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

Getrieben durch die weltweiten Bemühungen zur CO2-Reduktion für mobile Anwendungen stellt die Brennstoffzelle als alternativer Energiewandler einen Schwerpunkt der aktuellen Forschungstätigkeit dar. Während die allgemeine Funktionstüchtigkeit bereits mehrfach durch Kleinserien verschiedener OEMs bewiesen wurde, scheitert eine breite Markteinführung nach wie vor an den hohen Fertigungskosten des Systems. Insbesondere metallisch umgeformte Bipolarplatten werden als aussichtsreiche Möglichkeit zur Kostenreduktion von Polymerelektrodenmembran (PEM)-Brennstoffzellensystemen angesehen. Den vergleichsweise günstigen Werkstoffkosten und der hohen Produktivität von Umformprozessen steht die Herausforderung gegenüber, dass Metalle in saurer Umgebung dazu neigen, in Lösung zu gehen. Die ausgeschwemmten Ionen verunreinigen die Membrane Electrode Assembly (MEA) und führen letztendlich zu deren Versagen. Daher ist eine Beschichtung zum Korrosionsschutz zwingend notwendig. Diese setzt gleichzeitig den Kontaktwiderstand herunter und erhöht den Wirkungsgrad des Systems. Aus wirtschaftlicher Sicht ist ein Beschichtungsprozess vor dem Umformen, auf planares Substrat zu bevorzugen, da geneigte Oberflächen diesen erschweren. Dazu muss die Voraussetzung erfüllt werden, dass die Beschichtung nach dem Umformvorgang weiterhin ausreichend Korrosionswiderstand bietet und der Kontaktwiderstand innerhalb des Zielwertes bleibt. Um ebendiese Relationen näher zu erforschen, erfolgte zunächst die Herstellung von Probekörpern mit einem definiert eingebrachten Umformgrad. Als Probenmaterial wurde eine mit amorphem Kohlenstoff beschichtete 1.4404-Metallfolie der Dicke 0,1 mm genutzt. Dazu konnte innerhalb von numerischen Berechnungen zunächst ein Spektrum verschieden ausgeprägter Umformgrade im einachsigen Zugversuch berechnet werden, während nachfolgend die experimentelle Herstellung mit Hilfe einer Zug-Druck-Prüfmaschine erfolgte. Die nachfolgend geplante Erforschung der Abhängigkeit von dem nach Department of Energy (DoE) gemessenen Korrosionsstrom führte zu umfassenden Herausforderungen bei der Erfassung der Korrosionsstromdichten. Um diese näher zu detaillieren erfolgte eine Analyse zum Aufbau der Messsysteme sowie den damit einhergehenden bereits identifizierten Problemen im Dichtkonzept. Nachfolgend wurde eine exakte Betrachtung der weiterführenden Messunsicherheiten sowie damit einhergehender Interpretationsschwierigkeiten der Messergebnisse dargestellt. Als Auswertungsgröße dienten hierfür die innerhalb der Experimente ermittelten Messkurven.