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Bestimmung werkstoffmechanischer Kennwerte an faserbasierten Werkstoffen aus optisch ermittelten Dehnungsfeldern

In einem Forschungsprojekt hat die PTS neue Methoden für eine verbesserte grundlagenmechanische Bewertung von dünnen, naturfaserbasierten Werkstoffen entwickelt. Dabei wurden bestehende und neu entwickelte mechanische Prüfvorrichtungen mit optischen Dehnfeldmessungen kombiniert . Im Vorhaben sollten die Voraussetzungen dafür geschaffen werden, dass die Informationen, die aus der Auswertung gemessener zweidimensionaler Dehnungsfelder gewonnen werden, sowohl bei der Bestimmung von einzelnen Werkstoffkennwerten im Rahmen kontinuumsmechanischer Formulierungen von Materialgesetzen, als auch zur direkten Unterstützung des Konstruktionsprozesses von Produkten verwendet werden können.

Die im Projekt entwickelten Prüf- und Auswertemethoden ermöglichen eine verbesserte grundlagenmechanische Charakterisierung dünner, schichtartiger Naturfaserwerkstoffe. Folgende Teilergebnisse wurden erzielt:

  • Aufbau neuer Messplätze durch Erweiterung der vorhandenen werkstoffmechanischen Messtechnik und Adaption der optischen Dehnfeldmessung, um bislang nicht bzw. schwer zugängliche grundlegende mechanische Materialparameter zu bestimmen.
  • Ermittlung von bislang für Papierwerkstoffe nicht standardmäßig verfügbaren Materialkennwerten (z.B. Querdehnzahlen, Schubkennwerte) sowie zugehörigen elastischen und plastischen Verformungsgrenzen für die Verwendung in kontinuumsmechanisch formulierten Materialgesetzen und darauf aufbauenden Simulations- und Auslegungswerkzeugen.
  • Bereitstellung von Mess- und Auswertemethoden zur Aufklärung des Verhaltens bei den z.T. komplexen Beanspruchungen während der Verarbeitungsprozesse bzw. in praxisrelevanten Lastsituationen, z.B. bei Umformprozessen oder bei Herstellung und Anwendung von Verpackungen aus Karton und Wellpappe

Der Nutzen der durchgeführten Projektarbeiten besteht darin, papierfaserbasierte Materialien zu einem Werkstoff bzw. Halbzeug für andere Branchen zu entwickeln. Die Nutzbarmachung der in anderen Bereichen etablierten Entwicklungs- und Konstruktionsmethoden für papierfaserbasierte Materialien eröffnet in Kombination mit der Papiererzeugungstechnologie Möglichkeiten, Halbzeuge für Composite in einem deutlich niedrigeren Preisniveau herstellbar zu machen. Neue Märkte können durch nachhaltig verfügbare, innovative faser- oder papierbasierte Produkte erschlossen werden, wobei bisher etablierte, auf Öl oder anderen fossilen Rohstoffen basierende Produktlösungen, substituiert werden sollen.

Eine zielgerichtete Dimensionierung sorgt z.B.bei Verpackungspapieren für innovative, leichte und feste Verpackungen. Die hierbei wirksamen Effekte resultieren aus Einsparungen von Rohstoffkosten. Durch eine Verringerung der Flächenmasse bei gleichbleibend festen Verpackungen verringert sich die Masse des zu transportierenden Gutes. Die spezifischen Transportkosten werden gesenkt und ein aktiver Beitrag zur Nachhaltigkeit (Energieeffizienz, Ressourcenschonung) geleistet.

Die Ergebnisse wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens VF 130044 gewonnen, das im Programm zur "Förderung von Forschung und Entwicklung bei Wachstumsträgern in benachteiligten Regionen" mit finanziellen Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) über den Projektträger EuroNorm Gesellschaft für Qualitätssicherung und Technologie mbH aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert wurde. 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.