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PTS-FORSCHUNGSBERICHT IGF 17023
PRODUKTIVITÄTSVERBESSERUNG BEI DER WELLPAPPENHERSTELLUNG
BEI GLEICHZEITIGER VERBESSERUNG DER PLANLAGE
Bienert Ch, Keller G., Kuntzsch T., Matheas J., Metz R.: Wasserhaushalt / Wellpappe
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Bienert Ch, Keller G., Kuntzsch T., Matheas J., Metz R.: Wasserhaushalt / Wellpappe:
Produktivitätsverbesserung bei der Wellpappenherstellung bei gleichzeitiger Verbesserung der
Planlage
PTS-Forschungsbericht 18/14
Februar 2015, zweite geringfügig überarbeitete Auflage Mai 2015
Papiertechnische Stiftung (PTS)
Heßstraße 134
D - 80797 München
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Ansprechpartner:
Christian Bienert
Tel. (089) 12146-469
[email protected]
Papiertechnische Stiftung PTS
Papiertechnisches Institut PTI
Heßstraße 134
80797 München
Das Forschungsvorhaben IGF 17023 BG der AiF-Forschungsvereinigung PTS wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur
Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt.
Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen für die Probenbereitstellung und für die freundliche Unterstützung bei der Projektdurchführung.
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P roduktivitäts verbes s erung bei der Wellpappenhers tellung bei gleic hzeitiger
V erbes s erung der P lanlage
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Inhalt
Seite
1
Zusammenfassung ..........................................................................................................3
2
Einleitung und Zielstellung .............................................................................................5
3
Vorgehen.........................................................................................................................10
4
Systemaufnahmen .........................................................................................................14
5
Laboruntersuchungen ...................................................................................................15
6
Klebstoffeigenschaften .................................................................................................25
7
Penetrationsmodell ........................................................................................................29
7.1
Aufbau eines Basismodells zur Penetration von Wasser und Klebstoff in Wellpappenliner... 29
7.2
Variation der Penetrationsmodelle............................................................................................. 32
8
Trocknungsmodell .........................................................................................................39
9
Wellpappenmodell .........................................................................................................43
9.1
Modellaufbau .............................................................................................................................. 43
9.2
Modellvalidierung nach Balkentheorie ....................................................................................... 46
9.3
Variantenrechnungen ................................................................................................................. 49
9.4
Systemvalidierung an Wellpappenanlage und Auswertung der Modellergebnisse ................ 52
Glossar .................................................................................................................................................. 58
Literaturverzeichnis ............................................................................................................................... 60
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Zus ammenfas s ung
Zielstellung
Das Ziel des Forschungsprojekts war die simulationsgestützte Verfahrensoptimierung der Wellpappenherstellung durch eine Verringerung von Planlageabweichungen zur Produktivitätssteigerung von Wellpappenanlagen. Durch simulationsgestützte Optimierungsmaßnahmen kann eine Reduzierung von nicht
plan liegenden Wellpappen und in Folge eine Qualitätsverbesserung an der
Wellpappenanlage erreicht werden. Darüber hinaus können durch eine Verringerung von Produktivitätseinbußen in den nachgeschalteten Weiterverarbeitungsprozessen auch hier Produktivitätssteigerungen erzielt werden.
Systemaufnahme Die Randbedingungen (Bahntemperaturen und –feuchten) unterschiedlicher
Wellpappenanlagen zeigen zwar Ähnlichkeiten im Trend. Jedoch unterscheiden
sich die Temperaturen und Feuchtegehalte der Papierbahnen an den verschiedenen Prozesspositionen zum großen Teil erheblich. Deshalb ist es nicht möglich, ein grundsätzliches Temperatur- und Feuchteprofil entlang des Wellpappenprozesses aufzustellen. Jede Anlage hat ein eigenes und individuelles
Temperatur-Feuchte-Profil im Wellpappenherstellungsprozess.
Penetrationsmodell
Es wurden Penetrationsmodelle erstellt, die auf der Basis der BosanquetDifferentialgleichung das Eindringen der Klebstoffe in die Liner zeitlich und örtlich berechnen. Damit können die Eindringtiefe des Klebstoffwassers und die für
das Kleben wichtige Restmenge zwischen den Linern abgeschätzt werden.
Trocknungsmodell
Aus den erarbeiteten Trocknungsmodellen lässt sich abschätzen, welche
Feuchteänderungen in den Linern in kurzen Zeiträumen (z.B. Brücke) eintreten.
Planlagemodell
Es wurden Planlagemodelle erstellt, welche die Planlageabweichung der Wellpappe in den Hauptrichtungen längs und quer zur Welle berechnen (vereinfachtes, analytisches Modell). Darüber hinaus wird eine Erfassung von Verformungen und Beanspruchungszuständen an virtueller 2D- oder 3D-Geometrie zeitlich und örtlich aufgelöst ermöglicht (Finite-Elemente-Modell). Wesentliche Eingangsgrößen für die Modelle sind Länge, Breite und Wellengeometrie der Probe sowie Dicke, E-Modul, Feuchtdehnungskoeffizient, Feuchtegehaltsänderung
und ggf. innere Spannungen in den einzelnen Lagen (Außendecke, Welle, Innendecke). Mit Hilfe von Modellrechnungen kann die zu erwartende Planlageabweichung in Abhängigkeit der Eingangsgrößen berechnet werden.
