Faserbasierte Lösungen

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PTS-FORSCHUNGSBERICHT IK-VF 130044

BESTIMMUNG WERKSTOFFMECHANISCHER KENNWERTE AN FASER- BASIERTEN WERKSTOFFEN AUS OPTISCH ERMITTELTEN DEHNUNGS- FELDERN

FASERN & COMPOSITE

VERPACKUNGEN & KONFORMITÄT DRUCK & FUNKTIONALE OBERFLÄCHEN PAPIERWIRTSCHAFT 4.0 PRÜFUNG & ANALYTIK

» VERPACKUNGEN

UND KONFORMITÄT »DRUCK UND

FUNKTIONALE OBERFLÄCHEN » MATERIALPRÜFUNG

UND ANALYTIK

» FASERN UND

COMPOSITE » ^INNOVATIVE

MESSTECHNIK

Faserbasierte Lösungen

für die Produkte von Morgen

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T. Kuntzsch, K. Kühnöl:

Bestimmung werkstoffmechanischer Kennwerte an faserbasierten Werkstoffen aus optisch ermittelten Dehnungsfeldern

(Optische Dehnfeldmessung) PTS-Forschungsbericht VF 130044 Juni 2017

Papiertechnische Stiftung (PTS) Heßstraße 134

D - 80797 München www.ptspaper.de

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Ansprechpartner:

Katrin Kühnöl Tel. (03529) 551-611

katrin.kuehnoel@ptspaper.de Papiertechnische Stiftung PTS Institut für Zellstoff und Papier IZP Pirnaer Straße 37

01809 Heidenau

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 Beschlus- ses des Deutschen Bundestages gefördert wurde. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt.

Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen für die Probenbe- reitstellung und für die freundliche Unterstützung bei der Projekt- durchführung.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 10/16

Inhalt

1 Zusammenfassung ... 2

2 Abstract ... 3

3 Einleitung und Ausgangssituation ... 4

4 Zielstellung ... 6

5 Material und Methoden ... 7

6 Adaption des optischen Messsystems an verschiedene Prüfvorrichtungen ... 10

7 Methodenentwicklung und Bestimmung von Kennwerten ... 13

8 Neuartiger Versuchsstand Kugelindenter-Torus-Prüfvorrichtung ... 17

9 Verbesserte Materialbeschreibung als Grundlage für Simulationen ... 21

10 Charakterisierung praxisrelevanter, komplexer Beanspruchungen ... 22

11 Bewertung ortsaufgelöster Dehnungsverteilungen... 24

12 Bedeutung der Projektergebnisse und Anwendungsmöglichkeiten ... 25

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1 Zusammenfassung

Zielstellung Ziel des Projektes war die Entwicklung neuer Methoden für eine verbesserte grundlagenmechanische Bewertung von dünnen, naturfaserbasierten Werkstof- fen, wobei bestehende und neu zu entwickelnde mechanische Prüfvorrichtun- gen mit optischen Dehnfeldmessungen kombiniert wurden. 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.

Ergebnisse 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 grundlagen-mechanische Mate- rialparameter zu bestimmen

• Ermittlung von bislang für Papierwerkstoffe nicht standardmäßig verfügba- ren Materialkennwerten (wie z.B. Querdehnzahlen, Schubkennwerte) sowie zugehörigen elastischen und plastischen Verformungsgrenzen für die Ver- wendung 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 Verar- beitungsprozesse bzw. in praxisrelevanten Lastsituationen (z.B. bei Um- formprozessen oder bei Herstellung und Anwendung von Verpackungen aus Karton und Wellpappe)

Schluss-

folgerung Der Nutzen der durchgeführten Projektarbeiten besteht darin, Papierfaserba- sierte Materialien zum Werkstoff bzw. Halbzeug anderer Branchen zu entwickeln und erkennbar zu machen. Die Nutzbarmachung der in anderen Berei- chen etablierten Entwicklungs- und Konstruktionsmethoden für papierfaserbasierte Materialien eröffnet in Kombination mit der Papiererzeugungstechno- logie 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 Dimensionie- rung sorgt z.B. im Bereich der Verpackungspapiere für innovative, leichte und feste Verpackungen. Die hierbei wirksamen Effekte resultieren aus Einsparun- gen von Rohstoffkosten. Durch eine Verringerung der Flächenmasse bei gleich- bleibend festen Verpackungen verringert sich die Masse des zu transportierenden Gutes. Die spezifischen Transportkosten werden gesenkt und ein aktiver Beitrag zur Nachhaltigkeit (Energieeffizienz, Ressourcenschonung) geleistet.

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2 Abstract

Project objective

and results The projects aim was to develop and to improve testing methods to characterise the mechanical behaviour of thin, fibre based multi-layered materials by the application and adaptation of a digital image correlation and strain field analysis technique. The following results were achieved:

• development of new testing devices and setups involving optical strain field analysis to provide improved testing control, to make available local deformation distributions and to investigate material characteristics that are not accessible otherwise; e.g. for paper, board and packaging tensile, compres- sion or indendation tests

• determination of non-standard parameters for paper based materials (e.g.

transvers contraction, Poisson’s number, shear moduli, elastic and plastic deformation limits) for the use in constitutive material law descriptions and corresponding finite-element simulations

• characterization procedures for a further elucidation of the complex stress situation during industrial scale converting or forming processes of paper and board or new materials e.g. for lightweight and construction applications

Benefits The outcome of the research project is to make available paper based materials as a component or semi-finished product for other branches that can be de- scribed, evaluated, designed in a way very similar to other established materials as metal sheets of plastic foils. The advantage is that development rules and design tools from other branches such as lightweight, construction or automo- tive industry can be used for products from paper technology processes. As a result, sustainable, innovative fibre and paper-based products could open new markets substituting products that are based on crude oil or other fossil raw materials. A well-directed dimensioning e.g. in the field of 3-dimensional packaging will lead to new stable, lightweight products avoiding over-dimensioning.

Because of a reduction of grammage this may also result in material and cost savings. Furthermore, a contribution to an improved energy efficiency can be achieved due to a reduction of the specific transport costs.

Acknowledge-

ment The research project VF 130044 was funded by the German Federal Ministry of Economic Affairs and Energy BMWi in the programme for the "Promotion of Research, Development and Innovation in disadvantaged areas" based on the decision of the German Parliament and carried out under the umbrella of Euro- Norm in Berlin. We would like to express our warm gratitude for this funding and for the support of the involved German companies.

