Simulationsbasierte Festigkeits- und Versagensanalyse von peelbaren und festversiegelnden Siegelnähten

Einfluss der Siegelnahtgeometrie auf die Siegelnahtfestigkeit von Folienverpackungen

 

Wichtige Qualitätskriterien peelbarer Verpackungen in der Lebensmittel-, Pharma- und Kosmetikbranche sind sowohl die zuverlässige Dichtigkeit der Siegelnähte das als auch ein verbraucherfreundliches Easy-Opening-Verhalten. Beim Wärmekontaktsiegeln kommt es bei hohen Siegeldrücken zu einem starken Schmelzefluss des Siegelmaterials und damit zum Entstehen von ausgeprägten Siegelwülsten. Diese wiederum können die Funktionalität von Verpackung z. B. durch den Verlust der Peelbarkeit stark einschränken.

Bisher wurden jedoch weder der Einfluss des Siegeldrucks auf die Siegelnahtgeometrie noch die Beeinflussung der Siegelnahtfestigkeit durch die Geometrie der Siegenaht methodisch untersucht. 

 

Simulationsgestützte Festigkeits- und Versagensanalyse von Siegelnähten  

 

Im AiF-Projekt »Seal Strength Simulation« wurde daher ein Verfahren entwickelt, das es ermöglicht, Einflussfaktoren wie Siegelnahtgeometrie und Materialeigenschaften des Folienverbundes auf die Siegelnahtfestigkeit numerisch zu analysieren.

Dafür wurde zunächst der Einfluss des Folienaufbaus und der Siegelparameter auf die Siegelnahtausformung sowie die Nahtfestigkeit experimentell untersucht. Im zweiten Schritt erfolgte darauf aufbauend die Entwicklung einer Simulationsmethode und eines Simulationsmodells zur Vorhersage des Festigkeitsverhalten von Siegelnähten. 

Für die Entwicklung der Simulationsmethode wurden aus der Analyse des Bruchmechanismus und der Nahtfestigkeit im experimentellen Teil des Projekts ein Bruchmodell zur Beschreibung des Rissfortschritts abgeleitet und die Geometrie der Siegelnahtausformung und des Schichtaufbau der gesiegelten Folien anhand von Mikroskopaufnahmen in CAD-Daten überführt. Die Siegelnahtgeometrie und die Informationen über den Schichtaufbau sind dabei mithilfe der CAD-Daten vernetzt. 

Für das Simulationsmodell wurden anschießend die in der Simulationsmethode entwickelten Parameter und Charakteristiken in eine kommerzielle Finite-Elemente- Software (FE-Software) überführt, die Siegelnahtgeometrie und die einzelnen Schichten gleichmäßig vernetzt und die Nahtfestigkeitsprüfung in Form des T-Peel-Tests (DIN 55529) simuliert. 

Sowohl der experimentelle Teil als auch die FE-Simulation haben bestätigt, dass die Siegelnahtausformung mit den dazu gehörenden Wülsten und Kerben ein relevanter Einflussfaktor auf die Trenn- und Anrisskraft bei peelbaren Folienverbunden ist und daher bei der Prozess- und Materialauslegung des Packstoffs berücksichtigt werden muss. 

 

Optimierung des Entwicklungsprozesses von Foliensystemen und Verpackungen

 

Mit Hilfe des im Projekt erarbeiteten Simulationsmodells lassen sich unbekannte Einflussgrößen der einzelnen Folienverbundschichten, wie etwa des Trägermaterials oder der Barriereschichten, auf die zu erwartende Siegelnahtfestigkeit vorausberechnen. Das frei parametrierbare Simulationsmodell ermöglicht eine einfache Anpassung der Geometrie, der Materialeigenschaften sowie der Siegelnahtausformung. Gleichzeitig lassen sich anhand der numerisch berechneten Ergebnissen optimierten Materialeigenschaften, Schichtaufbauten und Siegelnahtgeometrien für eine qualitätsgerechte Siegelnahtfestigkeit ableiten. 

Die Möglichkeit der numerischen Berechnung des Einflusses der Siegelnahtausformung, den Schichtaufbau und die Materialeigenschaften der Einzelfolien auf die Siegelnahtfestigkeit ermöglicht es den Unternehmen im Entwicklungsprozess ressourcenintensive Anpassungen ihrer Foliensysteme zu reduzieren. Mit Hilfe des im Projekt erarbeiteten Simulationsmodells lassen sich unbekannte Einflussgrößen von einzelnen Folienverbundschichten wie Trägermaterial oder Barriereschichten auf die zu erwartende Siegelnahtfestigkeit vorausberechnen. Das frei parametrierbare Simulationsmodell ermöglicht die einfache Anpassung der Geometrie, der Materialeigenschaften und der Siegelnahtausformung. Aus den numerisch berechneten Ergebnissen lassen sich optimierte Materialeigenschaften, Schichtaufbauten und Siegelnahtgeometrien für eine qualitätsgerechte Siegelnahtfestigkeit berechnen. 

Haben Sie Fragen oder wünschen Sie weitere Informationen zu unserem Forschungsprojekt?  Wenden Sie sich gerne an uns!

 

Das IGF-Forschungsvorhaben »Seal Strength Simulation« (IGF-Vorhaben Nr. 20657 N) der Industrievereinigung für Lebensmitteltechnologie und Verpackung IVLV e.V. wurde über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz BMWK aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

 

Projektinformationen Seal Strenght Simulation

 

Projektlaufzeit	1. April 2019 bis 31. Dezember 2021
Fördernummer	20657 N
Projektträger /Zuwendungsgeber:	Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschung AiF (über Industrievereinigung für Lebensmitteltechnologie und Verpackung e. V. - IVLV) /Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz BMWK