Die vorliegende Arbeit hat die Untersuchung des Einlaufverhaltens beim Tiefziehen von Papier und Karton zum Ziel. Genauer wird das Materialversagen, welches durch Risse der Ziehteilzarge definiert ist, während der Umformung untersucht und quantifiziert. Das auftretende Verhalten des Materialversagens wird anhand einer gezielten Analyse der Systemdaten rekonstruiert und nachvollzogen. Dabei erweist sich die Reibarbeit, welche beim Transport des Ziehteiles durch die Ziehbüchse verrichtet werden muss, als signifikante Kenngröße zur Beschreibung des Materialversagens. Basierend auf dieser Ersatzkenngröße wird ein Modellentwurf zur Erkennung von fehlerhaften Ziehteilen durch Analyse der Systemdaten entwickelt. Zudem werden Versuchsreihen zur Ermittlung der Spezifikation der beim Umformen von Papier und Karton relevanten Materialeigenschaften durchgeführt, welche Anhaltspunkte bei Beschreibung der Versagensursachen geben. Weiterhin erfolgt die Untersuchung der auf den Ziehprozess einflussnehmenden Eigenschaften der Materialfeuchte und -temperatur. Des Weiteren wird ein Modell zur Quantifizierung von Ziehteileigenschaften entwickelt, anhand dessen qualitätsmindernde Eigenschaften reproduzierbar beschrieben werden können. Der Scherpunkt liegt dabei in der Untergliederung von maßgeblichen Eigenschaften in Formhaltigkeit und Faltenbild. / This thesis aims the investigation of the infeed behaviour of card board material during board pressing process. In addition, the material failure, which is defined as the breaking of the architrave of a pressing, will be examined and quantified in detail. The occurrence of material failure is reconstructed and simulated by using analysis system data. The work of friction, which must be executed during the transport of pressing through the implement, is a significant characteristic to describe that process. Based on that specification, an abstract model to detect defectives by monitoring the system data, is developed. Another focus of investigation is the process of an experimental series, developing the specification of the beard material, which is used as foundation to describe the causation of the material breakdown. Furthermore, a model of quantifying pressing qualities is developed focusing subdivision in dimensional accuracy and the quality of the crinkles.

