Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Analyse der Wirkung ultrahochfrequenter Schwingungen bei der Verformung faserbasierter Materialien in diskontinuierlichen und kontinuierlichen Prägeverfahren

Neben der Entwicklung einer objektiven und reproduzierbaren Bewertungsmethodik von Prägeergebnissen sowie einer Test- und Analysemethodik zur Charakterisierung des Prägeprozesses ist das primäre Ziel des Forschungsvorhabens die Beurteilung der Wirkung des Ultraschalls auf die prozess- und materialabhängigen Qualitäts- und Umformparameter beim umformenden Verfahren des Prägens von Fasermaterialien. Im Forschungsprojekt werden die Zusammenhängen zwischen physikalischen, mechanischen und chemischen Materialeigenschaften und den Ultraschallparametern hinsichtlich des Einflusses auf den diskontinuierlichen und kontinuierlichen Prägeprozess und die daraus resultierende erreichbare Prägequalität im Faserstoff ermittelt. Weiterhin werden die Wechselwirkungen zwischen den zu prägenden Substraten und den ultraschallüberlagerten Prägewerkzeugen untersucht. Die Erkenntnisse zum Substrateinfluss (z.B. Faserstoffdichte, Faserlänge, Faserart) und den wesentlichen Einflussgrößen des Prägeprozesses wie z.B. den Prägeparametern (Ultraschalldauer, -frequenz, -amplitude), der Werkzeuggeometrie (Schlupf, Prägehöhe, Flankenwinkel), dienen dazu, den Herstellern von Prägemaschinen eine effiziente und funktionsoptimierte Entwicklung des Prägewerkzeuges zu ermöglichen. Das ultraschallüberlagerte Prägen von Fasermaterialien stellt einen entscheidenden Schritt der Weiterentwicklung der Prägetechnologie dar, mit dem die Verfahrensgrenzen und die erreichbare Prägequalität sprunghaft erhöht werden kann. Mit den angestrebten Forschungsergebnissen ergeben sich für die mittelständischen Unternehmen der Branchen der Nahrungsmittel- und Verpackungsmaschinen, der Verpackungsmaschinen- und Packmittelhersteller sowie Abpacken neue Möglichkeiten im optischen und haptischen Design von Verpackungslösungen, Entwicklungspotenziale der Anlagentechnik im Bereich der Konsumgüterproduktion und der Prägewerkzeuggestaltung sowie die Möglichkeit der Materialoptimierung gegenüber den bestehenden Produkten für den konventionellen und ultraschallüberlagerten Prägeprozess im Bereich der Rohstofferzeugung. Somit wird die Grundlage geschaffen innovative Produkte zu entwickeln und letztendlich Zugang zu neuen Märkten zu erhalten.

Ergebniszusammenfassung:

Im Ergebnis des Projektes steht eine Methode zur reproduzierbaren und objektiven Bewertung von Prägeergebnissen beim statischen und rotativen Vollprägen von Karton bereit, welche durch die Verwendung von handelsüblichen Messgeräten und Prüfmitteln sowohl für den konventionellen als auch für den ultraschallunterstützten Prozess direkt in der Industrie anwendbar ist.

Weiterhin konnte anhand der erzielten Projektergebnisse eine Methode zur Charakterisierung und Beurteilung der Materialeignung von Kartonagen für den Umformprozess des Vollprägens entwickelt werden. Die entwickelte Ersatzprüfstrategie beinhaltet ausschließlich standardisierte Prüfmethoden nach aktuellen DIN-Normen, wodurch die Realisierbarkeit im industriellen Umfeld gewährleistet wird.

Gleichzeitig konnten im Forschungsprojekt die Wirkungen des Ultraschalls auf das Fasersubstrat und die Prägeergebnisse sowie dessen Einfluss auf den Prägeprozess ermittelt werden, welche den Vertretern der Industrie die Potenziale ultraschallunterstützter Umformprozesse aufzeigt. Besonders die Unternehmen der Papier- und Kartonhersteller werden durch die Ergebnisse zu den Wirkmechanismen des Ultraschalls beim Vollprägen und den ermittelten Zusammenhängen zwischen den Materialeigenschaften und der erreichbaren Prägeergebnisse in die Lage versetzt, funktionsoptimierte Materialien herzustellen bzw. in ihrer Produktpalette anzubieten, welche den qualitativen und technologischen Anforderungen des ultraschallunterstützten Prägeprozesses gerecht werden. Von den funktionsoptimierten Materialien und Erkenntnissen über die Zusammenhänge der Prozessparameter / Materialeigenschaften und der sich einstellenden Prägeergebnisse profitieren besonders die Unternehmen der papier- und kartonverarbeitenden Verpackungsindustrie, zu der unter anderem Hersteller von Verpackungsmaschinen oder Packmitteln sowie Unternehmen der abpackenden Industrie gehören.