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Schlussfolgerung
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Bislang war es den klein- und mittelständischen Unternehmen der Wellpappenindustrie nur durch langwieriges Sammeln und Austausch von Erfahrungen
möglich, den material- und produktionsbedingten Planlageabweichungen zu
begegnen. Mit den Projektergebnissen können durch geringen Messaufwand
diese Abweichungen an Wellpappen computergestützt für die wichtigsten Einflussgrößen abgeschätzt und berechnet werden. Dabei hat sich deutlich gezeigt, dass Faserorientierung, Feuchtedehnung in den einzelnen Lagen und innere Spannungen die Planlageabweichungen am stärksten beeinflussen, während die Steifigkeit der Einzellagen (E-Modul und Schichtdicke) eine untergeordnete Rolle spielt.
Die Einfachheit der Modelle verursacht geringe Kosten für Messaufwand, Prognose und Umsetzung. Die Prognosegenauigkeit ist für die meisten Anwendungsfälle ausreichend. Sie soll durch entsprechende Weiterentwicklungen
verbessert werden.
Danksagung
Das Forschungsvorhaben IGF 17023 BG der AiF-Forschungsvereinigung PTS
wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen
Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und
Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt.
Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen der Papier- und Zulieferindustrie sowie dem Arbeitskreis „Planlage von Wellpappe“ für die Unterstützung
der Arbeiten.
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E inleitung und Ziels tellung
Wellpappenanlage
Die Herstellung von Wellpappe erfolgt in einer Wellpappenanlage (WPA). Der
prinzipielle Aufbau einer Wellpappenanlage ist in
Abbildung 1 gezeigt.
Dazu sind drei verschiedene Hauptarbeitsgänge erforderlich:
•
Prägen der Welle (Riffeln),
•
Beleimen der Wellenberge,
•
Aufeinanderpressen von Welle und Decke.
Das Papier wird zunächst im Vorheizer erwärmt und befeuchtet. Dadurch wird
die erforderliche Elastizität erreicht, damit das Papier verformt (geriffelt) werden
kann. Anschließend wird es unter Druck- und Hitzeeinwirkung zwischen zwei
zahnradartig ineinandergreifenden Riffelwalzen hindurchgeführt. Dabei wird die
Welle ausgeformt. Je nach gewünschter Wellenform haben die Walzen eine
grobe, mittlere oder feine Riffelung. So entstehen die unterschiedlichen Wellenarten, die nach Wellenhöhe und -breite definiert sind (DIN 55 468).
Nach dem Riffeln halten Vakuum oder Überdrucksysteme die gewellte Papierbahn auf der Riffelwalze, bis sie durch die Verklebung mit der Deckenbahn fixiert wird. Auf die Spitzen der Wellenberge des gewellten Papiers wird dann
Klebstoff auf Stärkebasis aufgebracht und die Welle wird mit einer glatten Deckenbahn verklebt. Die einseitige Wellpappe ist fertig.
Wird in einem Kaschierwerk auf die einseitige Wellpappe eine zweite Deckenbahn aufgeklebt, entsteht dadurch die einwellige Wellpappe. Sie ist die am
meisten verbreitete Wellpappenart. Werden weitere einseitige Wellpappen aus
gewellter und glatter Papierbahn hinzugefügt, entsteht mehrwellige Wellpappe.
In der Heiz- und Zugpartie (siehe
Abbildung 1) werden die Wellpappenbahnen über Heizplatten (bis 180 °C) gezogen. Hierbei wird den Klebestellen
und dem Papier die notwendige Wärme zum Verkleben zugeführt. Gleichzeitig
wird auch überschüssige Feuchtigkeit entzogen. Danach befördert ein Gurtsystem die Wellpappe zu den Rill- und Schneidevorrichtungen.
Die Wellpappenbahnen werden vor dem Abstapeln und Verlassen der WPA auf
Formate - abhängig von der weiteren Verarbeitung - zugeschnitten und gerillt.
Dies geschieht mit Hilfe rotierender Schneid- und Rillmesser, die in Längs- oder
in Querrichtung arbeiten.
Abbildung 1: Prinzipieller Aufbau einer Wellpappenanlage (WPA) [1]
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Wellpappenklebu
ng
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Ein wesentlicher Verfahrensschritt bei der Herstellung von Wellpappe ist das
Verkleben des gewellten Papiers mit den ebenen Deckenpapieren. Für diese
Klebeprozesse werden 2-komponentige wässrige Stärkeklebstoffe eingesetzt,
deren eine Komponente Stärkekleister und deren zweite Komponente native
Stärke ist. Während die Stärkekleisterkomponente die Viskosität des fertigen
Klebstoffs bestimmt, kommt der nativen Stärkekomponente die Sicherstellung
der schnellen Anfangsklebkraft zu. In Anwesenheit von Wärme und Wasser
verkleistert der native Stärkeanteil während des Klebprozesses spontan und es
kommt zu einem sprunghaften Anstieg der Klebstoffviskosität, der benötigt wird,
um in den sehr kurzen zur Verfügung stehenden Zeiten die sichere Verklebung
von Wellenpapier und Deckenpapier zu gewährleisten.
