Verbesserte Prozessstabilität bei der dreidimensionalen Papierumformung durch numerische Abbildung der Materialinhomogenität

Dem Forschungsvorhaben liegt das Ziel zugrunde, die Prozessstabilität zu verbessern und die Anwendungsfelder der 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.

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. 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 [1] stellt eine große Herausforderung für die numerische Darstellung in FEM-Simulationen dar.

Inhomogenität des Papiers: lokale heterogene Faserausrichtung und Formation von Papier (Wallmeier, Linvill, et al., 2016)
[1] Inhomogenität des Papiers: lokale heterogene Faserausrichtung und Formation von Papier (Wallmeier, Linvill, et al., 2016)

Zielsetzung

Die zentrale Frage des Forschungsprojekts ist es, welche für die Umformung relevanten, Materialeigenschaften von der Inhomogenität des Papiers signifikant beeinflusst werden. Dazu werden die Zusammenhänge zwischen den inhomogenen Materialeigenschaften und den resultierenden mechanischen Eigenschaften erforscht. Aufbauend darauf wird die Messbarkeit der identifizierten Eigenschaften untersucht. Hierzu soll überprüft werden, ob Korrelationen zwischen den Messdaten bekannter Verfahren und Methoden der Qualitätssicherung und den relevanten Eigenschaften herzustellen sind.

Vorgehensweise

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 [2]. 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.

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

Danksagung

Das Forschungsprojekt wird durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Zusätzlich gilt der Dank an die Projektpartner Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV.