TWB 01/2019
Forum Wissenschaft

Werkstoff-Messungen zur Vorhersage der Langzeittragfähigkeit von Wellpappe-Verpackungen

Die Zahlen auf dem Verpackungsmarkt sprechen eine eindeutige Sprache: Verpackungen aus Wellpappe sind mit einem Marktanteil von 64,2 % gefragter denn je zuvor [1].

Neben der gestiegenen Nachfrage der Online-Großhändler bestimmt insbesondere das wachsende Umweltbewusstsein der Konsumenten die Nachfrage nach rezyklierbaren Einwegverpackungen. Versandfirmen greifen zur Verbesserung ihres Carbon footprint daher vermehrt zu Verpackungsmaterialien aus Wellpappe. Für einen Versandprozess über wenige Stunden oder Tage ist die Auslegung der Verpackung in den meisten Fällen unproblematisch. Mithilfe quasistatischer Versuche, wie dem Box Compression Test (BCT) werden Verpackungskennwerte generiert, die eine Aussage zum Tragverhalten unter einer kurzzeitigen Belastung geben. Anders sieht es bei Anwendungsfällen aus, welche über mehrere Wochen oder Monate gehen. Beispiele sind Transportprozesse auf dem Seeweg in Richtung Nord- und Südamerika, aber auch Transporte auf dem Schienen- oder Straßennetz innerhalb Eurasiens. Die Auslegung der Verpackung erfolgt hier über Sicherheitsfaktoren, die einem gemessenen BCT-Wert beigefügt werden, oder mittels Anwendung einfacher mathematischer Formeln. Zahlen aus der Versicherungsbranche bestätigen jedoch die Ungenauigkeit dieser Auslegungen und folglich ein Versagen der Verpackung. Um Versagensfälle zu minimieren sowie in anderen Fällen unnötige Materialüberdimensionierung zu vermeiden, führte die Papiertechnische Stiftung (PTS) ein Forschungsvorhaben durch, bei dem eine Messmethode zur Vorhersage des Kriechverhaltens von Wellpappe-Verpackungen entwickelt wurde. Mit dieser Methode konnte die Langzeittragfähigkeit von Verpackungen aus Wellpappe anhand von Materialproben ermittelt werden [2, 3]. Die genaue Vorgehensweise bei der Untersuchung und die Ergebnisse sind im Folgenden beschrieben.

Stand des Wissens

Als Grundlage der entwickelten Methode diente das viskoelastische Materialverhalten von Papier. Bei einer aufgebrachten Last verhält sich der Faserwerkstoff nämlich nicht rein elastisch oder plastisch. Nach einer anfänglichen elastischen Auslenkung folgt ein kontinuierlicher viskoser Fließprozess, welcher eine bleibende plastische Verformung nach Entlastung des Materials nach sich zieht. Diese spezifische Materialeigenschaft sowie die komplexen Zusammenhänge von Klima- und Belastungseinfluss während eines langzeitlichen Kriechprozesses stellen Herausforderungen dar, welche durch den Einsatz einfacher Formeln nicht gelöst werden können. Aktuell kann diese komplexe Fragestellung nur mit der Durchführung zeit- und kostenintensiver Langzeituntersuchungen am Packmittel beantwortet werden.

Die neu entwickelte Methode hingegen greift das viskoelastische Verhalten des Werkstoffs auf, indem ein mathematisches Modell dieses Verhalten realitätsnah nachstellen kann. Hierfür werden sogenannte Maxwell-Elemente genutzt, welche aus einer Reihenschaltung einer Feder und eines Dämpfers bestehen. Die Feder nimmt die anfängliche elastische Verformung auf und ermöglicht eine Rückverformung des Elements nach Lastentnahme. Der Dämpfer übernimmt die Funktion der viskosen, irreversiblen Verformung über einen definierten Zeitbereich. Werden im weiteren Prozess mehrere dieser Elemente parallel geschaltet, entsteht ein generalisiertes Materialmodell (vgl. Abbildung 1), welches Informationen zum frequenzabhängigen Materialverhalten liefert.

Abbildung 1: Schema eines generalisierten Maxwell-Modells mit parallel geschalteten Maxwell-Elementen, bestehend je aus einem Feder- und einem Dämpferelement
Abbildung 1: Schema eines generalisierten Maxwell-Modells mit Abbildung 1: Schema eines generalisierten Maxwell-Modells mit parallel geschalteten Maxwell-Elementen, bestehend je aus einem Feder- und einem Dämpferelementparallel geschalteten Maxwell-Elementen, bestehend je aus einem Feder- und einem Dämpferelement
Quelle: PTS

Methodik

Um dieses allgemeine Modell mit Kennwerten eines ausgewählten Materials zu füllen, wurden belastungsrelevante Werkstoffuntersuchungen durchgeführt. Hierbei spielten besonders der Druck sowie die Biegung, welche durch initial kleine Auslenkungen hervorgerufen werden, eine besondere Rolle. In der Materialprüfung von Wellpappe gibt es für diese beiden Beanspruchungen genormte Prüfverfahren: Den Kantenstauchwiderstand (Edge Crush Test, ECT) sowie die Messung der Biegesteifigkeit. Um die Methode praxisnah durchzuführen, wurde auf diese Methoden zurückgegriffen. Abweichend von der Norm wurden jedoch die Belastungsgeschwindigkeiten angepasst, um das generalisierte Maxwell-Modell zu definieren. Die Grenzen der Belastungsgeschwindigkeit wurden hierbei durch die Rahmenbedingungen der genutzten Prüfmaschinen bestimmt.
Abbildung 2 und 3: Detailaufnahmen der entwickelten Zeitstandvorrichtungen für Druck (li.) und Biegung (re.)
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Quelle: PTS
Abbildung 2 und 3: Detailaufnahmen der entwickelten Zeitstandvorrichtungen für Druck (li.) und Biegung (re.)
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Quelle: PTS

Ergebnisse und Diskussion

Die Ergebnisse der Untersuchungen bestätigten die Geschwindigkeitsabhängigkeit der Materialkonstanten hinsichtlich Steifigkeit und Festigkeit. Je höher die Prüfgeschwindigkeit, desto größer die genannten Werte. Nach Festlegung der Feder- und Dämpferkonstanten im frequenz-abhängigen Modell erfolgte die Umrechnung mittels Prony-Analyse zu einer Zeitabhängigkeit des E-Moduls. Somit war es möglich, das Kriechverhalten des Werkstoffs für eine definierte Belastung vorherzusagen. Messungen an Werkstoffproben mit eigens hierfür entwickelten Prüfvorrichtungen bestätigten diese theoretischen Berechnungen (vgl. Abbildung 2).

Der Einfluss von abweichenden Klimabedingungen kann über zwei verschiedene Möglichkeiten in das Berechnungsmodell einfließen: Entweder es erfolgen Kurvenanpassungen mittels Shiftern für feuchtere Klima auf Grundlage von Messungen mit den entwickelten Prüfständen oder es werden die entsprechenden Untersuchungen zur Definition des Maxwell-Modells in festgelegten Umgebungsbedingungen durchgeführt. Letzteres ist zukünftig an der PTS mittels Universalprüfmaschine mit integrierter Klimakammer möglich. Sind die Werkstoffkennwerte zum zeitabhängigen E-Modul für verschiedene Klimastufen vervollständigt, können auch Phänomene wie real auftretende Klimazyklen untersucht und berechnet werden. Als letzter Schritt erfolgt die Implementierung der zeitabhängigen Materialkonstanten in eine Umgebung für Berechnungen mittels der Finiten-Elemente-Methode (FEM). Die Methode ist dadurch charakterisiert, dass hier die notwendige Wandlung der Werkstoff- in Verpackungskennwerte erfolgt. Mit der FEM-Simulation ist es dann möglich, bei gegebenem Umgebungsklima, aufgrund der Verringerung der E-Module für Druck und Biegung ein Erweichen der Verpackung zu berechnen und somit eine Standzeit vorherzusagen. Auch diese Berechnungen wurden durch Praxisuntersuchungen validiert und als geeignet eingestuft.

Schlussfolgerung

Die im Rahmen des Projekts entwickelte Methode zur Vorhersage des Kriechverhaltens von Verpackungen aus Wellpappe zeigte unter Laborbedingungen in der Tat Bestand. Weiterer Forschungsbedarf ergibt sich zur Fragestellung von einmaligen Stoß- und langfristigen Vibrationseinflüssen, welche in jedem Transportprozess vorkommen. Generell ermöglicht das Berechnungsmodell die Implementierung dieser Einflussfaktoren, was zu einer realistischeren und anwendungsnäheren Berechnung führen wird.

Danksagung

Das Forschungsvorhaben IGF 18876 BG 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 unserem Projektpartner BFSV − Institut für Beratung, Forschung, Systemplanung, Verpackungsentwicklung und -prüfung aus Hamburg sowie den beteiligten Firmen für die Probenbereitstellung und die freundliche Unterstützung bei der Projektdurchführung.

Dipl.-Ing. Benjamin Hiller, Papiertechnische Stiftung, Pirnaer Straße 37, 01809
Heidenau, benjamin.hiller@ptspaper.de

Literatur:
[1] Verband Deutscher Papierfabriken e.V. (VDP), VDP Statistiken, Statistische Kurzin-formation deutscher Zellstoff- und Papierfabriken, URL: https://www.vdp-online.de/fileadmin/Datensammlungen/Statistik/2017/08_2017_Kurzinfo_Allg.pdf, abgerufen am 11. Oktober 2017
[2] B. Hiller, V. Köstner, T. Kuntzsch, B. Sadlowsky, Predicting the long-term mechanical behavior of corrugated cardboard packaging based on speed rate controlled short term tests, Progress in Paper Physics Seminar, Conference Proceedings, 65-70, Darmstadt 2016
[3] T. Kuntzsch, B.Hiller, Innovative Prüfmethoden zur mechanischen Bewertung von Wellpappenverpackungen, PTS Wellpappe Symposium, München 2017

Information

Abstract

As part of a research project, Papiertechnische Stiftung (PTS) has developed a method which allows the calculation of the creep behavior from corrugated cardboard packaging by means of tests on material samples. For this purpose, a material model was developed enabling to simulate the long-term behavior of fiber-based materials. To define the model parameters speed-rate controlled short-term tests were carried out. The determined parameters were implemented in a finite element software to ensure the conversion of the material parameters into packaging parameters. All calculated creep curves of the materials and also the packaging were validated by means of new developed test devices.

Schlagworte
Langzeittragfähigkeit, Kriechverhalten, Verpackungsversagen, Wellpappe, Materialmodellierung
Keywords
long-term load capacity, creep behavior, packaging failure, corrugated cardboard, material modeling

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