Die Rezeptur eines Stärkeklebstoffs ist so ausgelegt, dass die Viskosität des
gebrauchsfertigen Klebstoffs auf das Auftragssystem angepasst ist und gleichzeitig die oben kurz beschriebenen Klebemechanismen wirken können. Beide
Anforderungen begrenzen den Feststoffgehalt des Klebstoffs auf maximal etwa
30 %. Bei der Wellpappenproduktion gelangen somit über den Klebstoff hohe
Wassermengen in das Produkt, was wiederum viel Energie für die Trocknung
der Wellpappe erfordert und durch die Dimensionsänderungen der beteiligten
Papiere infolge Feuchtigkeitsaufnahme und Trocknung Probleme bei der Planlage der produzierten Wellpappe nach sich ziehen kann.
Betrachtet man nun aktuelle Trends in der Wellpappenindustrie, dann sind zahlreiche Maßnahmen zur Steuerung bzw. Vermeidung von Planlageabweichungen bei der Wellpappenherstellung zu erkennen. Insbesondere ist zu erkennen,
dass die derzeit verfügbaren Steuerungssysteme Leistungsgrenzen erreicht
haben. Im Einzelnen sind folgende Trends zu nennen:
Trend:
häufige Sortenwechsel
In der Wellpappenindustrie werden die Losgrößen immer kleiner und die Sortenwechsel immer häufiger. Für die sichere Verklebung ist es notwendig, die Klebstoffmenge und die Klebstoffrezeptur auf die Art der eingesetzten Papiere anzupassen. Da diese Anpassung nur sehr bedingt automatisiert werden kann,
steigt mit zunehmender Häufigkeit von Sortenwechseln die Gefahr, dass nicht
korrekt an die Papiersorte angepasste Klebstoffe in nicht optimalen Mengen aufgetragen werden. Damit steigt die Gefahr der Produktion nicht plan liegender
Wellpappe. Benötigt werden somit Steuerungssysteme, die Veränderungen der
Papiereigenschaften hinsichtlich Wasseraufnahmefähigkeit und Penetrationsdynamik berücksichtigen.
Trend:
geringe Wellenhöhe und höhere
Klebstoffmengen
Ein weiterer Trend ist die steigende Produktion von Wellpappe mit sehr geringen
Wellenhöhen. Wellpappen mit Wellenhöhen von weniger als 0,5 mm werden bereits hergestellt und haben sich eine beträchtliche Marktposition als leichter und
biegesteifer Packstoff erworben. Kleine Wellenhöhen bedeuten auch kleine Wellenlängen. Damit einher geht der Umstand, dass pro Quadratmeter produzierter
Wellpappe mehr Klebelinien vorhanden sind als bei Wellpappen mit großen Wellenhöhen und entsprechenden großen Wellenlängen. Mehr Klebelinien bedeuten
aber auch mehr Klebstoff pro Flächeneinheit, mehr Wassereintrag in das Produkt
und steigende Gefahren der Produktion von nicht plan liegender Wellpappe. Diese Probleme lassen sich nur mit Klebstoffen lösen, die so wenig Wasser wie
möglich enthalten und die mit maximaler Präzision aufgetragen werden können.
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Auch hier haben herkömmliche Steuerungssysteme die Grenze ihrer Leistungsfähigkeit erreicht. Neue Lösungsansätze in der Steuerung der Planlage und evtl.
neue Klebstoffauftragstechnik sind also langfristig erforderlich.
Daten zur Wellpappenerzeugung
Die Wellpappenindustrie hat in Deutschland im Jahr 2013 insgesamt 4,7 Mio. t
bzw. 9,1 Mrd. m² Wellpappe hergestellt und dabei einen Umsatzwert von 4,7
Mrd. Euro erwirtschaftet [2]. Deutschland ist in Europa mit deutlichem Abstand
führend in der Wellpappenherstellung. Im internationalen Vergleich wird
Deutschland nur noch von China, den USA und Japan übertroffen. In Deutschland existierten im Jahr 2013 127 Wellpappenwerke. Die deutsche Wellpappenindustrie beschäftigt ca. 18.470 Mitarbeiter und stellt somit einen wichtigen
Standort für die europäische Wellpappenindustrie dar. Die deutsche Wellpappenindustrie hat daher ein hohes Interesse an der Durchführung des Projektes.
Entstehung von
Planlageabweichungen (Warp)
In der Literatur [3, 4, 5, 6, 7, 8] werden folgende papierbedingten Einflussfaktoren als verantwortlich für Planlageabweichungen gesehen: Unterschiedliche Dicke, flächenbezogene Masse, Feuchtdehnungs- und Trockenschrumpfungsverhalten der Deckenpapiere sowie Winkelabweichung der Vorzugsfaserrichtung
von der Maschinenrichtung des Papiers.
Die Einflussgrößen seitens der Wellpappenanlage können überwiegend mit der
Maschinengeschwindigkeit, der Zugspannung der Papierbahnen sowie dem
Umschlingungswinkel am Vorheizer (Preheater) und der Temperaturführung
der Heizplatten in der Heizpartie benannt werden.
Einflussgrößen, die von der Klebstoffseite her in Betracht gezogen werden, sind
der Wellpappenklebstoff (z.B. Stärkeart, Rezeptur, insbesondere Feststoffgehalt), die Klebstoffauftragsmenge, definiert über den Leimspalt der Auftragswalze, sowie der Presswalzenandruck beim Verkleben von Decke mit der Welle.
Maßnahmen gegen Planlageabweichungen
Die bisherigen Maßnahmen, um Planlageabweichungen entgegenzuwirken,
basieren weitgehend auf empirischen Erkenntnissen. Zwar werden Steuerungsmaßnahmen in der Literatur aufgeführt, wobei jedoch diese Maßnahmen
meist auf eine exaktere Reglung der unterschiedlichen Maschinenparameter
wie Leimspalt-, Bahnspannungs- und Heizungsregelung sowie Vorkonditionierung der Papiere am Vorheizer mit Variation des Umschlingungswinkels beschränkt sind. Eine Planlagesteuerung, die die entsprechenden Papiereinflussgrößen berücksichtigt, war vor der Projektdurchführung nicht verfügbar.
Trocknungskineti Energie wird bei der Wellpappenerzeugung überwiegend in Form von Wärme
k/Energiebedarf
(Dampf) eingesetzt. Der größte Wärmebedarf besteht beim Formen der Welle
(Riffeln), der Trocknung in der Heizpartie sowie beim Aufheizen der Papierbahnen im Vorheizer vor den jeweiligen Klebeprozessen. Dabei werden etwa
23% zum Erwärmen des Klebstoffs, 4% für die Verkleisterung der Stärke und
73% zum Trocknen des Klebstoffs der aufzubringenden Energie benötigt [9].
Die Abschätzung zur maximalen Wasseraufnahme des Luftvolumens in der
Wellpappe kann über den Sättigungsgrad von Luft abgeschätzt werden:
Bei einer Wellpappe mit B-Welle beträgt das Luftvolumen bei einem Quadratmeter Fläche in etwa 3 Liter. Bei einem Klebstoffauftrag von 5 g/m² pro Seite
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und einem Feststoffgehalt von 25% entspricht dies einem Wassereintrag in die
Wellpappe von 30 g/m². Davon verbleiben ca. 2 g als Restfeuchtigkeit im trockenen Klebstoff. Somit müssen in diesem Beispiel aus dem applizierten flüssigen Wellpappenklebstoff etwa 28 g Wasser je m² verdampft werden. Das Luftvolumen kann jedoch in Abhängigkeit von der Temperatur nur einen geringen
Anteil (maximal ca. 7 g) als Wasserdampf aufnehmen. Das restliche Wasser
bzw. Wasserdampf verbleibt somit im Papier der Wellpappe.
Modelle für
Penetrationsvorgang
Die Modellierung von Penetrationsvorgängen in Strukturen, die denen von Papieren entsprechen, wird seit etwa 1995 intensiv betrieben. Zu erwähnen sind
insbesondere Arbeiten die durch die OMYA AG initiiert wurden (Gruppe Gane/Schölkopf, z.B. [10, 11, 12]) und bei Imerys Ltd. durchgeführte Untersuchungen (Gruppe Preston [13 , 14]). Aber auch von skandinavischen Forschungszentren sind wichtige Arbeiten bekannt, z.B. [15, 16, 17, 18, 19, 20,
21, 22].
Im Vordergrund stehen dabei meist Untersuchungen, die das Verhalten der
beim Offset-Druck vorkommenden Fluide und der in Offsetpapieren typischen
Porenstrukturen betrachten. Aber auch für Tiefdruck-, Inkjet- und Flexodruckpapiere sind einige Arbeiten bekannt [23, 24].
Modelle für
Trocknung
Für die Modellierung der Wellpappentrocknung sind algorithmisch zwei Vorgehensweisen denkbar. Einen ersten Zugang bietet z.B. eine empirische „Verdunstungsformel“ [25], die auch die Beachtung von Trocknungs- bzw. Heizstufen ermöglicht, indem die umgebende Luft bezüglich Menge, Temperatur,
Feuchtegehalt und Strömungsgeschwindigkeit betrachtet wird.
Andererseits bieten Multiphysics-Algorithmen gerade die Voraussetzung, um
sowohl Penetrations- als auch Verdunstungsvorgänge mittels FEM zu simulieren [26]. Das prinzipielle Vorgehen zur Simulation von Trocknungsvorgängen in
Papiermaschinen wurde u.a. von Hunfeld [27] gezeigt.
PlanlageModellierung
Papierverbunde
Für die Modellierung von Dimensionsstabilität und Planlage von mehrlagigen
bzw. mehrschichtigen Papieren und Papierverbunden wurden bereits verschiedene Modellansätze in der Literatur vorgestellt:
• Datenbasierte Modelle unter Verwendung Neuronaler Netze [28] oder PLSMethoden (PLS - Partial Least Square Fit) [29],
• auf der Laminattheorie basierende Modelle [30, 31],
• Kombinationen beider vorgenannten als sog. Grey-Box-Modelle [32, 33],
• Modelle unter Verwendung der FE-Methode [34, 35, 36, 37, 38, 39].
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Forschungsziel
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Ziel des Forschungsprojekts war die Produktivitätssteigerung von Wellpappenanlagen (WPA) durch simulationsgestützte Verfahrensoptimierung der Wellpappenherstellung über die Verringerung von Planlageabweichungen. Durch
die simulationsgestützten Optimierungsmaßnahmen kann eine Reduzierung
von nicht plan liegenden Wellpappen erreicht werden und damit verbunden eine
Qualitätsverbesserung an der WPA. Außerdem können Produktivitätseinbußen
in den nachgeschalteten Weiterverarbeitungsprozessen verringert und somit
auch hier Produktivitätssteigerungen erzielt werden.
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Vorgehen
Übersicht
Zur Erstellung, Validierung und Anwendung der verschiedenen Simulationsmodelle wurden die dazu notwendigen Daten im Rahmen von Systemaufnahmen
und geeigneten Laboruntersuchungen erfasst.
