Das Verhalten von Dichtungen simulieren lohnt sich

Besseres Dichtungsdesign durch Simulation – auch für die Getränkeindustrie (Bild: Trelleborg Sealing Solution Germany GmbH)

02.05.2019 Das Verhalten von Dichtungen simulieren lohnt sich

Beim Dichtungsdesign für die Getränkeindustrie setzt Trelleborg Sealing Solutions auf die Finite-Elemente-Analyse und verkürzt durch Simulationen den Entwicklungsprozess.

Bier ist nach Wasser und Tee das drittbeliebteste Getränk der Welt. Millionen Liter werden jedes Jahr davon gebraut. Von der Maischpfanne über den Braukessel und Kühler bis zum Speichertank werden überall Dichtungen benötigt. Ob einfache O-Ringe, komplexe Formteile oder Formdichtungen – die Produkte von Trelleborg Sealing Solutions gewährleisten, dass das Bier auf sichere und hygienische Weise in Flaschen, Dosen oder Fässer gelangt. Hierbei nutzt man die Finite-Elemente-Analyse (FEA), um das Verhalten von Formteilen unter Einbau- und Anwendungsbedingungen zu simulieren. So lässt sich bereits vor der Prototypenfertigung die Funktion der Dichtung verbessern.

In den meisten Fällen werden Dichtungen speziell für Anwendungen in der Lebensmittel- und Getränkeverarbeitung konzipiert. Hier gilt es, Toträume in und unter einer Dichtung oder in deren Umgebung zu vermeiden, weil dort die Gefahr besteht, dass sich Bakterien oder Mikroorganismen ansammeln und buchstäblich ein Eigenleben entwickeln. Dies kann zu Verunreinigungen durch Keime und Schimmel führen, die unter Umständen eine so genannte Spontaninfektion in einem Getränk auslösen, wodurch es ungenießbar wird. Produktionsausfälle sind die Folge. Mit Hilfe der Finite-Elemente-Analyse (FEA) wird simuliert, wo sich Flüssigkeiten sammeln und wie dies vermieden werden kann. In einer Abfüllanlage lassen sich durch die Beseitigung von Toträumen die Fälle von Spontaninfektion in Getränken reduzieren und die Zahl der Reinigungszyklen verringern. Dies wiederum entlastet die Dichtungen und verlängert so ihre Lebensdauer.

Ein wachsender Trend in der Getränkeindustrie ist der Genuss von Craft Beer. Auch hier kommt bei der Konstruktion der Dichtungen die Finite-Elemente-Analyse zur Anwendung. Rund 17.700 oder 94% aller Brauereien weltweit lassen sich der Kategorie Craft-Beer-Hersteller zuordnen. Oft handelt es sich um Mikrobrauereien, die besonders kompakte Brau- und Abfüllanlagen benötigen. Die Dichtungslösungen müssen an die knapp bemessenen Einbauräume angepasst werden. Mit FEA lässt sich das Verhalten von Dichtungen unter so restriktiven Installations- und Anwendungsbedingungen simulieren. FEA ermöglicht zudem Funktionsverbesserungen von Dichtungen noch vor der Einführung eines Prototyps. In einem frühen Stadium kann man prüfen, ob Formteile und Dichtungen die Leistungserwartungen erfüllen. Das erspart zeitraubende Versuche und Testphasen. Hinzu kommt, dass Dichtungskomponenten einzeln in Brau- und Abfüllanlagen integriert und an den Flüssigkeitsdurchsatz, die jeweilige Geometrie oder die Kostenerwartungen angepasst werden können.

Ein weiterer Trend ist die steigende Nachfrage nach Biermischgetränken. Zunehmend werden dafür eingebaute Mischsysteme verwendet, bei denen die flüssigen Bestandteile direkt in der Rohrleitung gemischt und als homogenes Endprodukt abgefüllt werden. Dichtungslösungen für solche Prozesslinien müssen gegen verschiedene, im Bier vorkommende Bakterien und Hefekulturen sowie gegen Säuren in Limonaden und Fruchtsäften resistent sein. Unter solchen Bedingungen ist es äußerst schwierig, die Dichtungskompatibilität zu gewährleisten. Erreicht werden kann dies z.B. durch die Verwendung von Dichtungen aus einem Perfluorelastomer (FFKM) wie Isolast®. Mit einem Terpolymer aus Monomeren, in dem alle Wasserstoffatome durch Fluor ersetzt werden, erhöht sich die chemische Beständigkeit des Werkstoffs durch den Mangel an Wasserstoff. Die vernetzten Molekülketten kombinieren die Elastizität und Dichtkraft eines Elastomers mit der chemischen Beständigkeit und thermischen Stabilität von Polytetrafluorethylen (PTFE). Wichtig ist auch die universelle Kompatibilität von FFKM, da Brauereien zunehmend kürzere Produktionsläufe wählen. Craft Beer und Biermischgetränke werden meist in kleineren Mengen produziert. Da aber ein und dieselbe Abfüllanlage verschiedene Arten von Bieren und Mischgetränken abfüllt, brauchen Prozesssysteme ein höheres Maß an Flexibilität. Aus diesem Grund müssen Dichtungen gegen verschiedene Bestandteile von Bieren und Biermischgetränken resistent sein.

Darüber hinaus ist vor jedem neuen Produktionslauf eine gründliche Reinigung und Sterilisation der Anlage erforderlich. Allerdings kann häufiges Reinigen mit aggressiven Mitteln eine Standarddichtung schnell zerstören. Eine wirksame und langanhaltende chemische Beständigkeit ist nicht zuletzt auch von großer Bedeutung, wenn es darum geht, die Übertragung von Geschmacks- oder Aromastoffen von einem Getränk zum anderen zu vermeiden.