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3 Einleitung und Ausgangssituation

Ausgangs-

situation Ein wachsender Bedarf an nachhaltig verfügbaren Rohstoffen und knapper werdende Rohölressourcen steigern die wirtschaftliche Bedeutung natürlicher Faserstoffe. Das eröffnet neue, über den traditionellen Einsatz von Papier hinausgehende Anwendungen für cellulosische Fasern, beispielsweise in maßgeschneiderten 3D-Verpackungslösungen, im Leichtbau oder in Konstrukti- onswerkstoffen. Im Fahrzeug-, Maschinen- und Anlagenbau, der Bauindustrie sowie der Medizintechnik wird beispielsweise Leichtbau als eine der bedeu- tendsten Zukunftstechnologien angesehen [1]. Ein großer Forschungsbedarf besteht dabei noch in den Bereichen Recycling, Simulation und der Verbin- dungstechnik verschiedener Werkstoffe (Multi-Material-Design). Hier können durch innovative Lösungen neue Märkte erschlossen werden.

Der Faserverbund-Leichtbau bietet damit große Chancen auch für die Entwick- lung neuer, über den traditionellen Einsatz im Papier hinausgehender, faserbasierter Lösungen aus der Papierindustrie [2]. Eine Grundlage dafür stellen heutige, Papier basierende Leichtbauelemente und -lösungen dar, die z.B.

Wellpappe oder Waben nutzen. Diese Produkte sind erfolgreich und werden auch in High-Tech-Bereichen, wie modernen Möbeln und Automobilen, ange- wendet. Als vorteilhaft werden die produktive Verarbeitungstechnik und die Nachhaltigkeit bewertet. Aktuelle Entwicklungen befassen sich z.B. mit neuartigen Papier-Blech-Verbunden im Fahrzeugbereich [3].

Bei der Erschließung neuer Anwendungsbereiche steht neben der zentralen Kostenfrage das Ziel im Vordergrund, die Bauteile technologisch effizient herzustellen. Dafür sollen weitestgehend etablierte Technologien für die Verarbeitung der verwendeten Halbzeuge einsetzbar sein, z.T. sind aber auch neue Techno- logien erforderlich, wie z.B. integriertes Fügen und Umformen [4]. Bedingt durch die Dynamik in der Produktentwicklung nimmt der gezielte, planerische Entwurf wachsenden Stellenwert ein. Der Einsatz geeigneter Simulationssoftware, meist auf Grundlage der Finite-Element-Methode (FEM), ist dabei im modernen Kons- truktionsprozess unumgänglich und insbesondere im Maschinenbau und Bau- ingenieurwesen gängige Praxis. Für die einzelnen Materialien wird eine Werk- stoffcharakterisierung in Form von Materialmodellen benötigt, die zur Erfassung dreidimensionaler Spannungs- und Verformungszustände geeignet sind.

Verfügbare Messmethoden für Papier

Die in der Papierindustrie verbreiteten Messverfahren sind aber entgegen den zuvor beschriebenen Anforderungen darauf ausgelegt, die Eigenschaften des fertigen Produktes bzw. Halbzeugs im Hinblick auf spezielle praxisnahe Eig- nungsaspekte zu erfassen und für Vergleiche von Gut-/Schlechtmustern bereit- zustellen (vgl. [5]). Weiterhin im Einsatz sind Prüfverfahren zur Bewertung der Verarbeitbarkeit, wie z.B. Bestimmung des Rillbarkeitsbereiches, Beurteilung der Falzbarkeit oder Ermittlung des Stapelstauchwiderstandes, welche aber lediglich Versagenspunkte beschreiben und keine Ursachenanalyse und kon- struktionsbedingte Werkstoffoptimierung zulassen. Messverfahren, die eine im Produktionsprozess frühzeitige Prognose dieser Eigenschaften basierend auf den Grundlagen der Kontinuumsmechanik ermöglichen, sind bislang kaum entwickelt und nicht etabliert. Entsprechende Kennwerte bzw. parametrierte Materialmodelle sind den Herstellern, Verarbeitern und Anwendern zur Er- schließung der benannten neuen Anwendungsgebiete i.d.R. nicht verfügbar.

Eine Gegenüberstellung des Eignungspotentials mit anderen Werkstoffen

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 10/16 (Kunststoffe, Metalle, Hölzern, zementgebundenen Werkstoffen oder Verbun- den) ist daher meist nicht möglich. Wenn Papier jedoch mit diesen Werkstoffar- ten kombiniert wird um einen Verbund zu konzipieren, dessen Eigenschaften gezielt eingestellt werden soll, ist die Verfügbarkeit einer grundlegenden, kontinuumsmechanisch begründeten Werkstoffcharakteristik unabdingbar.

Kontinuums- mechanische Materialbeschrei- bung für Papier

Bei der Einordnung nach grundlegenden Werkstoffmodellen kann Papier bzw.

faserbasierten Werkstoffen entsprechend seines komplexen mechanischen Verhaltens ein viskoplastisches, orthotropes Materialverhalten zugeordnet werden. Ein orthotropes Material ist durch drei senkrecht aufeinander stehende Materialhauptachsen (MD-/CD-/ZD-Richtung) gekennzeichnet und kann im elastischen Bereich durch 9 Parameter beschrieben werden, je 3 Elastizitäts- moduli, Querdehnzahlen und Schubmoduli (vgl. z. B. [6]). Durch die Viskoplasti- zität werden zeit- und geschwindigkeitsabhängige Werkstoffeigenschaften, d. h.

dehnratenabhängige Spannungsverläufe, beschrieben. Je nach Anwendungsfall sind dann ggf. noch weitere Größen festzulegen u.a. die Formulierung von Fließ-, Schädigungs- und Versagenskriterien, wobei z.T. auch eine deutliche Differenzierung zwischen Druck- und Zugbeanspruchung erforderlich wird.

Die Bestandsaufnahme der verfügbaren direkten Messmethoden zur Bestim- mung von grundlagen-mechanischen Werkstoffparametern zum Zeitpunkt der Projektbeantragung (vgl. z.B. [11]) zeigte, dass zahlreiche der entwickelten Messmethoden außerordentlich aufwändig und unter Praxisbedingungen schwer anwendbar sind. Während z.B. geeignete Prüfmethoden für Zugbelas- tung vorliegen, ließen sich zur Bestimmung von Druck- und Schubeigenschaften bei Papier keine Prüfmethoden finden, aus denen sich die Parameter in Materi- algesetzen für Orthotropie und Elasto-Plastizität im Rahmen einer kontinuums- mechanischen Beschreibung, die für numerische Simulationen mittels der Finite-Element-Methode (FEM) benötigt wird, bestimmen lassen. Papier lässt sich wegen seiner geringen Dicke inbesondere bei Druck- oder Schubbean- spruchung in der Blattebene nur schwer testen, ohne dass Beulen auftritt.

