SimBoard – Verbesserte Prozessstabilität bei der 3D Papierumformung durch numerische Abbildung der Materialinhomogenität

Dem Forschungsvorhaben liegt das Ziel zugrunde, die Prozessstabilität zu verbessern und die Anwendungsfelder der dreidimensionalen Papierumformung zu erweitern. Die Auswirkung der Inhomogenität auf die Umformprozesse von Papier wird gleichzeitig berücksichtigt. Mit dem erweiterten Wissen über die inhomogenen Materialeigenschaften und korrelierenden mechanischen Eigenschaften wird das Werkstoffverhalten vom Papier in einem numerischen Modell abgebildet. Die Ergebnisse ermöglichen die Entwicklung von Gestaltungsrichtlinien für Halbzeuge und Prozesse der Papierumformung.

Projektverantwortliche: Yuchen Leng M. Sc.
Laufzeit: Januar 2021 – April 2024
Förderlinie: DFG

Motivation

In der Verpackungsindustrie wird Papier bereits in großem Umfang als Ersatz für herkömmliche Polymermaterialien eingesetzt. Mit einem erweiterten Forschungsstand zu den plastischen Umformmechanismen des Papiers könnten jedoch viele weitere potenzielle Anwendungsfelder erschlossen werden. Durch die systematischen Untersuchungen der Umformprozesse Tiefziehen und Innenhochdruckumformung konnte in den letzten Jahren eine erhebliche Verbesserung der Qualität von Formteilen erreicht werden.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Verbesserung der Auslegung und Gestaltung von Prozessen der Papierumformung nach Berücksichtigung der vorhandenen Materialinhomogenität. Hierzu soll der Einfluss der lokal unterschiedlichen Eigenschaften auf das makroskopische mechanische Verhalten des Materials erforscht und numerisch abgebildet werden. Als häufig verwendeter Ansatz hat die FEM-Simulation eine zuverlässige Vorhersage geliefert, allerdings nur, wenn ausgeprägte Homogenitäten der Materialien vorlagen. Der Effekt der Inhomogenität des Papiers stellt eine große Herausforderung für die numerische Darstellung in FEM-Simulationen dar.

[1] Schematische Darstellung der digitalen Materialkarte zur Berechnung der lokal aufgelösten Materialdaten (laM) für die Nutzung in Umformsimulationen
[1] Schematische Darstellung der digitalen Materialkarte zur Berechnung der lokal aufgelösten Materialdaten (laM) für die Nutzung in Umformsimulationen

Lösungsweg

Mit dem erweiterten Wissen über die inhomogenen Materialeigenschaften und korrelierenden mechanischen Eigenschaften wird das Werkstoffverhalten in einem numerischen Modell abgebildet. Die Anwendbarkeit des Modells soll durch eine möglichst automatisierte Datenaufbereitung/-generierung aus den Messdaten in sogenannten lokal aufgelösten Materialdaten (laM) gesteigert werden (Abbildung 1). Auf Basis dieser Methoden werden Vorgehensweisen entwickelt, mit denen die Zuverlässigkeit von Umformprozessen für das Material Papier unter Berücksichtigung der inhomogenen Materialeigenschaften verbessert wird. Der letzte Schritt ist die Validierung der entwickelten Prozessauslegungsmethoden und Führungsstrategien sowie der beschreibenden Modelle.

Danksagung

Das vorgestellte Forschungsprojekt wird gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG). Zusätzlich geht der Dank an den/die Projektpartner Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV für die Kooperation bei der Durchführung des Projekts (DFG 415796511).

Gefördert durch

Projektpartner