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PTS Forschungsprojekt: Langzeittragfähigkeit von Verpackungen IGF 18876 BG

Das Vorhaben zielte auf die Entwicklung einer Methode, mit der durch spezielle Kurzzeitversuche an Wellpappenproben und einem kontinuumsmechanisch begründeten Materialmodell das last- und klimaabhängige Deformationsverhalten des Werkstoffs und daraus gefertigten Faltschachteln über einen Zeitbereich von mehreren Monaten bis hin zum Schachtelversagen berechnet werden kann.

Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens gliedern sich in verschiedene Teilbereiche.

Im ersten Teilgebiet wurden zwei neue Prüfeinrichtungen zur Untersuchung von Kriechraten an Probenkörperzuschnitten zur Kantenstauch- und Biegeprüfung entwickelt und in Betrieb genommen. Die Prüfeinrichtungen wurden zusammen mit vom Institut für BFSV e. V. entwickelten Prüfeinrichtungen dazu genutzt Basisuntersuchungen über das Kriechverhalten von Wellpappen-Proben durchzuführen.

Der zweite Teilbereich umfasste die Ermittlung der mechanisch-technologischen Standardwerkstoffkennwerte der vier zweiwelligen Wellpappen-Qualitäten und die geschwindigkeitsgesteuerten Kurzzeitversuche des Kantenstauchwiderstandes und der Biegeuntersuchung. Die Ergebnisse der geschwindigkeitsabhängigen Versuche bestätigten, dass es sich bei Wellpappe um ein viskoelastische Material handelt.  Die Festigkeits-/ Steifigkeitseigenschaften nehmen mit einer Erhöhung der Prüfgeschwindigkeit zu.

Im dritten Teilbereich wurde mithilfe der Ergebnisse der geschwindigkeitsgesteuerten Kurzzeitversuche ein Vierfaches Maxwell-Modell erstellt und Dämpfungsspektren ermittelt. Diese wurden mithilfe der Prony-Analyse von einer frequenzabhängigen Betrachtung in eine Zeitabhängige umgeformt. Der anschließende Vergleich der gemessenen Kriechraten mit den berechneten Kriechraten offenbarte die Notwendigkeit von Shiftern zur definierten Anpassung des Kurvenverlaufs, um den Einfluss des plastischen Anteils der Verformung und der Umgebungsfeuchtigkeit mit einzubeziehen. Letztendlich war es erstmals möglich das Kriechverhalten von Wellpappen-Proben zu berechnen.

Der letzte Teilbereich des Forschungsvorhabens bestand in der Materialsimulation mit Hilfe der Methode der finiten Elemente, insbesondere auf Grundlage des FE-Programms LS-Dyna. Dabei wurden alle ermittelten Werkstoffparameter und die ermittelten Erkenntnisse des Kriechverhaltens der Materialproben genutzt, um ein Simulationsmodell zu erstellen. Zur Evaluierung wurde das Modell mit den gemessenen Kriechverläufen an Wellpappen-Verpackungen verglichen. Somit war es möglich, das Kriechverhalten von Wellpappen-Verpackungen im Normklima zu berechnen.

Mithilfe der im Forschungsprojekt durchgeführten Untersuchungen ist es möglich, über ein erstelltes viskoelastisches Materialmodell das Kriechverhalten von Wellpappen-Proben zu berechnen. Im Anschluss konnten alle ermittelten Ergebnisse dazu genutzt werden das Kriechverhalten einer Wellpappen-Verpackung mithilfe der Finite-Elemente-Methode im Normklima zu simulieren. Durch die neu entwickelten Prüfeinrichtungen war es möglich, die berechneten Kriechraten mit den gemessenen Kriechraten zu vergleichen und daraufhin anzupassen. Somit ist es erstmals möglich, das Langzeitverhalten von Wellpappen-Verpackungen sicher vorherzusagen ohne zeitintensive Langzeituntersuchungen durchzuführen und unnötig hohe Sicherheitsbeiwerte anzuwenden.

Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Das Forschungsvorhaben IGF 18876 BG „Entwicklung einer kontinuumsmechanisch begründeten Methode zur Berechnung des klima­abhängigen Kriechverhaltens von Wellpappe-Verpackungen“ der AiF-Forschungsvereinigung PTS wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (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.