Einsatz der Optischen Dehn- feldmessung

Bei Materialprüfungen mit mechanischer Beanspruchung erfolgt oft die Erfas- sung einer Belastung (Kraft) in der Richtung, in die eine Probendeformation (Weg) realisiert wird. Die optische Erfassung von Dehnungen mit Hilfe von Bild- analyse- oder Korrelationssystemen macht darüber hinaus zeitlich korrelierte 2D- oder 3D-Dehnungsfelder zugänglich, aus denen über direkte oder indirekte Verfahren (siehe z.B. [7-10]) grundlagenmechanische Kennwerte bestimmt werden können. Weiterhin kann die Verifikation der numerisch-mechanischen Modelle für den Einsatz von auf der FE-Methode basierender Konstruktions- bzw. Simulationssoftware unterstützt werden. Optische Messsysteme gestatten auch die Erfassung örtlich und zeitlich lokaler Dehnungsspitzen im zeitlichen Verlauf der Belastung und bieten eine besondere Charakterisierungsmöglichkeit plastischer Deformationen und einsetzender Materialschädigung. Außerdem ermöglicht die optische Erfassung der Dehnungen eine Gütekontrolle der Versuchseinrichtung für den jeweils angestrebten Zweck. Die optische Dehn- feldanalyse bietet daher großes Potential für eine deutlich verbesserte grundlagen-mechanische Bewertung von Papier bzw. ähnlichen Materialien.

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4

Zielstellung

Zielstellung Optische Messsysteme bieten ein großes Potential zur begleitenden Erfassung von Verschiebungen und Dehnungen bei einer großen Variationsbreite von Versuchen zur mechanischen Belastung an faserbasierten Halbzeugen bzw.

Produkten. 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 Konstruktionsprozes- ses von Produkten verwendet werden können. Dafür sollten direkte und indirekte Verfahren entwickelt und zum Einsatz gebracht werden, um insbesondere schwer zugängliche werkstoffmechanische Kennwerte (z.B. Querkontraktion, Schubkennwerte) dünner, schichtartiger Naturfaserwerkstoffe verfügbar zu machen. Zur Erreichung der Zielstellung wurde eine Kopplung bzw. Adaption eines an der Forschungsstelle verfügbaren Kamera- und Bildanalysesystems zur Verformungs- und Dehnungsanalyse mit bereits vorhandener Prüftechnik bzw.

neu aufgebauten Prüfvorrichtungen vorgenommen.

Teilziele Das geplante Projekt umfasste folgende Teilziele:

• Aufbau geeigneter Messplätze durch Erweiterung der vorhandenen werkstoffmechanischen Messtechnik, um bislang nicht zugängliche grundlagenmechanische Materialparameter über die Kombination mechanischer Belas- tung mit optischen Dehnfeldmessungen zugänglich zu machen

• Methodenentwicklung zur direkten und indirekten Bestimmung von Material- kennwerten und Screening des Anwendungsspektrums

• Ermittlung von bislang für Papierwerkstoffe nicht standardmäßig verfügbaren Materialkennwerten Querdehnzahlen, Schubmoduli, sowie zugehöriger elastischen und plastischen Verformungsgrenzen u.a. für die Verwendung in kontinuumsmechanisch formulierten Materialgesetzen

• Erarbeitung praxisverwertbarer Erkenntnisse für ausgewählte Verarbei- tungsprozesse bzw. Konstruktionsschritte bzgl. Karton und Wellpappe

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5 Material und Methoden

Mechanische

Versuche Im Rahmen der Projektarbeiten wurden optischen Dehnfeldmessungen begleitend zu verschiedenen mechanischen Versuchen realisiert. Bei den bereits etablierten Prüfungen wie Zugversuch, Flachstauchwiderstand und Stapel- stauchwiderstand dienten die entsprechenden Normen als Ausgangspunkt. Es wurden aber auch gezielt Messungen mit abweichenden Einstellungen vorgenommen, um z.B. bei Zugversuch ortsaufgelöste Dehnungsverteilungen an verschiedenen Probengeometrien oder das Verhalten bei Be- und Entlastungs- zyklen zu untersuchen. Tabelle 1 zeigt eine Übersicht der unter Anwendung der optischen Dehnfeldmessung durchgeführten mechanischen Versuche.

Tabelle 1: Mechanische Versuche mit optischer Dehnfeldmessung

Prüfeigenschaft Prüfnorm/-vorschrift

Papier- und Kartonmuster

Zugversuch (in der Blattebene) DIN EN ISO 1924-2 Druckversuch (in der Blattebene) Spezialmethode PTS [13]

Versuchsaufbau Kugelindenter/Torus Spezialmethode (Entwicklung in diesem Projekt) Schubversuch Out-of-Plane Spezialmethode PTS [14]

Wellpappe / Faltschachteln Flachstauchwiderstand (FCT),

inclusive Auswertung „First Peak“ DIN EN ISO 3035 bzw. Spezial- methode PTS

Kantenstauchwiderstand (ECT) DIN EN ISO 3037 Stapelstauchwiderstand der Schach-

tel (BCT) DIN 55 440-1

Alle Messungen erfolgten im Normklima (23°C, 50% rel. Luftfeuchte) bei entspre- chender Vorklimatisierung der Proben.

Versuchsmuster Es wurde ein breites Spektrum an verschiedenen Probenmaterialien berücksich- tigt (s. Tabelle 2) und insbesondere folgende Aspekte erfasst:

• Vergleich (transversal-) isotroper Laborblätter mit z.T. stark anisotropen Praxispapieren

• Unterschiedliche Schichtaufbauten: einlagig, mehrlagig, Materialverbunde z.T.

mit Beschichtungen

• Karton mit Hinblick auf Eignung für Umformprozesse (z.B. Tiefziehen, Rillen)

• Wellpappen-Verpackungen (Rohpapiere, Wellpappen, Faltschachteln)

• Spezielle dünne, z.B. graphische Papiere zur Bewertung ortsaufgelöster Inhomogenität bis hin zu Effekten der Mikrostruktur von Einzelfasern und -bindungen

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 10/16 Tabelle 2: Versuchsmuster und Zuordnung mechanischer Versuchen

Material Durchgeführte Versuche

„Dünne“ Papiere zur Bewertung der ortsaufgelösten Dehnungen bis hin zur Einzelfaserbewertung

Kopierpapier 80g/m²

- Zugversuch (in der Blattebene) Laborpapiere 20 - 60 g/m²

Karton für Umformprozesse (u.a. Tiefziehen, Rillen) Praxiskartone 300 – 350 g/m² (mehr-

lagige Primärfaserkartone, z.T. auch gestrichen, braune Rückseite bzw.

