Die Umformung von Papier unterliegt zahlreichen Einflussgrößen, die eine Vorhersage des Umformergebnisses erschweren. Das Forschungsvorhaben „UniVorsUm“ verfolgt daher das Ziel, eine universelle Methode zur Vorhersage der Umformbarkeit von papierbasierten Materialien für die zwei Umformverfahren Tiefziehen und Hydroforming zu entwickeln. Durch die Durchführung von Charakterisierungsversuchen mit diversen Papieren und Formgebungsstudien zu praxisrelevanten Geometrien soll die Identifikation der Zusammenhänge verschiedener Qualitäts-, Fehler- und Materialparameter erfolgen. Aus dieser können Methoden und Strategien zur Umformung von Papier abgeleitet werden.

Motivation

Der Markt für Verpackungswerkstoffe in der Lebensmittel- und Konsumgüterindustrie wird durch kurzlebige Kunststoffe dominiert, welche durch Thermoforming kostengünstig in flexible Formen gebracht werden können. Eine starke Belastung der Umwelt, insbesondere der Meere durch die schwer zersetzbaren Kunststoffe, erfordert jedoch die Etablierung nachhaltigerer Werkstoffe. Umfangreiche Forschungsanstrengungen der vergangenen Jahre haben den nachwachsenden Werkstoff Papier, welcher ohne Freisetzung von Schadstoffen zersetzbar ist, für formgegebene Verpackungslösungen erschlossen. Obwohl es bereits möglich ist, Packmittel mit hohen Umformgraden in vielseitigen Formspektren herzustellen, fehlt es an Möglichkeiten, die Umformeignung von Papieren anhand standardisierter Kennwerte oder Prüfungsmethoden zu beurteilen, sodass es Materialhersteller*innen an Zielgrößen für die Materialentwicklung und Anwender*innen an Bewertungsgrößen bei der Werkstoffauswahl mangelt.

Lösungsweg

Hier setzt das Vorhaben „UniVorsUm“ an. In enger Kooperation mit der Papiertechnischen Stiftung (PTS) und der Steinbeis Hochschule arbeitet das PtU an der Entwicklung dieser Standards für die Formgebung von Papier mittels Tiefziehen und Hydroforming. Hierzu wird ein breites Materialspektrum industriell verfügbarer Materialgüten sowie im Labor eigens für die Umformung hergestellter Papiere eingehend untersucht und zur Formteilherstellung genutzt (siehe Abbildung 1). Im engen Austausch mit der anwendenden Industrie werden Qualitätsparameter zur Beschreibung von Umformergebnissen erarbeitet und auf die vom Verbund mittels Tiefziehen und Hydroforming herzustellenden, repräsentativen Formteilgeometrien angewendet. Dadurch liegt zu jedem Material und jeder Form eine Vielzahl von Qualitätsparametern vor, welche das Umformergebnis beschreiben. Diese werden nachfolgend mit der Vielzahl von Materialparametern zusammengebracht, die mit den Prüfständen und Versuchseinrichtungen des Verbundes ermittelt werden können. Unter Zuhilfenahme der Methoden des maschinellen Lernens werden anschließend die wesentlichen Korrelationen von Umformqualitäten und Materialeigenschaften identifiziert, sodass eine eingehende Beschreibung der Umformeignung mit einer reduzierten Anzahl von Kennwerten möglich wird. Das erarbeitete Wissen wird abschließend in einer Prüfmethodik harmonisiert, sodass in der Konsequenz ein Kennwert- und Prüfstandard für die Beurteilung der Umformgüte von Papierwerkstoffen geschaffen werden kann.

Danksagung

Das IGF-Vorhabens Nr. 21513 der Forschungsvereinigung „Papiertechnische Stiftung“ (PTS) wurde über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Unser Dank gilt weiterhin den Industriepartnern, die das Forschungsprojekt „UniVorsUm“ im Projektbegleitenden Ausschuss unterstützen.

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