In vielen Anwendungen sind Papier und Karton wegen der hohen Verfügbarkeit, überlegenen Umformbarkeit und der hervorragenden Barriereeigenschaften von Kunststoffen verdrängt worden. Die Akzeptanz von Verpackungen aus erdölbasierten Kunststoffen nimmt jedoch auf Grund der Probleme hinsichtlich Recyclings, Anreicherung von Mikroplastik in den Meeren und Deponierung ab. Folglich steigt der Druck auf Industrie und Wissenschaft, nachhaltige Verpackungslösungen mit Packstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen zu entwickeln und einzusetzen. Auf Grund dieser Entwicklungen müssen die Grenzen für die Einsetzbarkeit von Papier und Karton in anspruchsvollen Verpackungslösungen neu betrachtet werden. Mit dem Umformprozess 'Ziehen von Karton' können komplexe dreidimensionale Verpackungskomponenten hergestellt werden. Allerdings wird der Prozess von diversen Material- und Prozessparametern, sowie Umweltbedingungen beeinflusst und erfordert daher systematisches Vorgehen bei Prozessanalyse und Optimierung. Ziel dieser Arbeit war die Analyse von Einflussparametern des Ziehprozesses mit experimentellen und simulativen Methoden. Dazu ist die Entwicklung von objektiven und automatisierten Messmethoden zur Erfassung von Qualitätskriterien der Ziehteile notwendig. Unter Anwendung der entwickelten Messmethoden wurden die Einflüsse von Prozessparametern auf die Umformung untersucht. Es wurden Messmethoden zur Bestimmung von Lage und Anzahl der für den Ziehprozess charakteristischen Falten und für die Messung der Formabweichung entwickelt. Darüber hinaus wurde eine statistische Analyse zum Auftreten von Materialversagen während der Umformung durchgeführt. Die experimentellen Untersuchungen zeigten, dass sowohl das Auftreten von Rissen, als auch die Faltenbildung vornehmlich durch die Faltenhalterkraft beeinflusst werden. Jedoch können Faltenbildung und Formabweichung durch Erhöhung der eingebrachten thermischen Energie über Beheizung der Werkzeuge verbessert werden. Der Energieeintrag konnte durch Erhöhung von Werkzeugtemperaturen und durch Reduktion der Stempelgeschwindigkeit erfolgen. Im simulativen Teil der Arbeit wurde die Anwendbarkeit der Finite Elemente Methode (FEM) auf die Simulation des Ziehprozesses untersucht. Simulationen des Einlaufvorgang des Materials in die Ziehbüchse mit einem für die Abbildung von Karton entwickelten Materialmodell, welches Orthotropie, elastisch-plastisches Verhalten und die Wirkung von Temperatur auf die mechanischen und tribologischen Eigenschaften enthielt, ergaben, dass die Stempelkraftkurve in diesem Prozessabschnitt gut abgebildet werden konnte. Darüber hinaus wurde die Anwendbarkeit von FEM-Modellen zur Simulation der Faltenbildung untersucht. Untersuchungen des Einflusses von Werkzeugtemperaturen auf die mechanischen Eigenschaften und Reibeigenschaften ergaben, dass sich Variationen in der Kraftkurve nur durch die Reduktion des Reibkoeffizienten bei erhöhter Werkzeugtemperatur ergaben. Die Erweichung des Materials durch Erhöhung der Temperatur führte dagegen nicht zu Variationen der Kraftkurve im Einlaufvorgang.:DANKSAGUNG III KURZFASSUNG IV TABLE OF CONTENTS VI LIST OF ABBREVIATIONS IX LIST OF SYMBOLS X LIST OF FIGURES XII LIST OF TABLES XV 1 INTRODUCTION 1 1.1 Background 1 1.2 Research problem 2 1.3 Objectives and outline of the thesis 3 2 LITERATURE REVIEW 4 2.1 Forming of paperboard 4 2.1.1 Categorization of forming processes 4 2.1.2 Hydroforming 6 2.1.3 Pressforming 7 2.1.4 Deep drawing of paperboard 7 2.1.4.1 Deep drawing process 7 2.1.4.2 Quality criteria and measurement 10 2.1.4.3 Scientific advances in deep drawing 11 2.2 Mechanical properties of paper and paperboard 14 2.2.1 Microstructure of paper and paperboard 14 2.2.2 Tensile behavior 16 2.2.3 In-plane compression 17 2.2.4 Yield stress and plastic deformation 18 2.2.5 Mechanical behavior in ZD 19 2.2.6 Rupture of paperboard 20 2.2.7 Friction 21 2.2.8 Inhomogeneity 22 2.2.9 Influence of environmental conditions on paperboard properties 24 2.2.9.1 Influence of moisture content 24 2.2.9.2 Influence of temperature 25 2.2.9.3 Effects of environmental conditions on mechanical properties 26 2.3 Modeling of paperboard 28 2.3.1 Fundamentals of modeling 28 2.3.1.1 Classification of models 28 2.3.1.2 Elastic modeling 29 2.3.1.3 Elastic-plastic modeling 31 2.3.1.4 Out-of-plane modeling 33 2.3.2 FEM Material models 34 2.3.3 Modeling of moisture and temperature 36 2.3.4 Modeling of fracture 39 2.3.5 Modeling of friction 41 2.4 Applications of models for paper and paperboard 42 2.4.1 Simulations of packaging components and processing steps 42 2.4.2 Simulation of creasing and folding 42 2.4.3 Simulation of hydroforming 44 3 EXPERIMENTAL PROCESS ANALYSIS 46 3.1 Shape accuracy analysis 46 3.1.1 Measurement method 46 3.1.2 Validation 48 3.1.3 Experimental conditions 50 3.1.4 Results 51 3.1.4.1 Parametric study 51 3.1.4.2 Influence of heat energy transfer 55 3.1.4.3 Relationship between shape accuracy and transferred heat energy 58 3.2 Analysis of wrinkling 62 3.2.1 Method 62 3.2.2 Validation 64 3.2.3 Results 65 3.2.3.1 Influence of material properties on wrinkling 65 3.2.3.2 Parametric study 66 3.2.3.3 Relationship between wrinkling and transferred heat energy 71 3.3 Rupture in deep drawing 73 3.3.1 Method 73 3.3.2 Results 77 4 SIMULATIVE PROCESS ANALYSIS 84 4.1 Explicit FEM analysis 84 4.1.1 Modeling 84 4.1.1.1 FEM-model 84 4.1.1.2 Material model 88 4.1.1.3 Modeling of temperature effects 92 4.1.2 Calibration 93 4.1.3 Validation 94 4.1.4 Results 96 4.1.4.1 Punch force 96 4.1.4.2 Analysis of stresses in deep drawing 101 4.1.5 Limitations for FEM-models 106 4.2 Global model 109 4.2.1 Material model 109 4.2.1.1 Mechanical behavior 109 4.2.1.2 Wrinkling model 110 4.2.1.3 Inhomogeneity 112 4.2.2 Modeling of environmental influence 113 4.2.3 Friction model 114 4.2.4 Rupture model 115 5 CONCLUSIONS 117 REFERENCES 121 INDEX TO APPENDICES 140 APPENDIX 141