PET-beschichtet)

- Zugversuch (in der Blattebene)

Verbesserter, tiefziehfähiger Karton

(Versuchspapiermaschine, 300 g/m²) - Versuchsaufbau Kugelinden- ter/Torus

Labormuster 250 g/m²

(NBSK, z.T. spezielle Fasermodifizie- rung und mehrlagig nass vergautscht)

- z.T. Druckversuch (in Blattebene) und Schubversuch Out-of-Plane Wellpappenpapiere / Verpackungen

Wellpappenrohpapiere

(100 u. 170 g/m²) - Zugversuch (in der Blattebene) Wellpappe B- und BC-Welle - Flachstauchwiderstand (FCT)

- z.T. Kantenstauchwiderstand (ECT) Wellpappe-Faltschachteln, verschie-

dene Abmessungen - Stapelstauchwiderstand (BCT)

Materialmodell,

Kennwerte Das diesem Projekt zentral zu Grunde gelegte allgemeine kontinuums- mechanische Modell auf mesoskopischer Betrachtungsebene besteht aus Kontinuumsmodellen für die Schichten und ggf. Interfacemodellen für die Schichtenverbunde bei mehrlagigen Strukturen. Abb. 1 veranschaulicht die normalen und tangentialen Spannungsgrößen in den drei Hauptrichtungen für Papier. In dem zugehörigen zumeist orthotrop richtungsabhängigen Materialmo- dell sind entsprechende Steifigkeitskenngrößen und Querdehnzahlen sowie je nach Komplexität der Aufgabenstellung Festigkeiten, Dehnratenabhängigkeit, plastisches Verformungsverhalten und Schädigungen bzw. Versagen zu berück- sichtigen und zu definieren.

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Abb. 1: Spannungsgrößen anhand der Hauptrichtungen von Papier [11]

Simulation Unter Beteiligung der PTS wurden und werden für verschiedene Fragen Simula- tionsmodelle basierend auf der Finite-Element-Methode (FEM) entwickelt, z.B.:

• Simulation mechanischer Eigenschaften bei der Entwicklung adaptierter papierartiger Werkstoffe für Falt- und Honigwaben-Sandwichkerne (IGF 18256)

• Steuerung der Schubverformbarkeit und Lagenverschiebbarkeit von Papier und Karton zur Verbesserung der Umformbarkeit (IGF 18030)

• Kontinuumsmechanisch begründeten Methode zur Berechnung des klimaab- hängigen Kriechverhaltens von Wellpappe-Verpackungen (IGF 18876)

• Entwicklung von mechanischen Modellen zur Erfassung des Schwingungs- Dämpfungsverhaltens von Papier-Blech-Verbunden (IGF 362 ZBR)

• Modellierung der Deformation bzw. Schädigung von mehrfach gestrichenen Papieren infolge lokaler Biegebeanspruchungen beim Falzen (IGF 16555BG) Für die an der Forschungsstelle durchgeführten Simulationen kam die FE- Software LS-Dyna der Fa. Dynamore GmbH zum Einsatz. Es wurden z.T.

vereinfachte, in der Materialbibliothek verfügbare Materialmodelle verwendet. Für die Simulation des Rillens von Faltschachtelkarton erfolgte eine Neuentwicklung der Materialbeschreibung mit u.a. einer modifizierten assoziierten von-Mises- Fließfläche mit Zug/Druck-Differenzierung und Zug/Druck-abhängiger linearer isotroper Verfestigungsregel. Die Änderungen wurden als „User Defined Material“

in FORTRAN-Quellcode für das explizite Lösungsverfahren mit schnellem Rückprojektionsverfahren implementiert [14]. Eine Erweiterung dieses Ansatzes analog der von Hill modifizierten Fließbedingung für orthotrope Werkstoffe wurde begonnen. Inzwischen wurde seitens Dynamore ein sogenanntes MAT PAPER integriert.

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6 Adaption des optischen Messsystems an verschiedene Prüfvorrichtungen

Anpassung an Prüfvorrichtun- gen

Das optische Messsystem wurde zur Nutzung an den verschiedenen Prüfvorrich- tungen eingerichtet und angepasst, um die Arbeitsfähigkeit für alle vorgesehenen Anwendungsfälle herzustellen. Die für den Einsatz der optischen Dehnfeldmes- sung an der Universalprüfmaschine und der Stauchdruckpresse erforderlichen hardware- und softwareseitigen Maßnahmen wurden über die geplanten Leis- tungen Dritter realisiert.

Die experimentellen Untersuchungen wurden zunächst anhand eines konventionellen Zugversuches an der Universalprüfmaschine begonnen. Anschließend wurden Tests des Messsystems in weiteren Versuchsanordnungen durchgeführt, u.a. Stauchversuche an Wellpappe in Dicken- und Längsrichtung sowie an Wellpappeverpackungen.

Für die Anwendungen erfolgte unter Berücksichtigung der Oberflächenqualitäten der Proben die Auswahl und Anordnung der Komponenten des optischen Messsystems (Stative, Kameras, Objektive, Beleuchtung). Im Rahmen eines Screenings an den zur Verfügung gestellten Probenmaterialien wurden aufge- nommene Dehnungsmessfelder beurteilt sowie eine Ergebnisauswertung und die Aufbereitung der Ergebnisse für eine visuelle Darstellung durchgeführt.

Anordnung

Zugversuch Abb. 2 zeigt den Versuchsaufbau beim Zugversuch und ein exemplarisches Ergebnis für die gemessenen ortsaufgelösten Dehnungen. Anhand der Ver- suchsergebnisse ist eine erweiterte bzw. verbesserte Bestimmung mesoskopischer Kenngrößen, d.h. homogenisierte Ersatzgrößen für Proben im cm-Bereich, möglich (z.B. Querdehnung, Überprüfung E-Modul). Weiterhin ermöglichen ortsaufgelöste Dehnungsgrößen eine weitere Aufklärung der Mikro-Makro- Struktur (Verhalten von Einzelfasern im Papier, Homogenität, Kennwerte in µm- und mm-Größenordnung, Einfluss Fasermodifikation und Stoffaufbereitung)

Abb. 2: Anwendungsbeispiel: Zugversuch mit digitaler Bilderfassung und berech- netes Dehnfeld in Zugrichtung

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 10/16 Anordnung

Flachstauchen von Wellpappe

Abb. 3 zeigt den Versuchsaufbau und Beispielergebnisse für einen Flach- stauchversuch an Wellpappe. Mit einem solchen Versuchsaufbau können Kompressionen der Wellpappe in Dickenrichtung, die z.B. bei Produktions- und Verarbeitungsprozessen auftreten können, deutlich differenzierter als bislang untersucht werden.

Abb. 3: Versuch zur Stauchung einer Wellpappenprobe in Dickenrichtung (FCT): Prüfvorrichtung mit Kamera und Ringlicht (links), unbelastete Probe mit Messpunkten (rechts oben), deformierte nichtideale Wellenstruktur mit Verschiebungsvektoren bei Belastung (rechts unten).

Setup BCT In Abb. 4 ist ein Beispiel für die begleitenden Kameraaufnahmen bei der Prüfung des Stapelstauchwiderstandes von Wellpappe-Faltschachteln dargestellt. Die durch die zeitliche Triggerung den mechanischen Messdaten genau zuordenba- ren Aufnahmen machen die im Versuchsverlauf auftretenden Deformationen einer qualitativen und quantitativen Auswertung zugänglich.

