Optimierte Papierumformung durch den Einsatz von Wasserdampf

Das Forschungsvorhaben verfolgt das Ziel markttaugliche Verpackungsprodukte aus Papier durch direktes Umformen herzustellen. Dazu bietet sich das Tiefziehverfahren auf Grund hoher Produktivität und kostengünstiger Werkzeuganpassungen an. Es konnte bereits gezeigt werden, dass der Einsatz von Dampf im Tiefziehvorgang zu einer verbesserten Formhaltigkeit, Faltenverpressung und höheren Ziehtiefe bei Papier führt. Eine besondere Herausforderung des Papierwerkstoffs stellt die Anisotropie dar, welche unter anderem zu richtungsabhängig unterschiedlichen Rückfederungen und Faltenbildungen der Proben führt. Das gezielte Einbringen von Wasserdampf ermöglicht es, den Anisotropieeffekten entgegenzuwirken.

Motivation

Die Forderungen nach nachhaltigen Verpackungsalternativen steigen in Industrie, Gesellschaft und Politik in den letzten Jahren stark an. Die häufig verwendeten Kunststoffverpackungen können der öffentlichen Debatte, die weniger Kunststoffabfälle fordert, nicht standhalten. Aus diesem Grund ist die Nachfrage nach Verpackungen aus Papier gestiegen. Bereits bekannte Papierverpackungen, die durch Falten oder Gießen hergestellt sind, erfüllen die hohen optischen und wirtschaftlichen Anforderungen, die an Verpackungen gestellt werden, jedoch nicht. Bei gefalteten Verpackungen ist das auf starke geometrische Einschränkungen und Ausschluss von Freiformflächen zurückzuführen. Durch Faserguss hergestellte Verpackungen sind nur durch teure und aufwendige Werkzeugherstellung bei schlechter Oberflächenqualität möglich. Die Herstellung tiefgezogener Papierverpackungen zeigt dagegen eine günstige und schnell herstellbare Alternative auf, welche auch Freiformflächen ermöglicht.

Zielsetzung

Die Zielsetzung des Forschungsprojekts ist es, Dampf beim Tiefziehen nicht rotationssymmetrischer Papierprodukte gezielt in kritische Zonen einzubringen und dadurch eine höhere Umformtiefe bei guter Oberflächenqualität zu erreichen. Dabei sollen Verpackungen wie in Abbildung 1 links dargestellt ersetzt werden. Die mittlere Abbildung zeigt das erste Ziel, die Verpackung in einem einstufigen Herstellungsprozess zu ersetzen. Rechts ist die Verpackung mit erhöhtem Volumeninhalt zu sehen, welche durch einen zweistufigen Herstellungsprozess als langfristiges Ziel erreicht werden soll.

Abb. 1: Links: zu substituierende Kunststoffverpackungen; Mitte: einstufig hergestellte Papierverpackung; Rechts: zweistufig hergestellte Papierverpackung

Vorgehensweise

Das zweijährige Gesamtprojekt beginnt mit der Erhebung und Analyse von Daten, um die Umformbarkeit verschiedener Papiertypen besser vorhersagen zu können. Daraus wird ein FE- Modell entwickelt und mit Daten aus experimentellen Untersuchungen der Dampfeinbringung in einem eigens dafür konstruierten Werkzeug verglichen. Der Dampf wird dabei durch den Niederhalter, dessen Modularität die Möglichkeit bietet mit unterschiedlichen Geometrien zu experimentieren, in die Probe geleitet (vgl. Abb. 2). Durch numerische Simulation und Anpassung der Regelung soll der Prozess weiter optimiert werden, um dann die einstufige Umformung zu realisieren. Im Anschluss wird auf gleiche Art und Weise der zweistufige Tiefziehvorgang ausgelegt und durchgeführt. Zum Projektabschluss werden die Erkenntnisse in Leitfäden zusammengetragen.

Abb. 2: Dampfeinleitung im Niederhalter des Tiefziehwerkzeugs

Danksagung

Das hier beschriebene Forschungsprojekt wird von der AiF im Rahmen der industriellen Gemeinschaftsforschung (iGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert. Der Dank gilt auch den Industriepartnern, die das Forschungsvorhaben im projektbegleitenden Ausschuss unterstützen.