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Bestimmung von inneren Spannungszuständen in nicht durchsichtigen, faserbasierten Nonwoven-Materialien

In dem Forschungsprojekt wurde eine Messmethode (inkl. Prüfregimes) zur Evaluation von Spannungszuständen in faserbasierten Materialien entwickelt, die durch umformende Verarbeitungsverfahren verursacht werden.

Wichtigstes und zentrales Ergebnis des Projektes ist der Aufbau einer Messmethodik zur simultanen Charakterisierung von Formteilen aus Tiefziehverfahren hinsichtlich Faserorientierung, Dicke, Flächenmasse und inneren Strukturen bei einer räumlichen Auflösung von 1 mm. Diese Daten können räumlich überlagert werden und zur Ableitung von Spannungszuständen als Voraussetzung einer Modellierung dienen. Ebenso können nun zeitabhängige Veränderungen dieser Materialeigenschaften während und nach dem Fertigen verfolgt werden.

Parallel dazu wurde eine Ersatzversuchs-Strategie zur Darstellung der Belastungssituation beim Tiefziehen von Fasermaterial bezüglich des Stempelverlaufs als Referenzgröße aufgebaut sowie ein Lösungsansatz zur Modellierung des Formänderungskraftverlaufs bezüglich des Stempelwegs aus den Daten der Ersatzversuchs-Strategie und Etablierung als Validierungsgröße erstellt.

Grundlage war an dieser Stelle ein Zugversuch als Referenz für gleichzeitige Messung der Faserorientierung und der Kraftkenngrößen während einer definierten mechanischen Belastung. Weiterhin wurde eine normfähige Prüfmethode zur Darstellung der komplexen Belastungssituation während der Faltenbildung unter biaxialer Zug-Druck-Beanspruchung in Blattebene und gleichzeitiger Kompression orthogonal zur Blattebene entwickelt.

Die THz-Messung, speziell im zeitaufgelösten Modus, kann unter zusätzlicher Verwendung der Polarisationseigenschaften der THz-Pulse zu einer umfassenden Bewertung von Rohpapieren und -kartons im Verhältnis zu daraus geformten Teilen beitragen. Vor dem Einsatz in einer Produktionsumgebung sind somit vor allen noch mechanisch-konstruktive Aufgaben umzusetzen. Für die offline-Vermessung von Mustern betrifft dies vor allem die weitere Erhöhung der Messgeschwindigkeit um mindestens eine Größenordnung.

Die Forschungsergebnisse können vorrangig in folgenden Bereichen genutzt werden:

  1. für die Verarbeiter faserbasierten Materialien zu innovativen Leichtbau- und Verpackungsprodukten mit hoher Material- und Energieeffizienz
  2. für Maschinen- und Anlagenbauer
  3. für Messtechnikhersteller
  4. für (Spezial-)Papierhersteller.

Aus den Ergebnissen des Projektes lassen sich für die Packstoffhersteller, also die Papier- und Kartonindustrie, neue Produkte mit überlegener Eignung für den Tiefziehprozess generieren. Die breiteren Anwendungspotenziale in der Verpackungsindustrie lassen einen entsprechenden Markt mit ausreichendem Produktionsvolumen erwarten.

Das Forschungsvorhaben IGF 18452 BR der kooperierenden AiF-Forschungsvereinigungen PTS und INT wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemein-schaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt.Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen für die Probenbereitstellung und für die freundliche Unterstützung bei der Projektdurchführung.