Abb. 4: Messung des Schachtelstauchwiderstandes: Anordnung bei Versuchs- beginn (links); Deformation bei Erreichen des Kraftmaximums (rechts)

Beleuchtung - Anforderung an Oberflächen

Als wichtig herausgestellt haben sich folgende Anforderungen an die Oberflä- chenbeschaffenheit:

• Probenoberfläche muss ein fein verteiltes, stochastisches, kontrastreiches und nicht periodisches Muster aufweisen

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• Periodische, regelmäßige Muster können die Bildkorrelation maßgeblich stören (auch z.B. Rasterdruck)

• Für Papier bzw. Papierverbunde reicht in vielen Fällen die natürliche, unre- gelmäßige Oberfläche für eine gute Bildkorrelation aus

• Insbesondere Durchlichtaufnahmen ermöglichen eine sehr gute Bildkorrelation und genaue Bestimmung der Messpunktverschiebungen; Auflicht-Aufnahmen erfordern z.T. zusätzliche Maßnahmen (Glättung, Fehlerkorrektur)

Abb. 5: Aufnahmen mit unterschiedlichen telezentrischen Objektiven:

Links: Karton ungestrichen 44 x 44 mm² im Durchlicht;

Mitte: Papier gestrichen, 22 x 22 mm² im Auflicht mit seitl. Beleuchtg.;

Rechts: dünnes Papier ca. 20g/m² 4,4 x 3,6 mm² Durchlicht.

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7 Methodenentwicklung und Bestimmung von Kennwerten

Entwicklung

Methodik Auf der Grundlage der in Kap. 6 beschriebenen Arbeiten wurden Verfahren entwickelt, um aus den von verschiedenen Versuchsanordnungen stammenden Dehnungsfeldern Materialkennwerte zu bestimmen. Dabei wurde der Schwer- punkt auf die Charakterisierung elasto-plastischen Materialverhaltens in der Blattebene bei quasistatischer Belastung gelegt. Als Dehnungskennwerte wurden Querdehnzahlen, elastische und plastische Grenzdehnungen sowie Bruchdehnungen betrachtet.

Digitale Bildkor-

relation Abb. 6 veranschaulicht das Prinzip der eingesetzten 2D Kreuzkorrelation (VEDDAC 6.2, Chemnitzer Werkstoffmechanik GmbH): die Position eines im unbeanspruch- ten Zustand festgelegtes Referenzbildes wird nach der Probendeformation in einem zuvor definierten Messfeld gesucht und anhand des höchsten Wertes für den Korrelationskoeffizienten Ki,j (s. nachstehende Formel) zugeordnet.

Abb. 6: Prinzip Digitale Bildkorrelation

Die Ermittlung der richtungsabhängigen Verschiebungen ∆_{j und}∆i erfolgt anhand des aus den Grauwerten von Referenz- und Messfeld (I bzw. M) berechneten Korrelationskoeffizienten Ki,j:

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 10/16 Messgitter Da die „natürliche“ Fasernetzwerkstruktur für ausreichend Kontraste sorgt,

können die Messpunktabstände (Auflösung der Messung) sehr frei gewählt werden. Abb. 7 zeigt ein Beispiel für ein Messgitter beim Zugversuch (Breite 30mm).

Abb. 7: Beispiel - Messgitter beim Zugversuch (links; oben fest und unten beweg- lich geklemmt) und die sich bei Zugbelastung einstellenden Verschiebungen (rechts; blau: Ausgangsgitter, braun: verschobenes Gitter)

Verschiebungen,

Dehnungen Ein beim Zugversuch ermitteltes Dehnungsfeld ist in nachfolgender Abb. 8 (links) dargestellt. Der Anstieg der geneigten Ebene ist dabei ein Maß für die durch- schnittliche Dehnung, die z.B. durch Mittelwertbildung für die einzelnen Zeitschrit- te in Zug- und Querrichtung ausgerechnet werden kann (Abb. 8 rechts). Die Abweichungen der lokalen Verschiebungen von einer idealen Ebene wiederum sind ein Maß für die Inhomogenität des mechanischen Materialverhaltens und können Informationen bzgl. der Verteilungsbreite der lokalen Dehnungen liefern.

Für die Durchführung der beschriebenen Berechnungen wurden die aus der digitalen Bildkorrelation ermittelten Verschiebungstrajektorien exportiert und mit einem Auswertescript (Excel-basiert) eingelesen und verarbeitet.

Abb. 8: Ergebnis der Dehnfeldmessung aus dem Zugversuch: Verschiebungsfeld (links) und mittlere Dehnungen in Zug- und Querrichtung (rechts)

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 10/16 Kennwerte

Querdehnzahl Bei der weiteren Auswertung wurden aus den Dehnungsverläufen dann auch Querdehnzahlen bestimmt (Vorgehen s. Abb. 9). Dazu wurde der Verlauf der Zug- und Querdehnungen durch ein Polynom 3. Ordnung approximiert und der Anstieg im Ursprung bestimmt (Annahme: kleine, überwiegend elastische Deh- nungen). Abb. 10 zeigt beispielhaft die zu berücksichtigende MD/CD-Unterschei- dung und den typischen Wertebereich bei Papieren bzw. Kartonmustern.

Abb. 9: Beispiel zur Bestimmung der Querdehnzahl aus dem Zugversuch

Abb. 10: Querdehnung mittels direkter Methode aus Zugversuche, Beispiele

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 10/16 Zugversuche mit

Be- und Entlas- tungszyklen

Weiterhin wurden auch Zugversuche durchgeführt, bei denen nach Erreichen der Niveaus von 1/6, 1/3 und 2/3 der Bruchkraft ent- und anschließend wiederbelas- tet wurde. Mit Hilfe der optischen Dehnfeldmessung wurden die lokalen Dehnun- gen mit hoher zeitlicher Auflösung erfasst. Aus diesen Daten können für jeden Zeitschritt dann die Änderungen der lokalen Dehnung berechnet und für die Bestimmung von elastisch/plastischen Grenzdehnungen verwendet werden (s.

Abb. 11 und Abb. 12).

Abb. 11: Erfassung der lokalen Verschiebungen bei zyklischen Zugversuchen:

Belastung

Abb. 12: Erfassung der lokalen Verschiebungen bei zyklischen Zugversuchen:

Entlastung

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8 Neuartiger Versuchsstand Kugelindenter-Torus-Prüfvorrichtung

Entwicklung

Prüfvorrichtung Es erfolgten Entwicklung, Aufbau und Inbetriebnahme eines neuartigen Ver- suchsstandes, in welchem Papierproben mit einem senkrecht zur Referenzflä- che von oben wirkenden Kugelindenter-Druckstempel geringfügig in eine Torus-förmige Unterlage gedrückt werden. Für die neue Prüfvorrichtung erfolgten Detailplanung und Beauftragung (Fertigung durch Dritte). Folgende Arbei- ten wurden ausgeführt:

• Erweiterung von Steuereinheit und Steuersoftware der Prüfmaschine

• Installation zweier Kameras zur Bildaufnahme von oben und unten sowie Inbetriebnahme einer Spezialsoftware zu deren Kombination

• Festlegung der Versuchsbedingungen und des Versuchsablaufes

• Parametrierung und Einsatz der Kamera- bzw. Auswertesoftware zur Bestimmung der Dehnungen in der Blattebene

Parallel zu diesen Arbeiten wurde ein entsprechendes Finite-Elemente-Modell für die Beanspruchung der Proben im Kugelindenter-Torus-Versuchsstand aufgebaut. Die dabei erzielten Ergebnisse gingen in die Konzeption des Ver- suchsstandes und die Ergebnisauswertung mit ein.

