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Vorhersage der dreidimensionalen Umformbarkeit von Papieren

Die Geometrie einer Verpackung ist einer der wichtigsten Gestaltungsfaktoren zur Schaffung einer höchstmöglichen Identifikationswirkung mit dem Produkt bzw. der Marke. Umfassende Forschungsarbeiten in den letzten Jahren haben es ermöglicht, die materialseitigen Grenzen von Papieren in 3D-Umformverfahren wie dem Tiefziehen oder Hydroforming stark auszuweiten, sodass Packmittel mit hohen Umformgraden in sehr guter Qualität erzeugt werden können und damit eine vielversprechende Alternative zu thermogeformten Kunststofftrays zugänglich machen.

Projekttitel: » Entwicklung einer universellen Methode zur Vorhersage der Umformbarkeit von papierbasierten Materialien im Tiefziehen und Hydroforming (UniVorsUm)

Laufzeit: » 01.12.2020 - 31.11.2022

Projektträger: » IGF 21513 BG

Forschungsstellen: » TU Darmstadt, Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen (PtU), » Steinbeis Hochschule » Papiertechnische Stiftung (PTS)

Projektleiter: » Dr. Martin Zahel » Benjamin Hiller

Problematisch für die industrielle Verbreitung ist jedoch weiterhin, dass die Eignung eines Papieres für die 3D-Umformung nicht standardisiert ist und auch nicht anhand konventioneller Materialparameter vorhergesagt werden kann, was eine Materialauswahl für Papierverarbeiter und Verpacker signifikant erschwert.

Hierdurch motiviert hat die PTS gemeinsam mit der Steinbeis Hochschule und der TU Darmstadt (PtU) das Kooperationsforschungsprojekt „UniVorsUm“ gestartet. Damit wurde die deutschlandweite Kompetenz auf dem Gebiet 3D-Papierumformung hinsichtlich Materialentwicklung und Verfahrensentwicklung sowohl für Tiefziehen wie auch Hydroforming von Papieren gebündelt.

Abb. 1: Vorgehen bei der Modellierung der Umformgüte (+ Alternative Abbildung)

Ziel von UniVorsUm ist es, eine Standardisierung und Vorhersage der Umformbarkeit für Papiere und verwandte Werkstoffe in 3D-Umformprozessen sowohl mit festen als auch mit flexiblen Niederhaltern durch Definition der wesentlichen Materialeigenschaften zu entwickeln.

Hierfür sollen zunächst eine neue Prüfstrategie sowie zugehörige Kennwerte entwickelt werden, um Effekte und Defekte den im 3D-Umformprozess verantwortlichen Formänderungen bzw. Materialschädigungen (im geringen Umfang erlaubt, in großem Umfang unerwünscht) zuordnen zu können. Weiterhin sollen Prüfszenarien und Prüfbedingungen (prozessnahe Zustände) identifiziert werden, die Aufschluss über die Umformbarkeit von Materialien geben. Die gezielte Kombination der Eingangsund Ausgangsgrößen soll sodann für eine Vorhersage der Umformgrenzen dienen. Abschließend ist die Prüfmethodik für die unterschiedlichen 3D-Umformprozessvarianten Tiefziehen und Hydroforming zu harmonisieren, sodass in der Konsequenz ein Standard geschaffen wird, der sodann einen Papierwerkstoff hinsichtlich seiner Umformgüte charakterisiert.

Abb. 2: Formteilbeispiel und Hydroforming

Dr. Martin Zahel,

martin.zahel(at)ptspaper.de

Benjamin Hiller,

benjamin.hiller(at)ptspaper.de