Modeling Polymer Flow in Package Sealing Process

Abstract

Sealing of the transverse seal (TS) represents a fundamental step in the assembling of aseptic packages. To prevent the package from being penetrated by gases and pathogens the TS must be tightly sealed. An understanding of the conditions that influence the flow and deformation of polymers is instrumental to designing sealing systems that are reliable and effective. This thesis was focused on constructing models to replicate the sealing conditions and thus gain insight to polymer movement during sealing. Simulation was performed using COMSOL Multiphysics®.

A base simulation model was configured to set up approximate heat transfer in the inner sealing laminate layer. The base model was also used to configure the mechanical properties of the other layers in the PM in the model using available uniaxial test data in compression. Two different simulation models were constructed in the software for five different sealing conditions, to study their feasibility of implementation and accuracy. In the first modelling approach the sealing polymer was simulated as a viscoelastic solid. In the second approach, the sealing polymer was simulated as an inelastic non-Newtonian power law fluid. The accuracy of the models was evaluated by comparing the simulated sealing layer thickness with the thickness of experimentally studied seals. A potential future metric to verify model accuracy of polymer flow was also evaluated.

Attempts to implement the viscoelastic model failed. It is proposed that this problem was associated with the drastic changes in mechanical stiffness across the melt phase transition. The fluid model was successfully solved but failed to produce sufficiently accurate results across all five sealing conditions. The metric was found to be an appropriate method of validating models in future modelling cases.

Popular Abstract (Swedish)

Förpackningar är viktigare än vad man kan tro! De skyddar den värdefulla produkten från oönskade bakterier som kan göra att den blir dålig. För att drycken ska hålla längre så måste förpackningen behandlas för att ta bort allt som kanske kan skada personen som dricker innehållet. Man ser också till att bakterier utanför förpackningen inte kan ta sig in. Detta innebär att förpackningen är aseptisk. Denna form av förpackning har funnits kommersiellt sedan tidigt 1960-tal. Den aspetiska förpackningen har revolutionerat sättet som dryck konsumeras och säljs världen över. Det är en av de viktigaste innovationerna under 1900-talet, när det gäller livsmedel. Tekniken har inneburit att fler människor i världen får tillgång till hygienskt säkerställda livsmedel. Med nya krav på hållbarhet ställs dock förpackningsindustrin inför stora omställningar speciellt när det gäller materialval och återvinning av förpackningar. Detta medför att nya tekniska lösningar måste tas fram som fungerar med de nya materialen. För att lyckas med de stora omställningarna har olika sätt att beräkna hur materialen fungerar med de nya lösningarna fått en allt viktigare roll i utvecklingen. Simulering är ett sätt att beräkna och se hur materialen fungerar. Då kan man se exakt vad som händer i ett visst förlopp och då kanske man kan förbättra hur man bygger förpackningarna.

I detta arbetet har två tillvägagångssätt för att simulera rörelse av förseglingsplasterna i Tetra Paks aseptiska förpackningar tagits fram. Arbetet har syftat till att lägga grunden för ett sätt att modellera hur plasten på insidan av förpackningen förflyttar sig när den utsätts för värme och tryck. Detta är viktigt för att förpackningen faktiskt ska få längre hållbarhet. En dålig försegling kan betyda att produkten inuti förpackningen blir dålig och riskera att konsumenten blir allvarligt sjuk. Med de nya aspetiska förpackningsmaterialen kommer sättet man förseglar på behövas ändras och då är ett klarlagt tillvägagångssätt för hur man simulerar rörelsen av plasten mycket användbar. När man kan se hur plasterna rör sig blir det också enklare att förbättra kvaliteten på förseglingarna.

• author: Wennberg, Filip
• supervisor: Baozhong Zhang
• organization: Centre for Analysis and Synthesis
• course: KPOL01 20201
• year: 2020
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Finite Element Method, FEM, Simulation, Polymer Physics, Polymer Flow, Structural Mechanics, Viscoelasticity, Sealing, Packaging Technology, Polymer Technology, Polymerteknologi
• language: English
• id: 9027030
• date added to LUP: 2020-09-14 13:25:00
• date last changed: 2020-09-14 13:25:00