Entwicklung

Versuchsstand Die nachstehenden Abbildungen dokumentieren die Entwicklung und Realisie- rung der neuen Prüfvorrichtung (s. Abb. 13 und Abb. 14). Zur Kombination der Bilder der beiden Kameras und Durchführung der Bildkorrelation wurde eine Spezialsoftware der Fa. Chemnitzer Werkstoffmechanik GmbH eingesetzt.

Abb. 13: Entwicklung des Versuchstandes: Finite-Elemente-Modell (links) Skizze mit Kamerapositionierung (rechts)

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 10/16 Realisierter

Versuchsaufbau

Abb. 14: Prüfvorrichtung Kugelindenter/Torus (realisiert durch Fa. Hegewald &

Peschke Meß- und Prüftechnik GmbH)

Messergebnisse Die während der Versuche aufgenommenen Bilder wurden mit Hilfe der Bild- korrelation ausgewertet. Wie erwartet und auch durch das Modell prognosti- ziert, traten Dehnungen in der Blattebene auf, die infolge der Materialanisotro- pie auch deutliche richtungsabhängige Unterschiede aufwiesen (s. Abb. 15).

Die Größenordnung der festgestellten Verschiebungen war jedoch mit max. ca.

1 Pixel sehr gering und kleiner als mit Hinblick auf die angestrebte indirekte Berechnungsmethode erwartet. Insbesondere bei Betrachtung der durch Messunsicherheiten überlagerten, berechneten Dehnungen (Abb. 16) zeigten sich von den Simulationsrechnungen deutlich abweichende Verläufe, die eine verlässliche Rückrechnung auf Schubkennwerte nicht gestatteten.

Durch Testmessungen wurde aber gezeigt, dass sehr zweckmäßige mechanische Versuche durchgeführt werden können, wenn die Proben durch einen geeigneten Niederhalter fixiert und damit auch größere Deformationen erreich- bar werden, die insbesondere für das initiale Umformverhalten z.B. beim Tiefziehen sehr aufschlussreich sein können. Hierfür wären noch weitere Umbauten bzw. Erweiterungen notwendig (z.B. Ergänzung Niederhalter, Verfahrung der unteren Kamera zur Vergrößerung des Arbeitsbereiches bzgl.

Indenter-Eindringtiefe) die nicht in diesem Projekt realisiert werden konnten.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 10/16 Abb. 15: Gemessene Verschiebungen in x- und y-Richtung (Faltschachtelkarton, ungestrichen, Bild untere Kamera)

Abb. 16: Gemessene Dehnungen in x- und y-Richtung (Faltschachtelkarton, ungestrichen, Bild untere Kamera)

Simulation Die folgenden Ergebnisse der parallel zu den Messungen durchgeführten Simu- lationsrechnungen zeigen beispielhaft das Verhalten anisotroper Papiere wäh- rend des Kugelindenter-Versuches. Bei vergleichsweise kleinen Eindringtiefen des Kugelindenters (Abb. 17) zeigt sich eine deutliche Längs/Quer-Differen- zierung bei allerdings absolut gesehen sehr kleinen Dehnungen in der XY- Ebene. Bei größerer Indenter-Eindringtiefe wiederum sind die Absolutwerte der Dehnungen größer, die Richtungsabhängigkeit ist aber weniger stark ausge- prägt. Mit Hilfe des FE-Modells wurden weitere Simulationsrechnungen durchge- führt, bei denen die Steifigkeitskennwerte in der Ebene variiert wurden (E-Moduli EMD, ECD und Schubmodul GMD-CD). Es zeigte sich, dass die Schubspannung in der Ebene die Komponente mit den größten Zahlwerten darstellt und das Re- chenergebnis sehr deutlich vom Schubmodul und den richtungsabhängigen E- Modul-Kennwerten abhängt. Die Ergebnisse der Simulationen konnten qualitativ z.T. durch die Messungen bestätigt werden. Trotz der Wahl einer möglichst günstigen Geometrie fielen die gemessenen Effekte aber kleiner aus als erwartet. Die Gründe für dieses Verhalten sind darin zu sehen, dass einerseits Verein- fachungen und nicht genau bekannte Kennwerte im Modell verwendet wurden

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 10/16 und dass andererseits nicht bzw. nur sehr ungenau abgeschätzt werden konnte, mit welcher Genauigkeit die lokalen Verschiebungen bestimmt werden können, da dies auch maßgeblich z.B. vom erzielbaren Bildkontrast abhängt. Dennoch wird eingeschätzt, dass die erzielten Ergebnisse wertvolle Hinweise für die weitere Gestaltung und Anwendung von Simulationsmodellen im Zusammen- hang z.B. mit Umformprozessen liefern.

Abb. 17: Ergebnisse FE-Modell: Deformationen bei geringer Indendation

Abb. 18: Ergebnisse FE-Modell: Deformationen bei größerer Indendation Bestimmung

Schubkennwerte Es wurde festgestellt, dass die Genauigkeit der berechneten Dehnfelder nicht ausreichend für die ursprünglich angedachte, indirekte Bestimmung des Schubmoduls in der Blattebene ist. Dies stellt aber kein generelles Hindernis dar, da mittlerweile auch Methoden verfügbar sind, diese Größe alternativ aus richtungsabhängigen Zugversuchen [14] (für anisotrope Praxispapiere

und -kartone) bzw. aus E-Modul und Querdehnung (für isotrope Laborblätter) abzuschätzen. Für die detaillierte Messung des Schubverhaltens steht außer- dem ein weiterentwickelter Schubrahmen zur Verfügung [13].

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9

Verbesserte Materialbeschreibung als Grundlage für Simulationen

Komplexe Materialbean- spruchung

Beim Verarbeiten von Karton und anderer papierartiger Werkstoffe treten in vielen Fällen sehr komplexe mechanische Beanspruchungen auf. So sind z.B.

bei Umformprozessen aber auch beim konventionellen Rillen neben Zug- und Druckbeanspruchungen insbesondere Schubbeanspruchungen zu berücksichti- gen (vgl. Abb. 19). Mit den Projektergebnissen konnte ein Beitrag für die Bereit- stellung und Absicherung grundlagenmechanischer Kennwerte geleistet werden.

Diese in homogenisierten Materialbeschreibungen enthaltenen Kennwerte sind eine wesentliche Voraussetzung für den Einsatz von Simulationswerkzeugen zur lastgerechten Auslegung faserbasierter Produkte.