Messverfahren
bei der Systemaufnahme in
Wellpappenanlagen
Tabelle 1: Messmethoden bei den Systemaufnahmen
Parameter
Messmethode
Messung der Oberflächentemperatur
an der laufenden Papierbahn, wenn
möglich über die Bahnbreite
Messung der Feuchte an der Oberfläche der laufendenden Papier- bzw.
Wellpappenbahn, soweit zugänglich
und wenn möglich über die Bahnbreite
Messung der des Feuchtegehaltes an
entnommenen Papier- und Wellpappenproben
Messverfahren
bei der Papierund Wellpappenanalytik
Erfassung der
Flüssigkeitspenetration mit Hilfe des Penetrations Dynamic
Analysators
(PDA)
•
IR-Strahlungsthermometer Typ
Raynger MX4 und
•
Thermographie-Kamera
•
IR-Moister Meter Visilab AK30
•
DIN EN ISO 287 bzw.
•
mittels IR-Trocken-Waage
Tabelle 2: Messverfahren bei der Papier- und Wellpappenanalytik
Parameter
Messmethode
Flächenbezogene Masse
DIN EN ISO 2286-2
Dicke (Wellpappenrohpapiere)
DIN EN ISO 534
Feuchtdehnung
ISO 8226 - 1 / 2
Feuchtigkeitsgehalt
DIN EN ISO 287
E-Modul (Zugversuch)
DIN EN ISO 1924 - 2
Rauheit (PPS-Verfahren)
DIN ISO 8791 - 4
TSO/TSI
L&W TSO-Tester
Die Erfassung der Penetrationsdynamik mittels Ultraschall-Dämpfungsmessung
ist eine Methode zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Flüssigkeiten
und flachen Materialproben wie Papier, Karton, Textilien usw. Dazu wurde ein
Penetrations Dynamic Analyzer „emtec PDA.C 02“ der Emtec Electronic GmbH,
Leipzig, eingesetzt.
Das Messverfahren beruht auf dem Prinzip der Erfassung der Intensitätsänderung von Ultraschallsignalen, die eine Materialprobe während des einseitigen
Kontaktes mit einer Flüssigkeit – hier Wasser – durchdringen. Das Wasser sowie der Kunststoff des Probenträgers übertragen Ultraschallsignale mit kurzer
Weglänge mit beinahe unverminderter Intensität. Trockenes Papier dagegen
absorbiert einen großen Teil dieser Signale auf Grund der in den Poren enthaltenen Luft. Mit dem Eindringen des Wassers wird die Luft verdrängt und das
Porenvolumen mit Wasser aufgefüllt, was zu Veränderungen des Ultraschallsignals führt.
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Erfassung der
Nassdehnung
mit Hilfe des Wet
Stretch Dynamics Analyzer
(WSDA)
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Das Gerät besteht aus einem Kontaktgefäß, in dem die Prüfflüssigkeit (destilliertes Wasser) eingefüllt wird. Das Gefäß wird solange befüllt, bis die Oberflächenspannung bricht und ein Teil der Flüssigkeit abläuft. So ist sichergestellt,
dass immer mit derselben Menge gemessen wird.
Oberhalb dieses Gefäßes befindet sich am Stativ die Einspannvorrichtung mit
den Klemmen zum Einspannen der Papierprobe. An dieser Vorrichtung befinden sich ein Waagebalken zum Einstellen der Vorspannkraft, sowie der Wegmesssensor zur Aufnahme der Längenänderung des Papiers während der
Nassdehnungsmessung.
Der Prüfstreifen wird in der gewünschten Orientierung mit den Abmessungen
210 mm x 60 mm mittels einer Schablone und einem Markierungsstift vorbereitet, so dass bei der nachfolgenden Penetration das Wasser nicht über die
Messfläche hinaus ins Papier eindringen kann. Anschließend wird der Streifen
in die Spannvorrichtung eingelegt, so dass die Zungen der Waagebalken exakt
übereinstimmen.
Die eingespannte Probe wird auf das im Normalfall mit Wasser gefüllte Kontaktgefäß gefahren und ab dem Zeitpunkt, wenn das Messgerät in Ruhe ist, die
Längenänderung des Streifens gemessen. Die Messung erfolgt über einen
Wegmesssensor und die Nassdehnung wird in Abhängigkeit von der Zeit aufgezeichnet. Die Messwerte werden ab dem Zeitpunkt Null, das heißt ab dem
Flüssigkeitskontakt gemessen, aber wegen der mechanischen Schwingung
beim Kontakt erst nach 250 ms als Messkurve dargestellt.
Die Besonderheit der Methode ist die Möglichkeit, Ober– und Unterseite der
Papierprobe getrennt messen zu können, weil die Benetzung des Papiers jeweils nur von einer Seite aus erfolgt.
Erfassung der
Dimensionsänderung unter Hitzeeinwirkung
durch das Messgerät Heat
Shrinkage Analyzer (HSA)
Das Messgerät Heat Shrinkage Analyzer (HSA) dient zur Erfassung der Dynamik der Dimensionsänderung einer Papierprobe unter einseitiger Hitzeeinwirkung. Das Gerät besteht aus einer Einspannvorrichtung ähnlich wie beim Wet
Stretch Dynamic Analyzer, allerdings wird hier der Papierstreifen auf eine Heizzelle aufgelegt.