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Verfahrens zum ultraschallunterstützten Ziehen von Karton. Beim Ziehen wird ein Kartonzuschnitt mit einem Stempel durch eine Matrize gezogen und so ein einseitig offener Hohlkörper hergestellt, ähnlich wie beim Tiefziehen von Metall. Die Ziehwerkzeuge sind üblicherweise beheizt, um die Umformeigenschaften des Kartons durch Wärmeeintrag zu verbessern. In dieser Arbeit werden die Werkzeuge jedoch als Ultraschallsonotroden ausgeführt, da beim Metalltiefziehen durch Ultraschallwerkzeuge Verbesserungen der Prozessführung und des Tiefziehteils erreicht wurden. Die Erkenntnisse aus dem Metallbereich können jedoch nicht ohne weitere Forschung übernommen werden. Vor der Entwicklung der Ultraschallwerkzeuge werden in dieser Arbeit daher zunächst Lücken im Stand der Wissenschaft und Technik geschlossen bezüglich der Wirkungen von Ultraschallschwingungen auf Karton. Hierzu wird der Druck im Spalt zwischen den Ziehwerkzeugen ermittelt. Anhand der Druckmessung wird ein Beitrag geleistet zur Ermittlung der Erwärmung von Karton in Kontakt mit Ultraschallsonotroden, der Glättung der Oberfläche von Ziehteilen durch Ultraschall und der Beeinflussung der Stabilität von Ziehteilen durch Ultraschall. Mithilfe dieser Forschungsergebnisse werden die Werkzeugsonotroden ausgelegt und ein Versuchsträger entwickelt, mit dem die Erforschung des Prozesses in einem breiten Parameterraum möglich ist. Die Ergebnisse beim Ziehen mit beiden Werkzeugvarianten werden anhand von Kenngrößen der hergestellten Ziehteile verglichen. Dabei handelt es sich um die maximal erreichbare Ziehteilhöhe, die erreichbare Stabilität gegen axiale Stauchbelastung, die erreichbare Oberflächenrauheit und die erreichbare minimale Formabweichung. Für die Bestimmung der Formabweichung wird auf ein bekanntes Verfahren zurückgegriffen und für die übrigen Kenngrößen werden in dieser Arbeit neue Messverfahren entwickelt. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass mit Ultraschallunterstützung qualitativ hochwertige Formteile herstellbar sind, wobei besonders die erreichbare Oberflächenglätte hervorzuheben ist. / The subject of this work is the development of a process for ultrasonic assisted deep-drawing of cardboard. In deep-drawing, a cardboard blank is drawn through a die with a punch, thus producing a hollow body open on one side, similar to the deep-drawing of metal. The drawing dies are usually heated to improve the forming properties of the cardboard by heat input. In this work, however, the dies are ultrasonic sonotrodes because improvements in process control and drawn part have been achieved in metal deep-drawing using ultrasonic tools. Nevertheless, the knowledge gained in the metal field cannot be adopted without further research. Therefore, prior to the development of ultrasonic tools, this work first closes gaps in the state of science and technology regarding the effects of ultrasonic vibrations on cardboard. For this purpose, the pressure in the gap between the drawing dies is determined. Based on the pressure measurement, statements can be made on the heating of cardboard in contact with ultrasonic sonotrodes, the smoothing of the surface of drawn parts by ultrasound and the influence of ultrasound on the stability of drawn parts. Based on these research results, the tool sonotrodes are designed and a teststand is developed, which allows the process to be explored in a wide parameter space. The results of drawing with both toolvariants are compared on the basis of parameters of the produced drawn parts. These are the maximum achievable drawn part height, the achievable stability against axial compression, the achievable surface roughness and the achievable minimum form deviation. For the determination of the form deviation, a known method is used, and for the other parameters, new measurement methods are developed in this work. In summary, it can be stated that ultrasonic vibrations can be used to produce high-quality molded parts, with particular emphasis on the achievable surface smoothness.

