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Grundlagen der umformgerechten Papierherstellung

 

Problemstellung

Papier ist aufgrund seiner geringen Dichte, seiner Festigkeit aber besonders im Hinblick auf seine ökologische Verträglichkeit ein attraktiver Werkstoff. Zurzeit ist die Verarbeitung von Papier zu komplexen Strukturen hauptsächlich auf energieintensive Urformverfahren und einfache Faltverfahren beschränkt. Besonders in Bezug auf umformspezifische Kenngrößen und Verfahren sind nur wenige wissenschaftliche Arbeiten vorhanden.

Zielsetzung

Die Aufgabe des Forschungsvorhabens besteht in der Untersuchung der werkstoff- und prozessseitigen Grundlagen, die zur Bildung dreidimensionaler Strukturen aus dem Werkstoff Papier nötig sind. Neben der Optimierung des Werkstoffes Papier und der Identifikation der für den Umformprozess entscheidenden Werkstoffparameter, stellt die Optimierung des eigentlichen Umformprozesses ein weiteres Ziel dar.

Abbildung 1
Abbildung 1

Die experimentelle Identifikation der Werkstoffkenngrößen dient der Beschreibung des Verformungs- und Schädigungsverhaltens von Papier. Die Ziele sind die Abbildung der Vorgänge mit der Finiten Element Methode und der Kontinuumsmechanik. Hieraus resultiert ein tieferes Verständnis über die bei der Umformung im Papier ablaufenden Vorgänge. Daraus folgend soll die Optimierung der Umformprozesse und der Möglichkeiten komplexe dreidimensionale Strukturen zu erzeugen durchgeführt werden.

Vorgehen

Anhand ausgewählter Parameter werden verschiedene Papiersorten mit unterschiedlichen Eigenschaften im Labormaßstab hergestellt. Diese werden in einem ersten Arbeitsschritt mit diversen Prüfverfahren (z.B. Zugversuch, Tiefungsversuch) untersucht und ihre Eignung für das Projektziel bestimmt. Im Anschluss werden die Werkstoffparameter der selektierten Materialien experimentell ermittelt und zum Aufbau der FE-Modelle und zur Beschreibung des Verhaltens mit Hilfe der Kontinuumsmechanik herangezogen. In nachfolgenden Experimenten (z.B. Tiefziehversuche) wird das FE-Modell optimiert und validiert. Parallel werden für den Werkstoff Papier in Bezug auf dreidimensionale Formgebung optimierte Umformprozesse entwickelt und erste Bauteile hergestellt.

Wesentliche Erkenntnisse

Im Rahmen des abgeschlossenen Forschungsprojekts wurden grundlegende Erkenntnisse in Bezug auf die Umformfähigkeit von Papier gesammelt. Zu diesem Zweck wurden Prüfeinrichtungen speziell für die Papierprüfung aufgebaut. Hier sei ein spezieller Versuchsstand zu nennen, mit dem zum einen ein pneumatischer Tiefungsversuch (dem hydraulischen Tiefungsversuch nachempfunden) aber auch Umformversuche in für Papier typischen Kraftbereichen möglich sind. Für den im Maschinenbau typischen Zugversuch, wurde eine auf Papier und dessen Rissverhalten angepasste Geometrie entwickelt. Aufbauend auf den durchgeführten Materialuntersuchungen haben sich folgende Parameter als sehr einflussreich auf die mechanischen Umformeigenschaften von Papier herausgestellt:

  • Feuchtigkeitsgehalt des Papiers
  • Faserorientierung im Papier
  • Vorbehandlung der Fasern (z.B. Schneiden oder Kneten)
  • Füllstoffzugabe
  • Vorgehen bei der Halbzeugherstellung (z.B. Trocknungsart)

Mit Hilfe der generierten Materialdaten konnten erste Simulationsmodelle erstellt werden. Anhand einer rotationssymmetrischen, zweifach gekrümmten Geometrie wurden sowohl die Simulationsmodelle als auch die Verbesserung der Umformeigenschaften der entwickelten Materialien überprüft.

Allgemeines

Dieses Forschungsprojekt war ein Kooperationsprojekt zwischen dem Fachgebiet „Papierfabrikation und Mechanische Verfahrenstechnik“ (PMV, Leitung: Professor Dr.-Ing. Samuel Schabel) und dem „Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen“ (PtU, Leitung: Professor Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Peter Groche).

Danksagung: Das Forschungsprojekt wurde gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG).