Übersicht Zur Erstellung, Validierung und Anwendung der verschiedenen Simulationsmo-delle wurden die dazu notwendigen Daten im Rahmen von Systemaufnahmen und geeigneten Laboruntersuchungen erfasst.
Messverfahren bei der System-aufnahme in Wellpappenanla-gen
Tabelle 1: Messmethoden bei den Systemaufnahmen
Parameter Messmethode
Messung der Oberflächentemperatur an der laufenden Papierbahn, wenn möglich über die Bahnbreite
• IR-Strahlungsthermometer Typ Raynger MX4 und
• Thermographie-Kamera Messung der Feuchte an der
Oberflä-che der laufendenden Papier- bzw.
Wellpappenbahn, soweit zugänglich und wenn möglich über die Bahnbreite
• IR-Moister Meter Visilab AK30
Messung der des Feuchtegehaltes an entnommenen Papier- und Wellpap-penproben
• DIN EN ISO 287 bzw.
• mittels IR-Trocken-Waage
Messverfahren bei der Papier- und Wellpap-penanalytik
Tabelle 2: Messverfahren bei der Papier- und Wellpappenanalytik
Parameter Messmethode
Flächenbezogene Masse DIN EN ISO 2286-2 Dicke (Wellpappenrohpapiere) DIN EN ISO 534
Feuchtdehnung ISO 8226 - 1 / 2
Feuchtigkeitsgehalt DIN EN ISO 287 E-Modul (Zugversuch) DIN EN ISO 1924 - 2 Rauheit (PPS-Verfahren) DIN ISO 8791 - 4
TSO/TSI L&W TSO-Tester
Erfassung der
Die Erfassung der Penetrationsdynamik mittels Ultraschall-Dämpfungsmessung ist eine Methode zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Flüssigkeiten und flachen Materialproben wie Papier, Karton, Textilien usw. Dazu wurde ein Penetrations Dynamic Analyzer „emtec PDA.C 02“ der Emtec Electronic GmbH, Leipzig, eingesetzt.
Das Messverfahren beruht auf dem Prinzip der Erfassung der Intensitätsände-rung von Ultraschallsignalen, die eine Materialprobe während des einseitigen Kontaktes mit einer Flüssigkeit – hier Wasser – durchdringen. Das Wasser so-wie der Kunststoff des Probenträgers übertragen Ultraschallsignale mit kurzer Weglänge mit beinahe unverminderter Intensität. Trockenes Papier dagegen absorbiert einen großen Teil dieser Signale auf Grund der in den Poren enthal-tenen Luft. Mit dem Eindringen des Wassers wird die Luft verdrängt und das Porenvolumen mit Wasser aufgefüllt, was zu Veränderungen des Ultraschall-signals führt.
Erfassung der
Das Gerät besteht aus einem Kontaktgefäß, in dem die Prüfflüssigkeit (destil-liertes Wasser) eingefüllt wird. Das Gefäß wird solange befüllt, bis die Oberflä-chenspannung bricht und ein Teil der Flüssigkeit abläuft. So ist sichergestellt, dass immer mit derselben Menge gemessen wird.
Oberhalb dieses Gefäßes befindet sich am Stativ die Einspannvorrichtung mit den Klemmen zum Einspannen der Papierprobe. An dieser Vorrichtung befin-den sich ein Waagebalken zum Einstellen der Vorspannkraft, sowie der Weg-messsensor zur Aufnahme der Längenänderung des Papiers während der Nassdehnungsmessung.
Der Prüfstreifen wird in der gewünschten Orientierung mit den Abmessungen 210 mm x 60 mm mittels einer Schablone und einem Markierungsstift vorberei-tet, so dass bei der nachfolgenden Penetration das Wasser nicht über die Messfläche hinaus ins Papier eindringen kann. Anschließend wird der Streifen in die Spannvorrichtung eingelegt, so dass die Zungen der Waagebalken exakt übereinstimmen.
Die eingespannte Probe wird auf das im Normalfall mit Wasser gefüllte Kon-taktgefäß gefahren und ab dem Zeitpunkt, wenn das Messgerät in Ruhe ist, die Längenänderung des Streifens gemessen. Die Messung erfolgt über einen Wegmesssensor und die Nassdehnung wird in Abhängigkeit von der Zeit auf-gezeichnet. Die Messwerte werden ab dem Zeitpunkt Null, das heißt ab dem Flüssigkeitskontakt gemessen, aber wegen der mechanischen Schwingung beim Kontakt erst nach 250 ms als Messkurve dargestellt.
Die Besonderheit der Methode ist die Möglichkeit, Ober– und Unterseite der Papierprobe getrennt messen zu können, weil die Benetzung des Papiers je-weils nur von einer Seite aus erfolgt.
Erfassung der
Das Messgerät Heat Shrinkage Analyzer (HSA) dient zur Erfassung der Dyna-mik der Dimensionsänderung einer Papierprobe unter einseitiger Hitzeeinwir-kung. Das Gerät besteht aus einer Einspannvorrichtung ähnlich wie beim Wet Stretch Dynamic Analyzer, allerdings wird hier der Papierstreifen auf eine Heiz-zelle aufgelegt.
In dem Heat Shrinkage Analyzer (HSA) werden Papierstreifen mit einer Breite von 60 mm und einer Länge von 210 mm zwischen zwei Einspannklemmen fi-xiert. An einer der Klemmen kann eine Vorspannung von 0-5 N über den Waa-gebalken angelegt werden. Unter dem eingespannten Papierstreifen befindet sich die Heizzelle (Fläche 60 mm × 60 mm) mit stufenlos regulierbarer Tempe-ratur. Über Sensoren in den Einspannklemmen wird die Dimensionsänderung gemessen. Als Messergebnis erhält man ein Dimensions-Zeit-Diagramm, wobei die Längenänderung der Probe in Prozent angegeben wird. Die Auswertung der Daten bezieht sich nur auf die beheizte Teilfläche des Papiers von 60 × 60 mm.
Bestimmung der Planlageabwei-chung
Die Planlageabweichung an Wellpappenproben wurde in Anlehnung an das FGP-Merkblatt FGP-PR: 01/97 bestimmt. Die Wellpappenprobe wird auf eine ebene Tischplatte gelegt und an den vier Ecken die Höhendifferenz mit einem geeigneten Messinstrument auf 0,5 mm gemessen. Die mittlere Wölbhöhe er-rechnet sich als Mittelwert der Höhendifferenzen der vier Ecken. Per Definition wird eine konvexe Wölbung – Krümmungsradius zur Außendecke - mit
positi-vem Vorzeichen und eine konkave Wölbung – Krümmungsradius zur Innende-cke – mit negativem Vorzeichen versehen. Die MaterialdiInnende-cke des Kaschierver-bundes wird dabei berücksichtigt.
Abbildung 2: Bestimmung der Planlageabweichungen
E-Modul Der Elastizitätsmodul (auch Zugmodul oder Dehnungsmodul) ist ein Material-kennwert, der den Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung, bei der Verformung eines Papierstreifens, bei linear elastischem Verhalten beschreibt.
Der Elastizitätsmodul wird als Formelzeichen mit E abgekürzt und hat die Ein-heit einer mechanischen Spannung. Der Betrag des Elastizitätsmoduls ist umso größer, je mehr Widerstand ein Papier seiner elastischen Verformung entge-gensetzt. Ein Papier mit einem höheren Elastizitätsmodul ist also steifer als ein Papier gleicher geometrischer Abmessung mit niedrigerem Elastizitätsmodul.
Der Elastizitätsmodul wird im Zugversuch nach DIN EN ISO 1924-2 ermittelt und ist als Steigung des Kraftverlaufs im Spannungs-Dehnungs-Diagramm bei einachsiger Belastung innerhalb des linearen Elastizitätsbereichs definiert. Der Elastizitätsmodul hängt u.a. von den Umgebungsbedingungen wie Temperatur oder Feuchte ab.
Zugversuch an konditionierten Papierproben
In diesem Versuchszyklus wurde der E-Modul von vorkonditionierten Papieren (Feuchtklima 85 % r.H.; Trockenklima 33 % r.H.) bestimmt. Hierfür wurden die vorgeschnittenen Papierstreifen in einer Klimakammer bei gewünschter relativer Luftfeuchtigkeit (r.H.) und 23 °C vorkonditioniert.
Die Konditionierung der Proben und die Prüfung konnten jedoch nicht im glei-chen Raum erfolgen. Damit kein Feuchtigkeitsaustausch der Papierproben mit dem Umgebungsklima während des Zugversuchs und beim Transport stattfin-den konnte, wurstattfin-den die Prüfstreifen in Kunststofftaschen mit stattfin-den Maßen 170 mm x 20 mm nach Konditionierung gegeben. Die Messung wurde an den Prüfstreifen mit der Kunststofftasche durchgeführt, wobei die Zugbelastung nur am Papierstreifen erfolgte.
Zugversuch an beheizten Pa-pierproben
Diese Versuchsreihe wurde zur Bestimmung des E-Moduls bei Papieren mit hoher Temperatur durchgeführt. Da sich eine vorgewärmte Papierprobe wäh-rend des Einspannens in die Prüfmaschine wieder abkühlen würde und das Handling einer auf 80 °C erhitzte Probe schwierig wäre, wurde eine
Heizvorrich-tung für den Zugversuch konstruiert. Diese konnte durch einen elektronisch re-gulierbaren Heizkolben auf eine voreingestellte Temperatur erwärmt werden.
Die Kontaktfläche der Heizplatte hatte die Abmessungen von 180 x 40 mm und wurde so in der Zugprüfmaschine eingebaut, dass die eingespannte Papierpro-be in direktem Kontakt zur Heizplatte war. Die ProPapierpro-be wurde dann so lange er-hitzt bis eine Temperatur von 80 °C erreicht wurde. Die Probentemperatur wur-de durch ein Infrarot-Thermometer überprüft.
Messverfahren zur Klebstoffana-lytik
Tabelle 3: Messverfahren zur Klebstoffanalytik
Parameter Messmethode
Viskosität (Rotationsviskosimeter) In Anlehnung an DIN EN ISO 3219 Oberflächenspannung (tensiometrisch) DIN ISO 1409
Dichte (gravimetrisch) Pyknometer
Kontaktwinkel (Benetzung) PTS-Methode PTS-PP: 103/85 Tortuosität,
Erläuterung Der in den Modellen berücksichtigte Parameter „Tortuosität“ gibt an, wie lang im Mittel eine Kapillare im Papier angenommen wird. Bezogen auf das Gesamtpa-pier (Liner) ist die Tortuosität ein Faktor, der sich als Quotient von Kapillarlänge in z-Richtung des Papiers und Papierdicke berechnet. Die Tortuosität lässt sich nicht direkt bestimmen/messen. Sie kann nur abgeschätzt werden, z.B. aus der Auswertung von REM-Bildern der betreffenden Papierquerschnitte.
Matlab als Programmier-werkzeug
Die Penetrationsmodelle wurden mit Hilfe der Programmierumgebung Matlab [40] als eigenständige Lösung programmiert, wobei die für die Problemstellung wichtigen Prozessbedingungen in die Modelle integriert wurden. Mit der so er-stellten Software konnten auch die Variantenrechnungen durchgeführt werden.
FEM zur Model-lierung des Plan-lageverhaltens
Im Rahmen der Modellierungsarbeiten wurde die Finite-Elemente-Methode (FEM) eingesetzt, um das Planlageverhalten von Wellpappenaufbauten unter Berücksichtigung der durch Feuchtegehaltsänderungen bedingten Dehnungen der Einzellagen zu berechnen. Dazu wurden verschiedene mehrlagige Aufbau-ten, bestehend aus innerem und äußerem Liner sowie der Welle, mit dem Soft-warepaket LS-Dyna (Fa. Dynamore) nachgebildet. Für die einzelnen Materialla-gen erfolgte die Implementierung der zugehöriMaterialla-gen Materialkennwerte (feuchte-abhängiger E-Modul und Dehnungskoeffizient). Für definierte Feuchtegehalts-änderungen wurde das zu erwartende Planlageverhalten berechnet. Die Vali-dierung vereinfachter Fälle erfolgte anhand analytischer Berechnungen.
Die für die Rechnungen vorzugebenden Modellparameter der Papierlagen wie Schichtdicke, E-Modul (feuchteabhängig), Dehnungen (Dehnungskoeffizient, Feuchtedifferenz) wurden aus den im Rahmen des Projektes durchgeführten Messungen beschafft. Weitere Kenngrößen, wie z.B. Querdehnzahlen oder Schubmodulwerte, wurden abgeschätzt bzw. aus der Literatur übernommen.
Testrechnungen zeigten, dass diese abgeschätzten Größen nur geringen Ein-fluss auf das Modellergebnis haben.
4 S ys temaufnahmen