Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Optimierte Papierumformung durch den Einsatz von Wasserdampf

Das beantragte Vorhaben verfolgt die Hypothese, dass die Einbringung von Wasserdampf in den Umformprozess von Papier dazu dienen kann, bauraumökonomische und steife Verpackungsprodukte aus Papier in einem Schritt, in markttauglicher Qualität, herzustellen. Dabei soll das Verfahren im Vergleich zu konventionellen Tiefziehoperationen ohne wesentliche Einbußen hinsichtlich ökonomischer Aspekte auskommen und modular erweiterbar sein. Das Hinzufügen einer Vorformstufe zur Erweiterung der Ziehtiefe stellt die Basis einer weiteren Arbeitshypothese dar: Die zusätzliche Vorformstufe schafft die Möglichkeit, mit geringen Investitionssummen flexibel und schnell auf veränderte Marktgegebenheiten und Kundenanforderungen zu reagieren. Aus den Arbeitshypothesen leiten sich die Projektziele wie folgt ab: Das erste Ziel des Vorhabens ist die Überprüfung der Einbringung von Dampf in den Umformprozess von Papier zur Herstellung papierbasierter Verpackungsprodukte. Als weiteres Teilziel wird die zutreffende Vorhersage kritischer Bereiche im Umformprozess mit der Kombination aus analytischen Methoden der Blechumformung und dem Einsatz numerischer Simulation angestrebt. Durch die damit erreichten Erkenntnisse erhalten KMU Leitfäden zur Konstruktion und Auslegung von Umformprodukten und -werkzeugen. Das nächste Teilziel ist die Entwicklung eines Tiefziehwerkzeugs mit der Möglichkeit der gezielten Dampfeinbringung in die kritische Prozesszone. Damit sollen die Machbarkeit der Technologie überprüft und eine Validierung der erarbeiteten Modelle durchgeführt werden. Daraus abgeleitet ist das Ziel, Leitfäden zur Beherrschung von dampfunterstützten Tiefziehprozessen mit Papier und zur prozessgerechten Materialeinstellung zu erstellen. Das zweite Hauptziel ist die Entwicklung der Zweistufigkeit des Prozesses, wodurch KMU die Möglichkeit gegeben werden soll, durch eine Vordehnung des Halbzeuges anspruchsvollere Bauteilgeometrien herzustellen, um das Produktspektrum zu erweitern.

Ergebniszusammenfassung:

Im Vorhaben ist die Umformung von Papier im Tiefziehprozess unter Einfluss von Wasserdampf untersucht worden. Zur Umsetzung des Vorhabens wurden ausgewählte Papiere bei verschiedenen Feuchtigkeiten charakterisiert. Die Ergebnisse stehen den Papierherstellern zur Verfügung.

In der Prozessentwicklung sind verschiedene Werkzeugkonzepte untersucht worden. Der Fokus lag dabei auf der Auslegung der Dampfeinbringung. Im Ergebnis wird der Wasserdampf in den beheizten Niederhalter des Werkzeugs eingebracht. Der Auslass des Dampfs in die Probe kann dabei mit unterschiedlichen Positionen und Geometrien der Auslassdüsen zu verschiedenen Feuchtigkeiten in einzelnen Probenbereichen führen. Im Rahmen des Vorhabens wurde erarbeitet, welche Geometrie und Position abhängig vom gewünschten Ergebnis zu wählen sind. Dadurch können z. B. die erreichbare Ziehtiefe oder die Faltenbildung verbessert werden.

Die anschließende Erforschung des zweistufigen Prozesses hat nicht nur übertragbare, neue Erkenntnisse zur Auslegung eines mehrstufigen Verfahrens ergeben, sondern auch das wirkmedienbasierte Umformverfahren in das Vorhaben mit eingebracht. Durch die Verbreitung dieses Verfahrens im PA können Papierschalen mit geringem Volumen faltenfrei hergestellt werden. Im Ergebnis können Verpackungen gasdicht verschlossen und der Markt erweitert werden. Dabei hat auch die Erforschung von additiv gefertigten Werkzeugen im Rahmen des Vorhabens begonnen. Durch die Weiterentwicklung dieser Ergebnisse ergeben sich Möglichkeiten bezüglich Werkzeugherstellung und Prozesserprobung, welche wirtschaftlichere und kurzfristigere Ergebnisse erwarten lassen.

Die effizientere Auslegung wird zudem durch die Weiterentwicklung des Materialmodells sowie der numerischen Prozesssimulation ermöglicht. Neue Entwicklungen können mit den numerischen Ergebnissen schneller geprüft und optimiert werden. Verpackungsproduzierende Unternehmen verkürzen Ihre Markteinführungszeiten dadurch. Die Ergebnisse sind direkt anwendbar.