Charakterisierung, Modellierung und Simulation des Materialverhaltens von Papierfaserprodukten unter Verpackungsbedingungen
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Date
2017
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Abstract
In der Verpackungslogistik heutzutage verwendete Konstruktivpolster sind meist aus Kunststoffen hergestellt. Die umweltverträgliche Alternative der nach dem Faseformverfahren aus Papierfaserstoffen hergestellten Konstruktivpolster konnte sich bislang nicht gegen die Kunststoffe durchsetzen, da aufgrund mangelnder Materialkennwerte weder eine belastbare Simulation des Materialverhaltens noch der auf das verpackte Gut wirkenden Kräfte möglich ist. Folglich werden Konstruktivpolster aus Papierfaserstoffen nur für einfache und unkritische Verpackungslösungen verwendet.
Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wird diesem Missstand begegnet, indem eine Grundlage zur Vorhersage der auf das mit Faserformprodukten verpackte Gut zu erwartenden Kräfte geschaffen wird. Hierzu wird das Materialverhalten von Faserform charakterisiert, modelliert und im Anschluss einer Simulation zugeführt.
Für die Charakterisierung des Materialverhaltens wird zunächst eine geeignete Umgebung geschaffen. Hierzu gehören die Validierung bestehender Prüfmöglichkeiten sowie die Erweiterung der Prüfmöglichkeiten, so dass der Parameterraum klimatischer und kinematischer Anforderungen an Konstruktivpolster lückenlos abgebildet werden kann. Die Charakterisierung erfolgt durch Variation der Einflussgrößen Dehnrate, Dichte und Feuchte des Faserformproduktes innerhalb dieses Parameterraums. Anhand der charakterisierten Werte erfolgt die Modellierung der Abhängigkeiten des mechanischen Verhaltens der Verpackung von den auf diese wirkende Einflussgrößen. Die hieraus gewonnenen Datensätze werden in ein ausgewähltes Materialmodell implementiert, um das Materialverhalten simulierbar zu machen. Die Validation der Simulation erfolgt mittels eines Vergleichs mit den modellierten Kennwerten.
Abschließend erfolgt eine Absicherung der erarbeiteten Zusammenhänge durch die Bestimmung der möglichen Fehler. Hierzu werden sämtliche auftretende Ungenauigkeitsquellen betrachtet und die daraus resultierenden Sicherheitsbeiwerte bestimmt.
Durch die erarbeitete Möglichkeit zur Simulation von Konstruktivpolstern aus Papierfaserstoffen ist es nun möglich, Konstruktivpolster virtuell auf Ihre geometriebedingte Anforderungserfüllung hin zu untersuchen. Zusätzlich kann nun bereits in der Planungsphase des Konstruktivpolsters eine Optimierung der Geometrie vorgenommen werden. So wird es ermöglicht, auch empfindlichere Transportgüter mittels Papierfaserkonstruktivpolstern zu verpacken und somit fossile Rohstoffe einzusparen. Des Weiteren können bestehende Verpackungsgeometrien optimiert und somit Rohstoffe eingespart werden.
Cushioning products used in packaging logistics are nowadays usually made of plastics. Cushioning products made of natural fibers as an environment-friendly alternative could not be enforced so far due to the lack of material data and the impossibility to simulate material behavior as well as to predict the forces affecting the packed good. Thus cushioning products made of natural fibers are only used for simple and uncritical packaging solutions. Within the scope of the present thesis this deficiency is addressed by establishing a basis to predict the forces that will appear to a good packed with molded pulp. For this purpose the material behavior of molded pulp is characterized, modeled and simulated. First of all a suitable environment to characterize the material behavior is supplied. Therefor existing test equipment is validated and amplified to meet all climatic and kinematic conditions of cushioning products. The characterization is performed by varying the influencing variables strain rate, density and humidity. Using the characterized values the dependencies of the mechanical parameters as a function of influencing variables that affect cushioning products of natural fibers are modeled. The results are implemented in a selected material model to provide a solution for the simulation of the material behavior. The validation of the simulation takes place by comparing the results of the simulation with the modeled data. Finally a hedging of the developed relationships is carried out by calculating the possible errors. This includes the consideration of all relevant sources of inaccuracies and the calculation of the resulting safety factors. By means of the developed ability to simulate cushioning products made of molded pulp cushioning products can now be virtually checked for their ability to fulfil the mechanical requirements. In addition, an optimization of the geometry can now be already carried out in the planning phase of the cushioning product. Thus, it is possible to use cushioning products made of natural fibers even for the packing of sensitive freight and therefore save fossil resources. Furthermore existing packaging geometries can be optimized to economize the use of natural resources.
Cushioning products used in packaging logistics are nowadays usually made of plastics. Cushioning products made of natural fibers as an environment-friendly alternative could not be enforced so far due to the lack of material data and the impossibility to simulate material behavior as well as to predict the forces affecting the packed good. Thus cushioning products made of natural fibers are only used for simple and uncritical packaging solutions. Within the scope of the present thesis this deficiency is addressed by establishing a basis to predict the forces that will appear to a good packed with molded pulp. For this purpose the material behavior of molded pulp is characterized, modeled and simulated. First of all a suitable environment to characterize the material behavior is supplied. Therefor existing test equipment is validated and amplified to meet all climatic and kinematic conditions of cushioning products. The characterization is performed by varying the influencing variables strain rate, density and humidity. Using the characterized values the dependencies of the mechanical parameters as a function of influencing variables that affect cushioning products of natural fibers are modeled. The results are implemented in a selected material model to provide a solution for the simulation of the material behavior. The validation of the simulation takes place by comparing the results of the simulation with the modeled data. Finally a hedging of the developed relationships is carried out by calculating the possible errors. This includes the consideration of all relevant sources of inaccuracies and the calculation of the resulting safety factors. By means of the developed ability to simulate cushioning products made of molded pulp cushioning products can now be virtually checked for their ability to fulfil the mechanical requirements. In addition, an optimization of the geometry can now be already carried out in the planning phase of the cushioning product. Thus, it is possible to use cushioning products made of natural fibers even for the packing of sensitive freight and therefore save fossil resources. Furthermore existing packaging geometries can be optimized to economize the use of natural resources.
Description
Table of contents
Keywords
Faserform, Faserguss, Konstruktivpolster, Papierfaserprodukte