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Studentische Arbeit

Simulationsgestützte Barriereoptimierung für PCR-Verpackungen

Bachelorarbeit oder Masterarbeit

Ziel der Abschlussarbeit ist die Entwicklung und Anwendung eines Simulationsmodells zur Analyse und Optimierung der Prozessgasverteilung in Hohlkörpern aus PCR basierten Verpackungsmaterialien.
Stuwi-Simulationsgestützte Barriereoptimierung für PCR-Verpackungen© IKV
Abbildung 1: Illustration eines iterativen Ansatzes zur Entwicklung von funktionalen Schichten mittels PECVD-Prozess.

Thema der Arbeit:

Die Verpackungsindustrie steht vor einer bedeutenden regulatorischen und technologischen Herausforderung: Ab dem Jahr 2030 sind Hersteller verpflichtet, einen festgelegten Mindestanteil an Rezyklaten in Verpackungen einzusetzen. Diese Vorgabe zielt darauf ab, den Ressourcenverbrauch zu reduzieren und die Kreislaufwirtschaft im Bereich der Kunststoffverpackungen nachhaltig zu stärken. In der praktischen Umsetzung zeigt sich jedoch, dass insbesondere bei Post-Consumer-Rezyklaten (PCR) derzeit Einschränkungen hinsichtlich der erforderlichen Barriereeigenschaften bestehen. Dies betrifft vor allem die zuverlässige Retention potenziell migrierender Substanzen, die für zahlreiche Verpackungsanwendungen von zentraler Bedeutung ist.

Vor diesem Hintergrund verfolgt unsere Plasmagruppe das Ziel, die Barriereeigenschaften von Verpackungsmaterialien auf Basis von PCR durch den gezielten Einsatz der Plasmatechnologie signifikant zu verbessern. Im Fokus steht dabei insbesondere die Entwicklung effektiver Migrationsbarrieren, die eine sichere Anwendung von Rezyklaten in anspruchsvollen Verpackungssystemen ermöglichen. Ziel ist es, der Industrie ein technologisch leistungsfähiges und zugleich wirtschaftlich tragfähiges Instrument bereitzustellen, mit dem sich die geforderten Qualitäts- und Sicherheitsstandards nachhaltig erfüllen lassen.

Trotz unserer umfangreichen Expertise in der Entwicklung von Barrierebeschichtungen besteht weiterhin Optimierungspotenzial. Das für den Beschichtungsprozess erforderliche Prozessgas wird über Gaslanzen in das zu beschichtende Medium eingebracht. Zur Gewährleistung einer homogenen Gasverteilung, die eine gleichmäßige Ausbildung der Barriereschicht sicherstellt, ist eine strömungsmechanische Optimierung der Gaslanzen erforderlich. Dadurch kann die Leistungsfähigkeit der Barriereschicht signifikant gesteigert werden.

Zielsetzung:

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Simulationsmodell zur Beschreibung der Gasverteilung in Hohlkörperproben entwickelt, die in unserem Plasmareaktor mittels PECVD beschichtet werden. Ziel ist es, die Strömungs- und Verteilungscharakteristika der Prozessgase zu modellieren und zu evaluieren, um eine möglichst homogene Gasverteilung innerhalb der Hohlkörper sicherzustellen. Hierzu werden unterschiedliche Geometrien untersucht, wobei insbesondere die Gaseinleitung variiert wird, um eine gleichmäßige und effiziente Durchströmung des Hohlkörperinneren zu erreichen.

Zur schrittweisen Entwicklung und zum besseren Verständnis des Modells werden zunächst vereinfachte zylindrische Geometrien simuliert. Aufbauend auf diesen Ergebnissen erfolgt anschließend die Übertragung auf komplexere Hohlkörperstrukturen.

Abschließend wird das entwickelte Modell an einem unserer Reaktoren experimentell validiert, um die Simulationsergebnisse mit realen Prozessbedingungen zu vergleichen und deren Aussagekraft zu überprüfen. Abhängig vom Umfang der Arbeit kann darüber hinaus eine Übertragung auf komplexere Geometrien erfolgen, die anschließend ebenfalls experimentell validiert werden.

Deine Aufgaben:

Entwicklung eines Simulationsmodells zur Beschreibung der Gasverteilung in einem zylindrischen Hohlkörper Übertragung und Erweiterung des Modells auf komplexere Geometrien, z.B. Kegelstümpfe, sowie Untersuchung von Gasführungen in unmittelbarer Wandnähe
Experimentelle Validierung des entwickelten Simulationsmodells Experimentelle Validierung der Simulationsergebnisse für diese erweiterten Geometrien

Selbstverständlich werden der konkrete inhaltliche Umfang sowie der Zeitplan der Abschlussarbeit in Abstimmung mit dir individuell festgelegt, wobei insbesondere deine Vorkenntnisse berücksichtigt werden.

Dein Profil:

  • Technisches oder naturwissenschaftliches Studium (z. B. Maschinenbau, Wirtschaftsingenieurwesen, Materialwissenschaften, Umweltingenieurwissenschaften…)
  • Lernbereitschaft für die Einarbeitung in neue Problemstellungen rund um die Plasmatechnik
  • Selbstständige und strukturierte Arbeitsweise
  • Erste Erfahrungen in einem Laborumfeld sind wünschenswert, aber nicht notwendig
  • Erste Erfahrungen mit simulativen arbeiten sind wünschenswert, aber nicht notwendig

Die AG Plasma bietet dir ein offenes, junges Team, in dem du und deine Fähigkeiten im Zuge deiner Abschlussarbeit wachsen können, mit klaren Zielen und abwechslungsreichen Aufgaben. Wenn du daran Interesse hast, die Kunststofftechnik mit deinen kreativen Ideen mitzugestalten, melde dich sehr gerne bei mir!