Bestimmung der
Planlageabweichung
Die Planlageabweichung an Wellpappenproben wurde in Anlehnung an das
FGP-Merkblatt FGP-PR: 01/97 bestimmt. Die Wellpappenprobe wird auf eine
ebene Tischplatte gelegt und an den vier Ecken die Höhendifferenz mit einem
geeigneten Messinstrument auf 0,5 mm gemessen. Die mittlere Wölbhöhe errechnet sich als Mittelwert der Höhendifferenzen der vier Ecken. Per Definition
wird eine konvexe Wölbung – Krümmungsradius zur Außendecke - mit positi-
In dem Heat Shrinkage Analyzer (HSA) werden Papierstreifen mit einer Breite
von 60 mm und einer Länge von 210 mm zwischen zwei Einspannklemmen fixiert. An einer der Klemmen kann eine Vorspannung von 0-5 N über den Waagebalken angelegt werden. Unter dem eingespannten Papierstreifen befindet
sich die Heizzelle (Fläche 60 mm × 60 mm) mit stufenlos regulierbarer Temperatur. Über Sensoren in den Einspannklemmen wird die Dimensionsänderung
gemessen. Als Messergebnis erhält man ein Dimensions-Zeit-Diagramm, wobei
die Längenänderung der Probe in Prozent angegeben wird. Die Auswertung der
Daten bezieht sich nur auf die beheizte Teilfläche des Papiers von 60 × 60 mm.
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vem Vorzeichen und eine konkave Wölbung – Krümmungsradius zur Innendecke – mit negativem Vorzeichen versehen. Die Materialdicke des Kaschierverbundes wird dabei berücksichtigt.
Abbildung 2: Bestimmung der Planlageabweichungen
E-Modul
Der Elastizitätsmodul (auch Zugmodul oder Dehnungsmodul) ist ein Materialkennwert, der den Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung, bei der
Verformung eines Papierstreifens, bei linear elastischem Verhalten beschreibt.
Der Elastizitätsmodul wird als Formelzeichen mit E abgekürzt und hat die Einheit einer mechanischen Spannung. Der Betrag des Elastizitätsmoduls ist umso
größer, je mehr Widerstand ein Papier seiner elastischen Verformung entgegensetzt. Ein Papier mit einem höheren Elastizitätsmodul ist also steifer als ein
Papier gleicher geometrischer Abmessung mit niedrigerem Elastizitätsmodul.
Der Elastizitätsmodul wird im Zugversuch nach DIN EN ISO 1924-2 ermittelt
und ist als Steigung des Kraftverlaufs im Spannungs-Dehnungs-Diagramm bei
einachsiger Belastung innerhalb des linearen Elastizitätsbereichs definiert. Der
Elastizitätsmodul hängt u.a. von den Umgebungsbedingungen wie Temperatur
oder Feuchte ab.
Zugversuch an
konditionierten
Papierproben
In diesem Versuchszyklus wurde der E-Modul von vorkonditionierten Papieren
(Feuchtklima 85 % r.H.; Trockenklima 33 % r.H.) bestimmt. Hierfür wurden die
vorgeschnittenen Papierstreifen in einer Klimakammer bei gewünschter relativer
Luftfeuchtigkeit (r.H.) und 23 °C vorkonditioniert.
Die Konditionierung der Proben und die Prüfung konnten jedoch nicht im gleichen Raum erfolgen. Damit kein Feuchtigkeitsaustausch der Papierproben mit
dem Umgebungsklima während des Zugversuchs und beim Transport stattfinden konnte, wurden die Prüfstreifen in Kunststofftaschen mit den Maßen
170 mm x 20 mm nach Konditionierung gegeben. Die Messung wurde an den
Prüfstreifen mit der Kunststofftasche durchgeführt, wobei die Zugbelastung nur
am Papierstreifen erfolgte.
Zugversuch an
beheizten Papierproben
Diese Versuchsreihe wurde zur Bestimmung des E-Moduls bei Papieren mit
hoher Temperatur durchgeführt. Da sich eine vorgewärmte Papierprobe während des Einspannens in die Prüfmaschine wieder abkühlen würde und das
Handling einer auf 80 °C erhitzte Probe schwierig wäre, wurde eine Heizvorrich-
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tung für den Zugversuch konstruiert. Diese konnte durch einen elektronisch regulierbaren Heizkolben auf eine voreingestellte Temperatur erwärmt werden.
Die Kontaktfläche der Heizplatte hatte die Abmessungen von 180 x 40 mm und
wurde so in der Zugprüfmaschine eingebaut, dass die eingespannte Papierprobe in direktem Kontakt zur Heizplatte war. Die Probe wurde dann so lange erhitzt bis eine Temperatur von 80 °C erreicht wurde. Die Probentemperatur wurde durch ein Infrarot-Thermometer überprüft.
Messverfahren
zur Klebstoffanalytik
Tabelle 3: Messverfahren zur Klebstoffanalytik
Parameter
Messmethode
Viskosität (Rotationsviskosimeter)
In Anlehnung an DIN EN ISO 3219
Oberflächenspannung (tensiometrisch)
DIN ISO 1409
Dichte (gravimetrisch)
Pyknometer
Kontaktwinkel (Benetzung)
PTS-Methode PTS-PP: 103/85
Tortuosität,
Erläuterung
Der in den Modellen berücksichtigte Parameter „Tortuosität“ gibt an, wie lang im
Mittel eine Kapillare im Papier angenommen wird. Bezogen auf das Gesamtpapier (Liner) ist die Tortuosität ein Faktor, der sich als Quotient von Kapillarlänge
in z-Richtung des Papiers und Papierdicke berechnet. Die Tortuosität lässt sich
nicht direkt bestimmen/messen. Sie kann nur abgeschätzt werden, z.B. aus der
Auswertung von REM-Bildern der betreffenden Papierquerschnitte.
