Simulation eines Dosierventils in der Verpackungstechnik

Das Unternehmen BERICAP ist ein Hersteller von Kunststoffschraubverschlüssen mit Stammsitz in Budenheim. Zu den vielfältigen Verschlussarten zählt unter anderem auch der Klappdeckel mit integriertem Dosierventil. In Abhängigkeit von der zu dosierenden Flüssigkeit sollten verschiedene Dosierventile im Hinblick auf die notwendige Handkraft beim Dosieren entwickelt werden. Die Leichtgängigkeit des Dosierens und die Dichtigkeit waren dabei zwei konkurrierende Zielgrößen. CADFEM führte eine FEM-Simulation mit dem Ziel durch, den Fluidgrenzdruck des Klappvorgangs zu berechnen und zu optimieren. Die nichtlineare statische Analyse des Klappvorgangs stellt ein Durchschlagproblem in Kombination mit einem nichtlinearen elastischen Kunststoffverhalten dar. Dabei wurde der Einfluss der Designgeometrie des Ventils auf das Öffnungsverhalten untersucht.

Basierend auf der ausgearbeiteten Analysestrategie kann mit Hilfe einer Parametrisierung eine Vielzahl von Designvarianten automatisiert untersucht werden, um die am besten geeignete Lösung zu finden. Durch die Optimierung der Geometrie und die Vorhersage der entsprechenden Bedienkraft für das Dosierventils lässt sich die Anzahl der erforderlichen Prototypen reduzieren. Da für das Werkzeug einer Musterkavität mit etwa sechs Wochen Lieferzeit zu rechnen ist, kann BERICAP durch die Simulationen mit den virtuellen Prototypen sowohl Entwicklungszeiten als auch Kosten einsparen.

Im Vorfeld der virtuellen Erprobung wurden Materialproben des Membran-Kunststoffs im Labor von DatapointLabs untersucht. Die Messergebnisse wurden zusammen mit gefitteten Materialparametern für die in ANSYS verfügbaren isotropen hyperelastischen Materialgesetze geliefert. Aufgrund des im Klappvorgang auftretenden Dehnungsbereichs und der Residuen der Messkurvenanpassung ließ sich ein geeignetes Materialmodell für die Membransimulation auswählen. Ein effizientes Viertelmodell in Ansys Mechanical ermöglichte vielfältige Variantenstudien und eine genaue Vorhersage, bei welchem Fluiddruck das Ventil sich plötzlich öffnet. Während der Lösung des Instabilitätsproblems sorgte ein verbessertes Bogenlängenverfahren für eine hohe Robustheit bei der Analyse der Fluiddruck-Verschiebungskurve über den Durchschlagpunkt hinaus.