultraschallsiegelverfahren und das Wärmekontaktsiegelverfahren mit dauer- und impulsbeheizten Siegelbacken zur Verfügung.
Für die Prozessanalyse werden beispielsweise folgende Mess- und Prüfmethoden eingesetzt:
- Infrarotthermografie
- mech. Materialcharakterisierung
- Thermoelementmessungen
- Hot- und Cold-Tack Messungen
- Peelkraftmessungen
- Nahtfestigkeitsmessungen
- In-situ Siegelnaht Bruchanalyse
- Analysen an Mikrotomschnitten
- Dichtigkeitsmessung mittels Gasdetektions- oder Druckabfallmethode
Simulation und Modellbildung
Neben der experimentellen Analyse stellt ein weiterer Schwerpunkt die Modellbildung dar. Dazu wird vorrangig die Finite-Elemente-Methode genutzt, die eine numerische Berechnung der nichtlinearen gekoppelten thermisch - mechanischen und teilweise strömungsmechanischen Vorgänge erlaubt. Eingesetzt werden dazu bspw. FE-Programme, wie:
– ANSYS®,
– ABAQUS® oder
– LS-DYNA®.
Dies erlaubt beispielsweise die Betrachtung des Einflusses der Gestaltung der Siegelwerkzeuggeometrie auf die Temperaturverteilung während der Siegelung sowie die auftretenden Spannungen und Dehnungen in den einzelnen Packstofflagen, wodurch sich mögliche Schädigungen der Verbundfolien bzw. ihrer Einzelschichten oder die Bildung von Kapillaren und Lufteinschlüssen ableiten lassen.
Berechnetes Verformungsverhalten eines Beutels (li.) und Stauchbelastung eines thermogeformten Bechers (re.)
Aktuelle Forschungsarbeiten befassen sich mit der modellbasierten Betrachtung des Verhaltens flexibler und formstabiler Verpackungen unter Belastung, wie sie beispielsweise in Transport-, Lager- oder Umschalgsprozessen auftreten können. Die Modellierung und Berechnung der Beanspruchungen der Verpackung soll eine gezielte Auswahl von Packstoffen bzw. Verbundaufbauten sowie die Optimierung hinsichtlich der gestellten Anforderungen ermöglichen
Aktuelle Forschungsprojekte
Eine Übersicht weiterer Forschungsprojekte finden Sie hier.
Kontakt
© Nils Eisfeld
Verarbeitungssysteme
NameDipl.-Ing. Norbert Bunk
Arbeitsgebiet Fügen und Formen polymerer Packstoffe
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