Die folgenden Bauteile wurden im Auftrag der BRITA GmbH untersucht und sind gute Beispiele für einen Optimierungsprozess hin zu weniger Material und besserer Qualität. BRITA produziert u.a. Wasserfilter und engagiert sich sehr stark im Bereich des Recyclings.
Hier zeigt sich besonders gut, welchen Einfluss eine nachhaltige Denkweise auf den kompletten Produktzyklus haben kann. Erklärtes Ziel war eine signifikante Gewichts- und Materialreduktion, um Ressourcen zu schonen und zukünftig noch effektiver zu produzieren.
Wie genau hilft die Simulation hier?
Vor der Optimierung für den Einsatz mithilfe von Struktursimulation ist ein Bauteil hinsichtlich seiner Fertigung zu untersuchen. Daher wurden die Design-Varianten zuerst auf Ihre Herstellbarkeit untersucht. Unter Verwendung geeigneter Materialdaten wurden Spritzgießsimulationen durchgeführt und das Bauteil hinsichtlich Gesamtstruktur und Wanddicken optimiert. Somit konnte eine einwandfreie Fertigung gewährleistet werden, ohne zu viel Material zum Einsatz zu bringen und so auch den Energieaufwand gering zu halten und die Zykluszeit zu verkürzen.
Zudem wurden Schwindung und Verzug analysiert, um mit entsprechender Vorhaltung die gewünschten Maße einhalten zu können. Im Falle der Filterkartuschen von BRITA ist das sehr entscheidend, denn diese werden aus einzelnen Bauteilen reibverschweißt. Damit diese Verbindungen selbst unter Druck noch bestehen, müssen relevante Maße zuverlässig eingehalten werden.
Ein weiterer Vorteil der Spritzgießsimulation ist, dass hierbei für faserverstärkte Kunststoffe die genaue Lage der Fasern berechnet wird. Nur durch die Berücksichtigung der sich daraus ergebenden anisotropen Eigenschaften kann in der Folge eine möglichst realitätsnahe Simulation des mechanischen Verhaltens erfolgen.
Mittels der Software Converse von PART Engineering wurden diese Daten in die Struktursimulation übertragen und die Lastsituationen Betriebsdruck und Überdruck untersucht. Der Überdruckfall ist gesetzlich vorgegeben und dient der Sicherheit im Betrieb der Kartuschen. Während der Überdruck einer einmaligen Last entspricht, sind Betriebsdrücke eine langzeitige Last oder können, wenn sich die Druckstufen häufig ändern, als zyklische Last betrachtet werden.
Mit S-Life Plastics von PART Engineering lassen sich diese verschiedenen Lastarten auf einfache Weise für Kunststoffkomponenten überprüfen und sowohl die statische Festigkeit als auch die Ermüdungsfestigkeit gewährleisten. Auf diese Weise wurden die Kartuschen von BRITA im Sinne der Nachhaltigkeit optimiert.
Was Wasserfilter mit Nachhaltigkeit zu tun haben
Wer über Nachhaltigkeit, Umwelt- und Klimaschutz spricht, kommt um das Thema Kunststoff nicht herum. Insbesondere Einwegflaschen stehen in der Kritik, denn mit ihrer Produktion geht neben dem Verbrauch von Ressourcen und dem Ausstoß von CO2 auch die Entstehung von Kunststoffmüll einher.
Ein besserer Weg kann es sein, statt abgefülltem Wasser Leitungswasser zu trinken. Hier kann ein Wasserfilter helfen, Kalk im Wasser zu reduzieren sowie geschmacksstörende Stoffe herauszufiltern und so den Geschmack des Trinkwassers zu verbessern. So entfällt der Kauf von Wasser in Flaschen – das schont die Ressourcen, verringert den Ausstoß von CO2 und spart darüber hinaus auch noch Zeit und Geld.
Mit Wasserfiltern kann man dazu beitragen, Kunststoffmüll zu reduzieren. Doch wieso sollte das nachhaltiger sein als Kunststoffflaschen, wenn die Wasserfilter und Kartuschen doch ebenfalls aus Kunststoff bestehen? Der entscheidende Unterschied liegt in der Nutzungsdauer und der Gesamtmenge getrunkenen Wassers. Der CO2-Ausstoß von einem Liter BRITA-gefiltertem Wasser ist im Vergleich zu einem Liter Flaschenwasser fast 25-mal geringer.
Zudem liegt der BRITA GmbH der sorgfältige Umgang mit natürlichen Ressourcen und Abfallvermeidung besonders am Herzen. Deswegen werden die verbrauchten Kartuschen konsequent recycelt und dadurch nicht nur Müll vermieden, sondern auch die CO2 -Bilanz der Wasserfilter gesenkt.
Die verwendeten Werkstoffe bestehen zum Großteil aus recycelbaren Kunststoffen. So setzt sich z. B. die Hülle der PURITY C-Kartusche aus PP und Glasfasern zusammen. Im Inneren sind Bauteile und Vliese aus PP und PET verarbeitet. Alle diese Materialien sind recycelbar.
Für die BRITA Professional-Kartuschen werden Kunststoffe verwendet, weil sie druckstabil sein müssen, das Material für Trinkwasseranwendungen zugelassen sein muss und nicht zu schwer oder zu teuer sein sollte. Aus diesem Grund ist es hier besonders wichtig, dieses Bauteil optimal zu gestalten.
Durch den Einsatz der Simulation konnte dies erreicht und bei verschiedenen Bauteilen bis zu 26% Material eingespart werden. So wird möglichst wenig fabrikneues Material in den Kreislauf gebracht. Auch bei Neuentwicklungen wird die Simulation wieder eine entscheidende Rolle einnehmen. Das hilft uns Ziele zu erreichen, wie etwa dem Einsatz von mehr recyceltem Filtermaterial in neuen Kartuschen als bisher und der Klimaneutralität unserer Geschäftsaktivitäten durch die Reduzierung der CO2-Emissionen, sowie die Unterstützung nachhaltiger Kompensationsprojekte.
Autoren:
Anita Brill, Expert Pressurized Filter Products, BRITA GmbH, Taunusstein
Jochen Zöller, Senior Manager, Product Development, BRITA GmbH, Taunusstein
Sascha Pazour, FEA Engineer & Software Sales, PART Engineering GmbH, Bergisch Gladbach