Abb. 19: Materialbeanspruchungen beim Wirkmedien-basierten Umformen (Forschungsvorhaben IGF 18030, links) und beim Rillen [12] (rechts)

Bewertung Stand Materialbe- schreibung

Mit den Ergebnissen dieses und weiterer z.T. zeitlich überlappend unter Beteili- gung der Papiertechnischen Stiftung durchgeführten Forschungsvorhaben und der dadurch erreichten Verfügbarmachung von Prüfvorrichtungen und -methoden kann die Situation für die Materialcharakterisierung dünner, schichtartiger faserbasierter Werkstoffe als deutlich verbessert angesehen werden. Dies betrifft insbesondere unidirektionale Messverfahren für wesentliche werkstoffmechanische Kenngrößen:

• In-Plane-Zug mit Be-/Entlastungspfaden zur Ermittlung von Steifigkeit, Quer- dehnung, plastischen Dehnungen und Schädigungsentwicklung (IK-VF 130044 - dieses Projekt)

• In-Plane-Schub im im elastoplastischen Bereich und Versagen sowie In-Plane- Druck (IGF 18256 [13])

• Out-of-Plane-Schub im elastoplastischen Bereich und Versagen sowie Out-of- Plane-Zug/Druck-Hystereseverhalten (IK-VF 120017 [14])

Weiterhin untersucht wurde in diesem Vorhaben der Einfluss von Inhomogenitä- ten bzw. lokal verteilten Eigenschaften: Prüfmethoden beschreiben i.d.R. das Verhalten einer Materialprobe im cm²- Bereich und gestatten keine Aussage über das lokale Verhalten, welches maßgeblich durch Fasern, Faserbündel und die lokale Anordnung bestimmt wird; „äquivalente“ Kennwerte sind daher oft nicht der konkreten Beanspruchungssituation angepasst. Ein Bedarf an weiteren Forschungs- und Entwicklungsarbeiten besteht aber noch bzgl. der Handhabbar- keit der z.T. recht komplexen, zeitaufwändigen Messungen zur Steigerung der Praxisakzeptanz. Zu einer Verbesserung könnten außerdem Untersuchungen beitragen, die sich mit zeitabhängigen Aspekten des Materialverhaltens in

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 10/16 Kombination mit den hier entwickelten Methoden der ortsaufgelösten optischen Dehnfeldanalyse und z.B. bei definierten, zu variierenden Randbedingungen bzgl. Feuchte und Temperatur befassen.

10 Charakterisierung praxisrelevanter, komplexer Beanspruchungen

Komplexe mechanische Beanspruchung

Im Rahmen von Demonstrationsversuchen wurde gezeigt, wie die in den vorhe- rigen Kapiteln dargestellten Ergebnisse genutzt werden können, um das Verhal- ten bei ausgewählten Verarbeitungsprozessen bzw. bei der Produktgestaltung zu bewerten. Untersucht wurde einerseits die Eignung für Umformprozesse (z.B.

Tiefziehen), bei denen eine komplexe mechanische Beanspruchung auftritt und das Schubverhalten bedeutend ist. Andererseits wurde am Beispiel von Well- pappenverpackungen gezeigt, wie die Ergebnisse der optischen Dehnfeldmes- sung zur Unterstützung der konstruktiven Produktgestaltung und für eine verbesserte Bewertung der Verpackungseigenschaften verwendet werden können.

Stauchung von

Wellpappe Der Einsatz der optischen Dehnfeldmessung begleitend zur Wellpappenprüfung ermöglicht eine verbesserte Auswertung insbesondere dann, wenn im Hinblick auf aktuell im Fokus stehende Leichtgrammaturwellpappen eine konsistente Bewertung über möglichst alle Grammaturen, Wellentypen und -kombinationen erreicht werden soll. Der normgerechte Flachtauchversuch ist beispielsweise nur an einwelliger Grobwellpappe möglich, da nur hierfür das globale Kraftmaximum eindeutig bestimmt werden kann. Die optische Dehnfeldmessung ermöglicht eine differenzierte Analyse des Wellpappenquerschnitts in allen Belastungsabschnit- ten für beliebige Wellpappenaufbauten und unterstützt damit die Ableitung von Kennwerten gerade auch im Bereich des ersten lokalen Maximums, da Deforma- tionen der Struktur und Beanspruchungen im Material besser voneinander unterschieden werden können (vgl. auch [15], 16).

Abb. 20: Ergebnis eines Flachstauchversuches an einer BC-Welle: Kraft-Weg- Verlauf und Dehnfeldanalyse am Wellpappenquerschnitt (First-Peak-Bereich)

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 10/16 Stauchversuch

BCT Wellpappe- Verpackungen

Weiterhin wurden Dehnungsmessungen begleitend zu Schachtelstauchversu- chen an Wellpappen-Verpackungen durchgeführt. Neben einer verbesserten Dokumentation des Versuchsablaufes auf Basis der zeitlich getriggerten Auf- nahmen (u.a. Differenzierung der Wölbungsrichtung der Seitenwände) ist es mittels der berechneten Dehnungsfelder möglich, bereits vor Erreichen der Maximalkraft auftretende lokale Welligkeiten bzw. örtlich begrenztes Beulen zu identifizieren und zu quantifizieren (s. Abb. 21).

Abb. 21: Anwendung der optischen Dehnfeldmessung beim Schachtelstauchver- such: Identifikation und Quantifizierung der lokalen Dehnungen in Bereichen, wo vor Erreichen des Kraftmaximums bereits signifikantes lokales Beulen auftritt

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11 Bewertung ortsaufgelöster Dehnungsverteilungen

Materialinhomo-

genitäten Die Anwendung der optischen Dehnfeldanalyse ermöglicht neben einer Bestim- mung bzw. Überprüfung der Gesamtprobendehnung bei mechanischen Bean- spruchungen auch die Möglichkeit, ortsaufgelöster Dehnungen zu berechnen.

Dadurch können insbesondere Prozesse mit hohen lokalen Belastungen (z.B.

das Rillen von Karton) und deren Auswirkungen auf die Materialschädigung des Fasernetzwerkes und von Beschichtungen besser bewertet werden. Generell ist die quantifizierende Beschreibung der mechanisch definierten Materialhomogeni- tät vor allem dann sehr zweckmäßig,

• wenn die Größenordnung der Gebiete mit hoher mechanischer Belastung bei der Materialprüfung und bei den zu bewertenden Praxisprozessen stark unter- schiedlich sind (z.B. Tests an cm-Proben und Praxisbeanspruchungen im Bereich einiger 10 oder 100 µm)

• oder wenn Effekte der Mikrostruktur (z.B. Einsatz speziell aufbereiteter oder modifizierter Fasern) im Hinblick auf Produkteigenschaften in wesentlich grö- ßerer Skala bewertet werden sollen

Abb. 22 zeigt exemplarisch die Dehnungsverteilung an einer Zugprobe kurz vor dem Bruch. Es konnte gezeigt werden, dass die lokalen Dehnungen um ein Vielfaches höher sein können als die mittlere Bruchdehnung. Weiterhin konnte festgestellt werden, dass der Bereich des späteren Risses schon frühzeitig an lokal erhöhten Dehnungen erkennbar war.

