Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung umformbarer funktionaler Schichtverbunde mit cellulosischen Substraten - FunctionalMaterialForming

Ziel des angestrebten Projekts ist es, Mehrschichtverbunde auf Basis von Papier und Karton und polymeren Funktionsschichten hinsichtlich ihrer Eignung zum Einsatz im Ziehprozess zu testen und zu klassifizieren, bzw. die Eigenschaften der Werkstoffe durch geeignete Maßnahmen für den Einsatz im Ziehprozess zu optimieren.

Dazu sind Kenntnisse über Zusammenhänge zwischen Materialbelastung im Ziehprozess, Beschädigungsmechanismen und Materialeigenschaften notwendig. Auch die Auftragsart und Penetrationstiefe des Polymers in den Basiskarton spielen eine wichtige Rolle und sind zu untersuchen.

Hersteller und Anwender von beschichtetem Karton im Ziehprozess sollen durch die Ergebnisse dieses Projekts in die Lage versetzt werden, die Eignung einer Funktionsschicht durch einfache und schnelle Ersatzversuche einschätzen und optimieren zu können.

Im Rahmen des Projekts werden Wechselwirkungen der Eigenschaften der Verbundkomponenten mit den Belastungen im Ziehprozess ermittelt. Die Erkenntnisse über Materialeigenschaften und Kenngrößen des Ziehprozesses, wie z. B. Werkzeugtemperaturen, Faltenhalterkraft und Ziehspalt, dienen dazu, die Eignung von Verbundkomponenten für den Ziehprozess abschätzen zu können und bei der Herstellung geeignete Maßnahmen zur Materialoptimierung treffen zu können.

Die Umformung von Funktionsschichten stellt einen entscheidenden Schritt zur Anwendung von tiefgezogenen papierbasierten Materialien in anspruchsvollen Anwendungen dar. Durch Entwicklung geeigneter Barriere- und Siegelschichten kann das Spektrum der Packgüter deutlich erweitert werden. Dadurch wird den beteiligten Firmen der Zugang zu neuen Märkten ermöglicht.

Ergebniszusammenfassung:

Ergebnisse:

- erfolgreiche Entwicklung und Anwendung einer Prüfmethodik zur Abschätzung des Umformverhaltens funktionaler Schichtverbunde auf Kartonsubstrat

- Ersatzversuche der entwickelten Prüfmethode liefern im Vorfeld der 3D-Umformversuche eine Abschätzung der Parameter, womit sich das Prozessfenster eingrenzen lässt und so den Versuchsumfang erheblich reduziert

- "Whey Protein"-Formulierung erwies sich in Kombination mit einer Ecovio-Polymergrundierung und einem Dispersionslack (Weilburger) als am besten geeignet für 3D-Umformung; vielversprechender Schichtverbund

- Beschichtung der Materialien in Handversuchen lieferten sehr gute Barrierewerte, jedoch konnten die Ergebnisse teilweise nicht in R2R-Versuchen reproduziert werden

- aufgrund der diversen Problemstellungen musste eine iterative Optimierung der Auftragsparameter durchgeführt werden, wodurch die FE wichtige Erkenntnisse zur Beschichtung des Kartonsubstrats generieren konnten

Anwendungsmöglichkeiten:

Die im Rahmen des Projekts erzielten Ergebnisse und Erkenntnisse leisten einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis der Einflüsse des Ziehprozesses auf einen Mehrschichtverbund mit Barrierefunktion. Anhand der entwickelten und erfolgreich angewendeten Prüfmethodik ist es möglich, das Umformverhalten barrierebeschichteter Kartonsubstrate im Vorfeld der eigentlichen 3D-Umformversuche abzuschätzen. Damit lässt sich bereits mit Ersatzversuchen in Kombination mit optischen Analysen beurteilen, ob die Barrierewirkung des Materials nach einer komplexen, mehrdimensionalen Beanspruchung vollumfänglich erhalten bleibt. An einem im Projekt entwickelten Versuchsstand ist es außerdem möglich, unbeanspruchte flache Proben sowie umgeformte Becher auf Wasserstoffdurchlässigkeit zu prüfen, was eine unmittelbare und flexible erste Dichtigkeitsbeurteilung erlaubt. Die Erkenntnisse zu den Ansprüchen an einen funktionalen Schichtverbund auf cellulosischem Substrat im Ziehprozess sind wegweisend.