Die dreidimensionale Umformung von Papier durch Tiefziehen ermöglicht die Herstellung nachhaltiger Verpackungen. Für eine Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten stellen unter anderem die beim Umformprozess entstehenden Falten eine Herausforderung dar. Durch ein innovatives semitransparentes Werkzeug soll das Verständnis der Faltenbildung verbessert werden. Mit diesem Wissen und einer adaptiven Prozessführung wird weiterhin die Verbesserung der Formteilqualität durch eine lokale Steuerung des Materialflusses angestrebt.

Motivation

Sowohl gesetzliche Rahmenbedingungen als auch ein steigendes Bedürfnis von Verbrauchern nach nachhaltigen Verpackungen erfordern eine Reduktion des Anteils kunststoffbasierter Einwegverpackungen. Eine Alternative dazu stellen papierfaserbasierte Verpackungen dar. Um auch bei diesen eine hohe Formenvielfalt bieten zu können, sind dreidimensionale Umformverfahren wie das Tiefziehen erforderlich.

Aktuell ist die umfassende Substitution von Kunststoffverpackungen durch Papier noch durch die geringeren erreichbaren Umformgrade und die auftretenden Fehlerbilder begrenzt. Ein beim Tiefziehen von Papier besonders ausgeprägtes Fehlerbild ist die Entstehung von Falten. Diese entstehen grundsätzlich aufgrund tangentialer Druckspannungen infolge der Materialverdrängung im Umformprozess, sind bezüglich ihrer exakten örtlichen und zeitlichen Entstehung und Entwicklung aber bisher nicht ausreichend verstanden. Dieser Umstand sowie die Erschließung von Methoden zur lokalen Beeinflussung des Umformprozesses sollen im Rahmen des Projektes „TransForm – Steuerung der Faltenbildung faserbasierter Materialien durch adaptive Prozessführung und kamerabasierte Datenerfassung in transparenten Umformwerkzeugen“ behandelt werden.

Lösungsweg

Als Schlüsselelemente werden eine transparente Matrize und bildgebende Sensorik für die in-situ Detektion des Materialeinzugs und der Faltenbildung eingesetzt. Auf Basis dieser optischen Prozessüberwachung können Erkenntnisse über Einflussfaktoren auf den lokalen Werkstofffluss zeitlich aufgelöst gewonnen und mit einer analytischen Vorhersage der Faltenbildung abgeglichen werden.

Darauf aufbauend wird eine lokal adaptive Prozessführung untersucht. Insbesondere bei komplexen Umformgeometrien und aufgrund der stark anisotropen Materialeigenschaften des Fasermaterials Papier ist eine lokal angepasste Prozessführung vielversprechend. Hierfür wird unter Verwendung additiver Fertigungsverfahren ein lokal adaptiver Niederhalter entwickelt. Mittels individuell ansteuerbarer elastischer Drucktaschen kann der Einfluss einer lokal angepassten Steuerung und Regelung der Niederhalterflächenpressung auf das Faltenbild untersucht werden (siehe Abbildung). Ziel ist es, die Qualität des erzeugten Formteils in Bezug auf die Faltenbildung zu maximieren.

Danksagung

Das vorgestellte Forschungsprojekt wird gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) – Projektnummer GR 1818/85-1. Wir danken der DFG für die Unterstützung bei der Durchführung des Projekts.

Gefördert durch