Franke Wilken Anwendung wirkmedienbasierter Verfahren zum Tiefziehen von Papier und Karton

Anwendung wirkmedienbasierter Verfahren zum Tiefziehen von Papier und Karton

 

Motivation

Die Herstellung von mehrdimensionalen Verpackungslösungen und Konstruktions-Bauteilen mit geschwungenen Geometrien aus Papier und Karton ist bislang nicht zufriedenstellend möglich.

Für die Produktion von geschwungenen Papierformteilen kommen prinzipiell Faserguss- oder Tiefziehverfahren in Frage. Letztere bieten energetisch sowie in Bezug auf die Stabilitäts- und Oberflächeneigenschaften des fertigen Produktes Vorteile (z.B. gegenüber Fasergussbauteilen), sind allerdings bislang kaum erforscht. Industrielle Papier-Tiefziehteile besitzen daher meist nur eine einfache Geometrie. Die Entwicklung neuer Formteile beruht auf Erfahrungen sowie auf kosten- und zeitintensiven Experimenten. Sie bewegt sich besonders im Hinblick auf die Erschaffung komplexerer Geometrien in engen Grenzen.

Zielsetzung

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, das Anwendungsspektrum von Tiefziehverfahren für den Werkstoff Papier zu erweitern. Hierzu bedarf es der Schaffung rohstoff-, prozess- und auslegungsseitiger Grundlagen. Die zurzeit für Papier übliche experimentelle und damit kostenaufwendige Vorgehensweise bei der Entwicklung neuer Produkte soll durch die gezielte Untersuchung der Bereiche Werkstoffcharakterisierung, Prozessauslegung und Simulation verbessert werden. Das Forschungsvorhaben soll das in der Metalltechnik verbreitete und in bisherigen, eigenen Arbeiten als sehr erfolgversprechend erkannte wirkmedienbasierte Tiefziehen von Papier werkstoff- und prozessseitig weiterentwickeln, sodass die Grundlagen für eine industrielle Anwendung gelegt werden. Im Vordergrund stehen experimentelle Untersuchungen zum wirkmedienbasierten Umformen von Papier sowie die Schaffung umformgerechter Papiersorten. Darüber hinaus wird eine numerische Abbildung des Materialverhaltens im Umformprozess angestrebt.

Abbildung 1
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Vorgehensweise

Um das Projektziel zu erreichen, wird der Umformprozess unter Berücksichtigung des Rohstoffs und des Materialverhaltens in Zusammenarbeit zwischen dem Fachgebiet „Papierfabrikation und Mechanische Verfahrenstechnik“ (PMV, Leitung: Professor Dr.-Ing. Samuel Schabel) sowie dem „Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen“ (PtU, Leitung: Professor Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Peter Groche) betrachtet. Im Rahmen der Materialoptimierung werden durch eine Parametervariation die Auswirkungen des Fasercurls, chemischer Zusätze, der Art des bei der Herstellung eingebrachten Spannungszustandes sowie der Anisotropie auf den Umformprozess bestimmt. Außerdem findet eine ausführliche Materialcharakterisierung an Referenz-Laborblättern und an einem industriellen Referenzkarton statt. Dies dient dazu, erste Ergebnisse für die Materialbeschreibung und die Auslegung einer Versuchsgeometrie bereitzustellen. Der wirkmedienbasierte Umformprozess wird weiterentwickelt und prozessseitig angepasst. Aufbauend auf den gewonnenen Daten wird ein Materialmodell zur Entwicklung und Auslegung eines Umformprozesses für eine Demonstrator-Geometrie herangezogen.

Wesentliche Erkenntnisse

Ziel des Projektes war es, das Anwendungsspektrum von Tiefziehverfahren für den Werkstoff Papier durch die Schaffung rohstoff-, prozess- und auslegungsseitiger Grundlagen zu erweitern. Durch die vorliegenden Untersuchungen wurden hierzu wesentliche Informationen gewonnen. Mittels der wirkmedienbasierten Umformung ist es möglich, dreidimensionale Werkstücke aus Papier herzustellen und so das Anwendungsspektrum des nur bedingt formbaren Werkstoffs zu erweitern. Weiteres Umformpotential ergibt sich aus einer Drucküberlagerung im Umformprozess. Es konnte gezeigt werden, dass die zurzeit für Papier übliche experimentelle und damit kostenaufwendige Vorgehensweise bei der Entwicklung neuer Umformprodukte durch die gezielte Untersuchung der Bereiche Material, Werkstoffcharakterisierung, Prozessauslegung und Simulation verbessert werden kann. Anhand von vereinfachten Ansätzen der Materialmodellierung können – verbunden mit den entsprechenden Verfahren der Materialcharakterisierung – numerische Simulationen durchgeführt werden, die eine gezielte Auslegung der Prozesse und eine Optimierung der herzustellenden Geometrien ermöglichen. Für die Prozessabbildung in der Simulation genügt es, einen Tensile-Stiffness-Orientation-Test (TSO) sowie Zugversuche bei vier verschiedenen Feuchten durchzuführen. Außerdem muss die Reibung untersucht werden, wozu die Minima und Maxima des Parameterraums aus Feuchte, Temperatur, Flächenpressung und Geschwindigkeit benötigt werden. Schließlich empfiehlt es sich, ein sogenanntes Grenzformänderungsschaubild über die Hauptorientierungen zu bilden. Dies erlaubt es, anschaulich und schnell Aussagen über die Produzierbarkeit eines spezifischen Bauteils zu tätigen.

Für weiterführende Informationen sei an dieser Stelle auf den Abschlussbericht, der entweder den VDP oder die Forschungsstellen bezogen werden kann, verwiesen.

Förderhinweis

Das IGF-Vorhaben 17788 N des Verbands Deutscher Papierfabriken (VDP) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Darüber hinaus möchten wir uns bei allen Industriepartnern, die das Forschungsprojekt „Anwendung wirkmedienbasierter Verfahren zum Tiefziehen von Papier und Karton“ unterstütz haben, für die gute Zusammenarbeit bedanken:

  • AB Enzymes
  • A. Obenauf GmbH & Co. KG
  • BASF SE
  • BYK-Chemie GmbH
  • DST Dräxlmaier Systemtechnik
  • Epurex Films GmbH & Co. KG
  • Gebrüder Dorfner GmbH & Co. KG
  • Feinpappenwerk Gebr. Schuster GmbH & Co. KG
  • Hosti International GmbH
  • Innowep GmbH
  • Schäfer OHG
  • Schoeller Technocell GmbH & Co. KG
  • Stora Enso FPB Holding GmbH & Co. KG
  • Moritz J. Weig GmbH & Co. KG