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S-Tester zur Bestimmung der Stauchelastizität - Neues Prüfgerät an der PTS in Betrieb genommen

Materialprüfungen für papierbasierte Verpackungsmaterialien sind seit vielen Jahren ein bedeutender Forschungsschwerpunkt in der PTS. Hierbei ist die Wellpappe mehr denn je das Mittel der Wahl, wenn es um Transportverpackungen geht. Deshalb widmen sich laufende und auch zukünftige Forschungsprojekte intensiv der Fragestellung, wie man diese Materialien verbessern kann oder alternative, funktionelle Transportverpackungen sowie Sandwichmaterialien auf Basis vergleichbarer Leichtbaustrukturen entwickeln kann. Hierbei werden bestehende und standardisierte Prüfverfahren laufend erweitert, sowie neue Auswerteroutinen und Prüfvorrichtungen entwickelt.

Eine neue Prüfmethode ist die Messung des Streifenstauchwiderstands einer S-förmig eingespannten Probe, der sogenannte S-Test. Um auch zukünftig den Forschungsbedarf hinsichtlich der Materialkennwertermittlung für innovative Transportverpackung oder papierbasierte Sandwichmaterialien breitgefächert abdecken zu können, wurde der S-Tester der Fa. Lorentzen & Wettre (ABB) angeschafft (siehe Abbildung 1).

 

Abbildung 1: S-Tester © PTS 

Um die Performance der Wellenbahn innerhalb der Wellpappe vorherzusagen, wurde bisher der Flachstauchwiderstand (CMT) herangezogen. Die CMT-Methode ist zeitaufwändig und liefert durch die starke Bedienerabhängigkeit schlecht reproduzierbare Ergebnisse. Die Proben müssen in Streifen mit einer Breite von 12,7 mm geschnitten und in einem Laborwellenbildner zur Welle geformt werden. Danach müssen sie sofort einseitig mit einem Klebeband verklebt und wieder rückkonditioniert werden, bevor der eigentliche Stauchtest durchgeführt werden kann. Darüber hinaus sind die Parameter für die Wellenbildung bezüglich Druck und Geschwindigkeit in den Laborwellenbildnern nicht auf die Praxis übertragbar, was zu verfälschten Aussagen führt. Lange Zeit gab es Diskussionen um den CMT-Wert, bei welchem die Maximalkraft (i.d.R. das dritte Maximum der Kraft-Weg-Kurve) als Messwert für den Flachstauchwiderstand verwendet wird. Untersuchungen haben gezeigt, dass das erste Maximum/Plateau (First Peak) für die Beschreibung der Steifigkeit und für die Voraussage für die letztendlichen Wellpappen- und Schachtelfestigkeiten verwendet werden müsste (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2: Vergleich verschieden vorgeschädigter Wellpappen im 1. Kraftmaximum
Quelle: Vortrag Smurfit Kappa, Hr. Gerards – PTS Wellpappensymposium 2017
 

Weiterhin gibt es in der Praxis mittlerweile eine große Anzahl an verschiedenen Wellengeometrien (A, C, B, E…N). Für die CMT-Messung gibt es jedoch bisher lediglich die A und B-Welle als Standard. Aus Überlegungen von Industrievertretern ist deshalb ein modifiziertes Streifenstauchwiderstandsmessgerät entstanden, welches den Streifen durch einen Versatz der Klemmbacken von 1 mm in einer S-Form staucht und damit das Versagen an 2 Biegestellen („Versagen der Welle“) prüft (siehe Abbildung 3). Die Stauchfestigkeit (S-Test-Wert), bezogen auf die Probenbreite, wird in kN/m angegeben.

Abbildung 3: Schematische Darstellung der Klemmenpaare mit eingelegter Probe ©ABB 

Die Eignung der Methode wurde durch die gute Korrelation zwischen dem S-Test-Wert und dem First Peak des CMT aufgezeigt (siehe Abbildung 4). Die Korrelation der Werte wurde unter anderem in Ringversuchen nachgewiesen, an denen die PTS ebenfalls beteiligt war.

Abbildung 4: Darstellung der Korrelation zwischen S-Test-Wert und CMT (First Peak)
Quelle: Vortrag Smurfit Kappa, Hr. Gerards – PTS Wellpappensymposium 2017
 

Messung des Flachstauchwiderstandes an labormäßig gewellten Proben zu ergänzen, wurde an der PTS daher in einen S-Tester investiert. Die Methode der Prüfung des „Streifenstauchwiderstands einer S-förmig eingespannten Probe“ ist seit April 2019 offiziell als DIN 5014 genormt und es ist zu erwarten, dass die gesamte Wellpappen-Branche in den nächsten Jahren darauf zurückgreifen und die Spezifikationen für Ihre Materialien anpassen wird. Deshalb ist es wichtig, bereits jetzt in laufenden und zukünftigen Forschungsprojekten eine Datenbasis zu schaffen, um die Übertragbarkeit der Forschungsergebnisse in die Praxis der Industrie zu gewährleisten und auch neuartige Materialien damit charakterisieren zu können. Die Messung der Stauchelastizität mittels S-Tester kann von der PTS auch zur Unterstützung der Forschungsaktivitäten der Papierhersteller und -verarbeiter als orientierende Messung angeboten werden.

Die Anschaffung des S-Testers konnte im Rahmen
des durch das Bundesministerium für Wirtschaft und
Energie (BMWi) geförderten INNO-KOM Modul "Investitionszuschuss wiss.-techn. Infrastruktur" Förderkennzeichen: 49IZ190006 realisiert werden.