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Im Rahmen eines Kooperationsprojektes wurde eine Form-, Füll- und Verschließanlage zum effizienten Verpacken von Nutzinsekten entwickelt. Diese Anlage ist die welterste industrielle Anwendung der an der TU Dresden weiterentwickelten Tiefziehtechnologie von Karton. Gegenüber des Laborumformversuchsstandes ist die Anlage mit den Stationen „Füllen“ und „Verschließen“ gekoppelt, sodass sich das Verhalten des Tiefziehverfahrens im Gesamtprozess untersuchen lässt. Weiterhin leistet die Anlage sehr viel höhere Taktzahlen als am Versuchsstand möglich, wodurch sich neue Anforderungen für Material und Prozess ergeben. Eine wesentliche Innovation ist die Umformung direkt aus der Kartonbahn, sodass die befüllten und verschlossenen Verpackungen erst am Ende der Prozesskette aus der Bahn getrennt werden müssen. Dies ist durch das gezielte Einbringen von Entlastungsstanzungen möglich und bedarf einer genauen Kenntnis und Kontrolle des Materialflusses. Vorteile sind das vereinfachte Handling und die so erhöhte Ausbringung. Anhand des Projektes wird zudem die Bedeutung und Innovationskraft der Kooperation von KMUs mit Forschungseinrichtungen dargestellt.

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.

The geometrical limits of the deep drawing process of paper to advanced shapes are not known. This report examines the technological limits of convex elements of the base shape in relation to the drawing height and shows the material behavior in the bottom radius of 3D shapes with regard to special material properties. In the bottom radius, non-compressed wrinkles occurred due to the in-plane compression, but wrinkles were reduced by an increased blank holder force or tool temperatures and improved extensibility or in-plane compressive strain. The forming ratio during deep drawing (drawing height related to base diameter) was increased to a value of more than 1 by a blank holder force, which increased with the drawing height such that the initial blank holder force was reduced concurrently. Straight sections in the base shape reduced the risk for ruptures in the edge radii of rectangular shapes, producing a forming ratio in these radii of 2.5. The forming ratio was further supported by a pattern of creasing lines at the blanks with a radial orientation and a number near the expected maximum number of wrinkles. The spring-back at rectangular shapes mainly depended on the drawing height and edge radius.

The diploma thesis focuses on the development of the internal production information system of the company Ravensburger Karton s.r.o. based in Polička. The work is divided into two parts, which is the design of an ERD diagram for database development in the data layer and parts of data presentation with user interaction in the presentation layer.

Im Rahmen eines Kooperationsprojektes wurde eine Form-, Füll- und Verschließanlage zum effizienten Verpacken von Nutzinsekten entwickelt. Diese Anlage ist die welterste industrielle Anwendung der an der TU Dresden weiterentwickelten Tiefziehtechnologie von Karton. Gegenüber des Laborumformversuchsstandes ist die Anlage mit den Stationen „Füllen“ und „Verschließen“ gekoppelt, sodass sich das Verhalten des Tiefziehverfahrens im Gesamtprozess untersuchen lässt. Weiterhin leistet die Anlage sehr viel höhere Taktzahlen als am Versuchsstand möglich, wodurch sich neue Anforderungen für Material und Prozess ergeben. Eine wesentliche Innovation ist die Umformung direkt aus der Kartonbahn, sodass die befüllten und verschlossenen Verpackungen erst am Ende der Prozesskette aus der Bahn getrennt werden müssen. Dies ist durch das gezielte Einbringen von Entlastungsstanzungen möglich und bedarf einer genauen Kenntnis und Kontrolle des Materialflusses. Vorteile sind das vereinfachte Handling und die so erhöhte Ausbringung. Anhand des Projektes wird zudem die Bedeutung und Innovationskraft der Kooperation von KMUs mit Forschungseinrichtungen dargestellt.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war, über die gezielte Analyse, Messung und Bewertung, einen entscheidenden Beitrag für das grundlegende Verständnis der Haftungsmechanismen bei der Verklebung von verpackungsindustrienahen Modellsystemen zu leisten. Anhand einer Vielzahl von Untersuchungen zur Charakterisierung der Oberflächenmorphologie, -chemie, -beschaffenheit, der grenzflächenenergetischen und Benetzungseigenschaften konnten einige Ansätze für Korrelationen zwischen Stoff- und Verbundeigenschaften ermittelt werden. Dazu wurden einige neue messtechnische Erkenntnisse zur grenzflächenenergetischen Charakterisierung der Modellsysteme (Modellklebstoffe und -oberflächen) gewonnen. Es wurde allerdings gezeigt, dass bei den beiden untersuchten Klebstoffsystemen (Schmelz- und Dispersionskleber) die Haftmechanismen oft durch klebstoffspezifische Phänomene (Schmelzklebstoffe - Wachsseparation und Dispersionsklebstoffe - wässriger precursor film), welche aufgrund einer grenzflächenbedingten Phasenseparation des Klebstoffes zur Bildung einer "Trennschicht" führen, negativ verändert werden können.