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Die vorliegende Arbeit hat die Entwicklung eines Konzepts für das Materialmodell zur Simulation des Ziehprozesses mit Karton zum Ziel. Der Ziehprozess stellt bei seiner Simulation hohe Anforderungen an das verwendete Materialmodell. Mehrachsige Spannungszustände und die Einflüsse von Temperatur und Feuchtigkeit müssen berücksichtigt werden. Dazu werden Materialverhalten, Materialmodelle und ihre mathematisch-physikalischen Grundlagen, Spannungssituation und Anforderungen des Ziehprozesses an ein Materialmodell analysiert. Es wird ein Konzept dargelegt, in dem die Simulation des Ziehprozesses in drei Schritte unterteilt wird. Im ersten Teil werden Materialfeuchte und Temperatur mit einem zweidimensionalen Netzwerkmodell bestimmt. Im zweiten Schritt werden Materialparameter mit Hilfe eines dreidimensionalen Netzwerkmodells in Abhängigkeit von zuvor ermittelten Feuchte- und Temperaturwerten und mechanischer Belastung gewonnen. Diese Parameter werden im dritten Teil zur Simulation des Ziehprozesses mit einem makromechanischen Materialmodell genutzt. / A concept for the development of a paperboard material model for the simulation of deepdrawing processes is presented in this thesis. Concerning its simulation, the deep drawing process of paperboard is demanding. Complex states of tension, humidity and changes of temperature during the process have to be considered. Thus properties of paperboard, material-models, their mathematical-physical background and tensions during the deep-drawing process are analyzed. A concept for the material-model, dividing the simulation in three steps, is proposed. In the first step, temperature and humidity are determined, using a two-dimensional lattice model. During the second step material parameters, depending on the state of tension are evaluated with a three-dimensional lattice model. The third step contains the simulation of the deep-drawing process with a three-dimensional continuum model.

Karton ist ein aus nachwachsenden Rohstoffen hergestelltes Halbzeug, biologisch abbaubar und mit sehr guter Wiederverwertbarkeit. Damit stellt Karton eine zukunftsträchtige Grundlage für die Herstellung von Verpackungen für die Lebensmittel- und Konsumgüterproduktion dar. Schon heute werden in vielen Verpackungslösungen Kunststoffe durch naturfaserbasierte Halbzeuge ersetzt, um von den genannten Vorteilen zu profitieren. Um die Verbreitung dieses Naturstoffes weiter zu unterstützen, werden intelligente und effektive Herstellungsverfahren benötigt, die eine Massenfertigung von Packmitteln in hoher Qualität ermöglichen. [... aus der Einleitung]

Die Produktion verschiedener Arten von Gütern ist im globalen Kontext gesellschaftlicher Entwicklung fortwährend an die Verfügbarkeit von Ressourcen gebunden und durch diese zunehmend begrenzt. In den bis heute entstandenen Wertschöpfungsketten basiert die verlustarme und effiziente Verteilung von Produkten, Zwischenprodukten, Halbzeugen sowie auch Rohstoffen auf den spezifisch auf die jeweiligen Erfordernisse eingestellten Funktionen ihrer Verpackungen. Als Bindeglied in nahezu allen Teilen der Produktion werden die Verpackung und ihre Herstellung innerhalb des mit Abstand größten Teils ihrer Anwendung, den Konsumgüterverpackungen als Beispiel für die Diskussion von Einsatzpotentialen naturfaserbasierter Materialien verwendet. Die Habilitationsschrift stellt die Ausgangssituation in der weltweiten Konsumgüterproduktion und Ressourcenverfügbarkeit dar und ordnet die Position naturfaserbasierter Packmittel in diese ein. Es werden Technologien zur Formgebung naturfaserbasierter Materialien zu Packmitteln zusammenfassend dargestellt. Die Ziehtechnik wird im Speziellen in Form eines Leitfadens in ihren Wirkmechanismen und Prozessvarianten sowie in Bezug auf ihre technische Umsetzung dargestellt. Es werden Beispiele konkreter Anwendungsmöglichkeiten diskutiert.

Die Produktion verschiedener Arten von Gütern ist im globalen Kontext gesellschaftlicher Entwicklung fortwährend an die Verfügbarkeit von Ressourcen gebunden und durch diese zunehmend begrenzt. In den bis heute entstandenen Wertschöpfungsketten basiert die verlustarme und effiziente Verteilung von Produkten, Zwischenprodukten, Halbzeugen sowie auch Rohstoffen auf den spezifisch auf die jeweiligen Erfordernisse eingestellten Funktionen ihrer Verpackungen. Als Bindeglied in nahezu allen Teilen der Produktion werden die Verpackung und ihre Herstellung innerhalb des mit Abstand größten Teils ihrer Anwendung, den Konsumgüterverpackungen als Beispiel für die Diskussion von Einsatzpotentialen naturfaserbasierter Materialien verwendet. Die Habilitationsschrift stellt die Ausgangssituation in der weltweiten Konsumgüterproduktion und Ressourcenverfügbarkeit dar und ordnet die Position naturfaserbasierter Packmittel in diese ein. Es werden Technologien zur Formgebung naturfaserbasierter Materialien zu Packmitteln zusammenfassend dargestellt. Die Ziehtechnik wird im Speziellen in Form eines Leitfadens in ihren Wirkmechanismen und Prozessvarianten sowie in Bezug auf ihre technische Umsetzung dargestellt. Es werden Beispiele konkreter Anwendungsmöglichkeiten diskutiert.

