Druckluftumformung

Forschungstitel:
Kombiniertes Umformverfahren zur verbesserten und schädigungsfreien Formgebung von dehnfähigen Papiermaterialien

Arbeitsgruppe: Abfüll- und Verpackungsprozesse

Forschungsstelle und wissenschaftliche Betreuung:

  1. Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV Freising, Felix Lange

Finanzierung: IVLV e. V.
Laufzeit: 2022

Papier- und Kartonmaterialien erzielen aufgrund weltweit verbreiteter Infrastrukturen zur Wiederverwertung hohe Recyclingquoten. Damit stellen sie eine attraktive Alternative für Packstoffe aus fossilen Rohstoffen dar und werden zunehmend im Lebensmittelbereich eingesetzt. Dennoch stellen diese Materialien große Herausforderungen: Zum einen unterscheidet sich das Verarbeitungsverhalten faserbasierter Materialien grundsätzlich von Kunststoffen, so ist bspw. das Dehnungsverhalten im Vergleich zu Thermoplasten stark reduziert. Zum anderen verfügen diese Materialien ohne zusätzliche Beschichtung über keine relevanten Barriereeigenschaften, weshalb Fasermaterialien allein nicht für sensible Lebensmittel eingesetzt werden können. Die zu diesem Zweck auf die Papierbahn aufgebrachten dünnen Barriereschichten können bei den hohen Prozess- und Reibkräften, die besonders bei den Umformverfahren Kompressionsziehen und Pressformen vorherrschen, beschädigt werden, und daraufhin ihre Sperrwirkung verlieren. Beim Hydroformen bzw. Thermoformen wird unter Einsatz von Fluiden eine bestmögliche Ausnutzung des Dehnvermögens angestrebt, wodurch jedoch nur geringe Umformgrade erzielt werden können.

Das Projektziel besteht darin, mithilfe einer Verfahrenskombination des Pressformens und des Hydroformens bzw. Thermoformens die Formgebung zu verbessern und gleichzeitig die dünne Barriereschicht zu schonen. Hierfür werden Fasermaterialien mit optimiertem Dehnvermögen in einem ersten Prozessschritt über die Formfläche bzw. nur in partiellen Bereichen pneumatisch vorgedehnt. Anschließend wird ein Stempelwerkzeug, entsprechend des Pressformens, genutzt, um das Material in Richtung der Matrize umzustülpen, wobei das Fasermaterial auf dem Stempelwerkzeug abrollt und somit kein Gleiten an der Materialoberfläche verursacht. Weiterhin wird eine Steigerung der erreichbaren Schärfe von Konturelementen gegenüber dem Hydroformen erwartet. Mit dem Projektergebnis soll ein Proof-of-Concept bzgl. der allgemeinen Anwendbarkeit des Verfahrens erbracht werden.