Experimental investigation of bio-based plastic films and development of a finite element model for the biomimetic optimization of stretch foils

Abstract

Diese Arbeit ist Teil des FFG Projekts “EFFIE – Effizientere, biobasierte und recyclebare Stretchfolie” mit der Projektnummer 871446 der FTI-Initiative “Produktion der Zukunft”. Das Ziel des Projekts ist, eine konventionelle, erdöl-basierte Wickelfolie für Supermarkt-Palettenverpackungen durch eine biobasierte, recycelbare Wickelfolie zu ersetzen. Da biobasierte Kunststoffe meist teurer sind, werden funktionale Strukturdesigns entwickelt, um Material zu sparen. Mit der biomimetischen Lösungsmethode wird die Entstehung optimaler Formen in der Natur als Vorlage für Foliendesigns herangezogen. FE-Simulationen werden eingesetzt, um Materialverhalten bei mechanischen Zugversuchen zu beschreiben und eine iterative Topologieoptimierungsmethode wird zur Berechnung geeigneter Muster verwendet. Das Ergebnis ist ein funktionelles und materialsparendes Strukturdesign. Mit oberflächenanalytischen Methoden werden die Spannungsspitzen und die Rissfortpflanzung der gestreckten strukturierten Folie untersucht.

This thesis is part of the FFG project “EFFIE – More Efficient, Bio-based and Recyclable Stretch-foil”, project number 871446, of the RTI initiative “Production of the Future”. The project’s goal is to replace a conventional, petroleum-based wrapping foil for supermarket pallet packaging with a bio-based, recyclable stretch foil. Since bio-based plastics are usually more expensive, functional structure designs are developed to save material. The biomimetic approach is applied by using the creation of optimal shapes in Nature as a template for foil designs. FE simulations are used to model material behavior in mechanical tensile tests, and an iterative topology optimization method is used to calculate suitable patterns. The result is a functional and material-saving structure design. Surface analytical methods are used to examine the stress peaks and crack propagation of stretched structured films.