In this publication, the ultrasonic-assisted deep-drawing of fiber-based materials, whose implementation was presented in Löwe et al. (2016), was studied in detail. Methods were developed for measuring the properties of deep-drawn cups, including cup stability, shape deviation, and surface quality. The relationship between these properties and the process parameters were determined with a design of experiment, which allows the user to adjust the cup properties in order to optimize them.

Karton ist ein aus nachwachsenden Rohstoffen hergestelltes Halbzeug, biologisch abbaubar und mit sehr guter Wiederverwertbarkeit. Damit stellt Karton eine zukunftsträchtige Grundlage für die Herstellung von Verpackungen für die Lebensmittel- und Konsumgüterproduktion dar. Schon heute werden in vielen Verpackungslösungen Kunststoffe durch naturfaserbasierte Halbzeuge ersetzt, um von den genannten Vorteilen zu profitieren. Um die Verbreitung dieses Naturstoffes weiter zu unterstützen, werden intelligente und effektive Herstellungsverfahren benötigt, die eine Massenfertigung von Packmitteln in hoher Qualität ermöglichen. [... aus der Einleitung]

Deep drawing of paperboard with rigid tools and immediate compression has only a small presence in the market for secondary packaging solutions due to a lack of understanding of the physical relations that occur during the forming process. As with other processes that deal with interactions between two solids in contact, the control of the factors that affect friction is important due to friction’s impact on runnability and process reliability. A new friction measurement device was developed to evaluate the factors influencing the friction behavior of paperboard such as under the specific conditions of the deep drawing process, which differ from the standard friction testing methods. The tribocharging of the contacting surfaces, generated during sliding friction, was determined to be a major influence on the dynamic coefficient of friction between paperboard and metal. The same effect could be examined during the deep drawing process. With increased contact temperature due to the heating of the tools, the coefficient of friction decreased significantly, but it remained constant after reaching a certain charging state after several repetitions. Consequently, to avoid ruptures of the wall during the forming process, tools that are in contact with the paperboard should be heated.

Deep drawing of paperboard with rigid tools and immediate compression has only a small presence in the market for secondary packaging solutions due to a lack of understanding of the physical relations that occur during the forming process. As with other processes that deal with interactions between two solids in contact, the control of the factors that affect friction is important due to friction’s impact on runnability and process reliability. A new friction measurement device was developed to evaluate the factors influencing the friction behavior of paperboard such as under the specific conditions of the deep drawing process, which differ from the standard friction testing methods. The tribocharging of the contacting surfaces, generated during sliding friction, was determined to be a major influence on the dynamic coefficient of friction between paperboard and metal. The same effect could be examined during the deep drawing process. With increased contact temperature due to the heating of the tools, the coefficient of friction decreased significantly, but it remained constant after reaching a certain charging state after several repetitions. Consequently, to avoid ruptures of the wall during the forming process, tools that are in contact with the paperboard should be heated.

Die Produktion verschiedener Arten von Gütern ist im globalen Kontext gesellschaftlicher Entwicklung fortwährend an die Verfügbarkeit von Ressourcen gebunden und durch diese zunehmend begrenzt. In den bis heute entstandenen Wertschöpfungsketten basiert die verlustarme und effiziente Verteilung von Produkten, Zwischenprodukten, Halbzeugen sowie auch Rohstoffen auf den spezifisch auf die jeweiligen Erfordernisse eingestellten Funktionen ihrer Verpackungen. Als Bindeglied in nahezu allen Teilen der Produktion werden die Verpackung und ihre Herstellung innerhalb des mit Abstand größten Teils ihrer Anwendung, den Konsumgüterverpackungen als Beispiel für die Diskussion von Einsatzpotentialen naturfaserbasierter Materialien verwendet. Die Habilitationsschrift stellt die Ausgangssituation in der weltweiten Konsumgüterproduktion und Ressourcenverfügbarkeit dar und ordnet die Position naturfaserbasierter Packmittel in diese ein. Es werden Technologien zur Formgebung naturfaserbasierter Materialien zu Packmitteln zusammenfassend dargestellt. Die Ziehtechnik wird im Speziellen in Form eines Leitfadens in ihren Wirkmechanismen und Prozessvarianten sowie in Bezug auf ihre technische Umsetzung dargestellt. Es werden Beispiele konkreter Anwendungsmöglichkeiten diskutiert.