Matlab als
Programmierwerkzeug
Die Penetrationsmodelle wurden mit Hilfe der Programmierumgebung Matlab
[40] als eigenständige Lösung programmiert, wobei die für die Problemstellung
wichtigen Prozessbedingungen in die Modelle integriert wurden. Mit der so erstellten Software konnten auch die Variantenrechnungen durchgeführt werden.
FEM zur Modellierung des Planlageverhaltens
Im Rahmen der Modellierungsarbeiten wurde die Finite-Elemente-Methode
(FEM) eingesetzt, um das Planlageverhalten von Wellpappenaufbauten unter
Berücksichtigung der durch Feuchtegehaltsänderungen bedingten Dehnungen
der Einzellagen zu berechnen. Dazu wurden verschiedene mehrlagige Aufbauten, bestehend aus innerem und äußerem Liner sowie der Welle, mit dem Softwarepaket LS-Dyna (Fa. Dynamore) nachgebildet. Für die einzelnen Materiallagen erfolgte die Implementierung der zugehörigen Materialkennwerte (feuchteabhängiger E-Modul und Dehnungskoeffizient). Für definierte Feuchtegehaltsänderungen wurde das zu erwartende Planlageverhalten berechnet. Die Validierung vereinfachter Fälle erfolgte anhand analytischer Berechnungen.
Die für die Rechnungen vorzugebenden Modellparameter der Papierlagen wie
Schichtdicke, E-Modul (feuchteabhängig), Dehnungen (Dehnungskoeffizient,
Feuchtedifferenz) wurden aus den im Rahmen des Projektes durchgeführten
Messungen beschafft. Weitere Kenngrößen, wie z.B. Querdehnzahlen oder
Schubmodulwerte, wurden abgeschätzt bzw. aus der Literatur übernommen.
Testrechnungen zeigten, dass diese abgeschätzten Größen nur geringen Einfluss auf das Modellergebnis haben.
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4
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S ys temaufnahmen
Untersuchte
Werke
Drei Wellpappenwerke wurden untersucht. Die Anlagen waren von der Fa. BHS
mit leicht unterschiedlichen Modifikationen (unterschiedliche Baujahre). Die Maschinen waren für zweiwellige Wellpappen ausgelegt. Im Rahmen des Projekts
wurden Produktionen von einwelligen Wellpappen (B-Welle) untersucht.
Prozessdaten
Bei den Systemaufnahmen wurden folgende Parameter an verschiedenen Maschinenpositionen aufgenommen:
• Oberflächentemperatur der Wellpappe-Bahn (IR-Thermometer)
• Oberflächenfeuchte der Wellpappe-Bahn (IR-Moister Meter Visilab AK30)
• Ermittlung des Feuchtegehaltes von Papier und Wellpappe (TrockenschrankMethode nach DIN EN ISO 287 bzw. mit Trocken-Waage)
An Proben der eingesetzten Papiere wurden die Materialkennwerte ermittelt.
Ergebnisse der
Systemanalysen
Die Randbedingungen der unterschiedlichen Wellpappenanlagen sind zwar im
Trend für alle Maschinen ähnlich, wobei jedoch erhebliche Unterschiede in
Temperaturen und Feuchtegehalte der Papierbahnen an den verschiedenen
Prozesspositionen zwischen den Anlagen festzustellen sind. Deshalb ist es
nicht möglich, eine grundsätzliches Temperatur- und Feuchteprofil entlang des
Wellpappenprozesses aufzustellen. Jede Anlage hat ihr eigenes und individuelles Prozessprofil. In den nachfolgenden Abbildungen sind ausgewählte Ergebnisse aus den Systemanalysen an drei WPA’s zusammengestellt.
Abbildung 3: Bahntemperaturen aus den drei Systemanalysen
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Bahnfeuchte
Abbildung 4: Bahnfeuchten aus den drei Systemanalysen
5
L aborunters uchungen
Bestimmung der
mechanischen
und Penetrationseigenschaften
Von den Projektbegleitern wurden unterschiedliche Papiersorten zur Verfügung
gestellt. Diese Papiere stellen einen repräsentativen Querschnitt der in den beteiligten Werken eingesetzten Wellpappenrohpapiere dar. Dabei wird zwischen
drei verschiedenen Papierqualitäten unterschieden:
• Kraftliner: enthält mindestens 70 % Sulfatzellstoff und bis zu 30 % Altpapier.
Die langen Fasern des Sulfatzellstoffs verleihen dem Kraftliner eine besondere Festigkeit.
• Testliner: ein zwei- oder mehrlagiges Deckenpapier mit garantierten (getesteten) Festigkeitseigenschaften. Bei den meist zwei Lagen wird im Allgemeinen eine dickere Unterlage (Trägerschicht) aus gemischtem Altpapier mit einer Deckenlage aus reinen Wellpappenabfällen gegautscht.
• Wellenpapiere: (englisch „fluting“) sollen in erster Linie vertikalen Druck abfedern, müssen also eine möglichst hohe Steifigkeit bieten. Daneben sollen
sie ausreichend elastisch sein, damit die Wellpappe bei nachlassendem
Druck wieder in die Ausgangslage zurückschwingt. Wellenpapiere sind Wellenstoff und Halbzellstoff.