Die Methode wurde auch verwendet um Versuchsmuster zu untersuchen, an denen ein unterschiedliches Umformverhalten festgestellt wurde. Es zeigte sich, dass ein schlecht umformbares Muster eine deutlich inhomogenere Dehnungs- verteilung aufwies als ein anderes, gut umformbares [17].

Abb. 22: Optische Dehnfeldmessung zur Bewertung von Zugversuchen: Probe unmittelbar nach Riss (links); Dehnfeldauswertung unmittelbar vor Riss (Ein- spannung oben und unten)

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12

Bedeutung der Projektergebnisse und Anwendungsmöglichkeiten

Wissenschaftli-

che Bedeutung Die beschriebenen Anwendungen der optischen Dehnfeldmessung ermöglichen eine deutlich verbesserte Charakterisierung des werkstoffmechanischen Materi- alverhaltens dünner, schichtartiger, faserbasierter Werkstoffe. Dies umfasst Methoden zur direkten und indirekten Bestimmung von Materialkennwerten, welche auch für die Formulierung und Parametrierung kontinuumsmechanischer Materialgesetze Verwendung finden können, als auch Aussagen zur Material- homogenität unter Berücksichtigung der Effekte von Mikro- und Makrostruktur von Fasernetzwerken sowie die weitere Aufklärung der z.T. sehr komplexen Beanspruchungen z.B. bei Umformprozessen.

Die Anwendungsmöglichkeiten sind nicht auf herkömmliche Papiere und Kartone beschränkt, sondern erstrecken sich ausdrücklich allgemein auf faserhaltige Schichtmaterialien und Materialverbunde mit geringen Schichtdicken und geringer Steifigkeit, was durch ein breites Spektrum experimenteller Untersu- chungen abgesichert wurde. Weiterhin von Bedeutung ist, dass durch die Verfügbarmachung verbesserter Materialbeschreibungen in Form von Material- gesetzen auch eine Voraussetzung für praxisnahe, verfeinerte Modelle für umfassende Modellierungs- und Simulationsaktivitäten geschaffen wird.

Wirtschaftliche

Bedeutung Die wirtschaftliche Bedeutung des Vorhabens besteht darin, papierfaserbasierte Materialien zum Werkstoff bzw. Halbzeug anderer Branchen zu entwickeln und erkennbar zu machen. Dabei geht es vorrangig darum, die Eigenschaften von Papierfaserstoffen und daraus erzeugten Papieren werkstoffmechanisch zu charakterisieren, um neue Märkte durch nachhaltig verfügbare, innovative faser- oder papierbasierte Produkte zu erschließen, wobei bisher etablierte, auf Öl oder anderen fossilen Rohstoffen basierende Produktlösungen, substituiert werden sollen. 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 darstellbar zu machen sich die genannten neuen Märkte zu erobern. Eine zielgerichtete Dimensionierung sorgt z.B. im Bereich der Verpackungspapiere für innovative, leichte und feste Verpackungen. Die hierbei wirksamen Effekte resultieren aus Einsparungen an Rohstoffkosten. Durch eine Verringerung der Flächenmasse und festere Verpa- ckungen verringert sich die Masse des zu transportierenden Gutes. Dadurch werden die spezifischen Transportkosten gesenkt und ein aktiver Beitrag zur Nachhaltigkeit (Energieeffizienz, Ressourcennutzung) geleistet.

Anwendungs- potenzial in der mittelständischen Wirtschaft

Das Anwendungspotenzial resultiert insbesondere daraus, dass die Vorausset- zung für einen verstärkten Einsatz von nachwachsenden faserbasierten Rohstof- fen z.B. in Leichtbauanwendungen geschaffen wird. Die Abschätzbarkeit der Materialeigenschaften in einer frühen Entwicklungsphase gestattet deren gezielte Einstellung und hilft, Über- oder Unterdimensionierung zu vermeiden. Weiter- hin können die Ergebnisse auch genutzt werden, um Maßnahmen zur Vermei- dung von Ausschuss und Reklamationen bei der Herstellung und Verarbeitung zu ergreifen. Außerdem ist es möglich, die Ergebnisse für eine Optimierung der Verarbeitungsprozesse selbst durch eine zielgerichtete Konstruktion von Verar-

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 10/16 beitungswerkzeugen zu nutzen.

Hersteller von faserbasierten Halbzeugen und Produkten werden durch die Anwendbarkeit moderner Simulations- und Entwurfsmethoden in die Lage versetzt, die Anzahl Labor-, Technikums- und Praxisversuchen deutlich zu reduzieren sowie die Entwicklungsdauer zu verkürzen und damit eine Verringe- rung der Produktentwicklungskosten zu erreichen.

Anwendungsbe-

reiche Es bestehen folgende Anwendungsbereiche in der mittelständischen Wirtschaft:

• Herstellung von Packmitteln: Verbesserte Reaktionsfähigkeit der überwie- gend kleinen und mittelständischen Kartonagenbetriebe und Druckereien auf unterschiedliche bzw. zeitlich schwankende Werkstoffeigenschaften.

• Durch eine verbesserte Materialcharakterisierung und -spezifizierung ist eine schnelle, flexible Reaktion auf geänderte Eigenschaften möglich

• Karton - und Pappenherstellung: Nutzung für gezielten Produktaufbau, um den Spielraum realisierbarer Eigenschaften besser auszunutzen und sich neue Anwendungsfelder zu erschließen

• Herstellung von Composite- und Sandwich-Aufbauten: neue Möglichkeiten zur Erschließung wirtschaftlicher Effekte bei der Auswahl geeigneter Rohma- terialien, bei der Spezifikation von Produkten und bei der gezielten Entwick- lung und Dimensionierung von Verbundaufbauten.

• Erzeugung von Rohstoffen für die Papier- und Kartonherstellung: Bereitstel- lung speziell angepasster Faserstoffe, auch z.B. modifizierter Faserstoffe für Faserkomposite und Faserverbunde in neuen Einsatzgebieten

• Mess- und Prüftechnik: Anbieter können verbesserte Geräte für eine effekti- ve Bestimmung von Werkstoffkennwerten bereitstellen

• Planung in Ingenieurbüros und Beratungsfirmen: Nutzung der Projektergeb- nisse für Dienstleistungen zur Entwicklung neuer faserbasierter Lösungen und konstruktiven Auslegung faserbasierter Leichtbauelemente

Ansprechpartner für weitere Informationen:

Dipl.-Ing. Katrin Kühnöl Tel. 03529 / 551-611

katrin.kuehnoel@ptspaper.de Papiertechnische Stiftung PTS Pirnaer Straße 37

01809 Heidenau Tel. 03529 / 551-60 Fax 03529 / 551-899 e-Mail: info@ptspaper.de www.ptspaper.de

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