Aachen, 30.08.2016
In der Pressemitteilungsreihe "Spezialthemen in der CAE-Simulationswelt" gehen wir nunmehr auf das vergrößerte Rissbildungspotential bei Kunststoffprodukten durch die Benetzung mit Flüssigkeiten ein.
Bei den verschiedenen Kunststoffgruppen (Thermoplaste, Elastomere, Duroplaste) zeigen insbesondere die Thermoplaste eine signifikante Gefügeänderung durch eine Benetzung mit Flüssigkeiten. Einen starken Einfluss auf die Kristallitstruktur des Gefüges durch Benetzung zeigen dabei die Polyethylene. Daher wird nunmehr auf die kritische Benetzung von Polyethylen mit Flüssigkeiten näher eingegangen.
Kunststoffe aus Polyethylen werden in der Verpackungsindustrie, der Medizintechnik, der Bauindustrie und anderen Bereichen eingesetzt, die die besonderen Eigenschaften dieses Kunststoffs (niedrige Dichte, gute Verarbeitbarkeit, günstiger Materialpreis) nutzen.
Bei der Auslegung von Kunststoffprodukten aus Polyethylen ist die besondere Empfindlichkeit gegenüber einer Benetzung mit Flüssigkeiten (Wasser, Öle, Chemikalien u.a.) zu berücksichtigen. Aufgrund der Benetzung findet eine Quellung des Kunststoffs und eine damit verbundene Rissförderung statt, die insbesondere durch den Kristallinitätsgrad maßgeblich bestimmt wird. Während Polyethylene mit einer hohen Dichte (PE-HD) respektive Kristallinitätsgrad beständiger sind, nimmt die Rissförderung durch Benetzung bei niedrigeren Dichten (PE-LD ) stärker zu. Noch höhere Dichten liegen beim PE-UHMW und noch niedrigere Dichten beim PE-LLD vor. Aufgrund der Rissförderung durch Netzmitteleinfluss beginnt die Rissbildung bereits weit unterhalb der zulässigen Werkstoffbeanspruchungen ohne Netzmitteleinfluss.
Mittels FEM-Simulationen können die Spannungen im Kunststoffprodukt ermittelt werden. Dabei sind die entsprechenden Randbedingungen für die FEM-Berechnungen festzulegen. Das sind beispielsweise Lagerungsbedingungen, Lasten und Temperaturwechsel. Die materialspezifischen Parameter wie Elastizitätsmodul und Poissonzahl sind bei einer rein linear-mechanischen FEM-Simulation zusätzlich zu definieren. Bei nichtlinearen FEM-Berechnungen sind die nichtlinearen Materialeigenschaften und Randbedingungen zu berücksichtigen.
In einem Kundenprojekt wurden die mechanischen Spannungen eines medizinischen Produktes aus LLDPE zur Aufnahme von DNA-Proben aufgrund der Befüllung und der Montagesituation ermittelt. Im Kunststoffprodukt befindet sich bei der Analyse eine Lösung aus Alkohol, die den Kunststoff LLDPE stark quellen lässt. Es ergaben sich Schwachstellen im Bereich der Verrippungen, die erhöhte mechanische Spannungen aufweisen. Durch eine Gestaltoptimierung der Rippenanbindung an die Behälterwand konnten die mechanischen Spannungen auf ein unkritisches Maß reduziert werden, wobei die durch die Materialquellung starke Reduzierung der ertragbaren Spannungen berücksichtigt wurde. Der Kunde von MORPHOTEC hat die Ergebnisse der FEM-Simulationen anschließend in Bauteilversuchen validieren können. Es ergab sich kein Bauteilversagen mehr aufgrund des Materialquellens. Das Bild in dieser Veröffentlichung zeigt die unkritischen von Mises Spannungen nach der Gestaltoptimierung der Rippenanbindung in die Behältniswand.
Gestaltoptimierung der Rippenanbindung in einem medizinischen LLDPE-Behältnis mittels FEM-Simulation
Spezialtthemen der CAE-Simulationswelt
