Das Forschungsvorhaben verfolgt das Ziel, markttaugliche Verpackungsprodukte aus Papier durch direktes Umformen herzustellen. Dazu bietet sich das Tiefziehverfahren aufgrund 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.

In dem untenstehenden Video können Sie die Motivation sowie die Anfänge des Forschungsprojektes am PtU ansehen.

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.

Lösungsweg

Das Projekt mit einer Gesamtlaufzeit von 2 Jahren begann mit der Erhebung und Analyse von Daten, um die Umformbarkeit verschiedener Papiertypen besser vorhersagen zu können. Daraus wurde 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. 1). 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.

Erste Ergebnisse zeigen bereits, dass die optimale Dampfeinbringungsgeometrie nicht nur form-, sondern auch materialabhängig ist. Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn die Papiere zu Beginn bereits eine erhöhte Feuchtigkeit von 10 – 15 % haben und zusätzlich während des Umformvorgangs Dampf eingebracht wird. Diese Erkenntnis lässt sich für alle bislang untersuchten Papiere reproduzieren. Dies ist für alle Papiere auf die gleiche Weise zu zeigen. Die Versuche beziehen auch Papiere mit einer einseitigen PET Schicht ein. Diese zeigen besonders deutlich, dass die erhöhte Feuchtigkeit vor den Versuchen wichtig ist, da der Dampf keine homogenisierte Feuchtigkeitsverteilung der Proben in der kurzen Zeit ermöglicht.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21562N der Forschungsvereinigung „Kuratorium für Forschung und Technik der Zellstoff- und Papierindustrie im VDP e.V.“ wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Unser Dank gilt weiterhin den Projektbegleitern aus der Industrie für deren Unterstützung.

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