• Sonderpapiere: außerdem werden noch weitere Papiersorten wie z.B. reine
Zellstoffpapiere (Lebensmittelkontakt) und GD-Sorten (gestrichene Duplexpapiere) als Deckenpapiere eingesetzt.
Von den eingesetzten Papieren wurden die Grundeigenschaften wie Dicke, flächenbezogene Masse und spezifisches Volumen gemäß den entsprechenden
Normen ermittelt.
Außerdem wurden die Feuchtdehnungseigenschaften der Papiere nach ISO
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8226-2 sowohl in Maschinenrichtung (MD) als auch in Querrichtung (CD) erfasst. Die Längenänderung der Prüfstreifen wurde nach einer Umklimatisierung
der Papiere von 33% auf 85% relativer Luftfeuchte (r.H.) bestimmt. Die Feuchtdehnung wird in % angegeben und berechnet sich nach folgender Formel:
Darin bedeutet:
•
•
•
Grundeigenschaf
ten und Feuchtdehnung der eingesetzten Papiersorten
l85 = Länge des Probenstreifens in mm bei 85% relativer Luftfeuchte
l33 = Länge des Probenstreifens in mm bei 33% relativer Luftfeuchte
l0 = Länge des Probenstreifens in mm bei 50% relativer Luftfeuchte
Tabelle 4: Gemessene Grundeigenschaften der eingesetzten Papiere
Parameter
Einheit
Flächenbezog/m²
gene Masse
Dicke
µm
Spezifisches
cm³/g
Volumen
Feuchtdehnung
%
(CD)
Feuchtdehnung
%
(MD)
Kraftliner
Deckenpapiere
Testliner
GD-Papiere
Wellenpapiere
126,8 – 170,0
116,2 - 166,6
154,7 - 176,4
79,4 – 127,0
150,1 – 231,8
154,4 - 242,8
170,1 - 197,5
120,0 - 189,2
1,133 - 1,364
1,049 - 1,576
1,100 - 1,120
1,467 – 1,520
0,65 – 1,25
0,75 – 1,18
0,82 – 0,85
0,50 – 1,04
0,18 – 0,31
0,13 – 0,33
0,11 – 0,22
0,19 – 0,28
Feuchtdehnungs
eigenschaften
Die Tabelle 4 zeigt, dass die Feuchtdehnungseigenschaften der unterschiedlichen Wellpappenrohpapieren – bis auf einige Ausnahmen – sowohl in Querrichtung (CD) als auch in Maschinenrichtung (MD) weitgehend auf dem gleichen Niveau liegen. In aller Regel wird das Feuchtdehnungsverhalten von Papier neben den Fasereigenschaften durch die Bahnzugs- und Querzugsverhältnisse in der Papiermaschine bestimmt. Eine starke Querschrumpfung bei der
Papierherstellung bewirkt eine hohe Feuchtdehnung bei späterer Feuchtigkeitseinwirkung. Wird das Papier in der Querschrumpfung bei der Herstellung gehindert, wird die spätere Dehnung nicht mehr so stark ausfallen.
Strichdicke
Die Ermittlung der Strichdicke kann messtechnisch nicht eindeutig festgestellt
werden, da es sich beim Streichen von Papier in aller Regel um ein nivellierendes Auftragsverfahren handelt. Das bedeutet, dass aufgrund der Oberflächenmorphologie der Basispapiere im Strich sowohl dünne als auch dickere Bereiche vorhanden sind. Deshalb wurde von einer mittleren Strich-Auftragsmenge
von 15 g/m² ausgegangen. Bei einem spezifischen Volumen von ca. 1 cm³/g
kann von einer mittleren Schichtdicke von etwa 15 µm ausgegangen werden.
Da die gestrichenen Außenseiten der Deckenpapiere für die Abschätzung der
Penetrationseigenschaften der Papiere lediglich eine untergeordnete Rolle spielen, ist diese Vereinfachung der Strichdicke zulässig.
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Penetrationseige
nschaften
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Zur Abschätzung des Penetrationsverhaltens der verschiedenen Wellen- und
Deckenpapieren wurde die Penetrationsdynamik bei einseitigem Flüssigkeitskontakt mit den Papieroberflächen mit Hilfe des Penetrations-DynamicAnalysators (PDA) erfasst. Da jedoch lediglich diejenige Papierseite, die mit
dem flüssigen Wellpappenklebstoff in Kontakt kommt, von Interesse war, wurden bei den Deckenpapieren nur die Innenseiten, bei den Wellenpapieren beide
Papierseiten untersucht. Die Ergebnisse der Untersuchungen zur Penetrationsdynamik sind in den nachfolgenden Abbildungen zusammengefasst.
Abbildung 5: Penetrationskurven verschiedener Wellpappenpapiere; (1) Kraftliner; (2) Testliner; (3) Wellenpapiere; (4) Sonderpapiere (GD-, HP-Papiere)
Penetrationseigenschaften
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Aus den Diagrammen ist zu erkennen, dass die unterschiedlichen Papiersorten
einen signifikanten Einfluss auf die Penetrationseigenschaften haben.
•
Bei den Kraftlinerpapieren ist eine ausgeprägte Benetzungsphase zu sehen
(Anstieg bis Kurvenmaximum), an die sich eine verlangsamte Penetrationsphase (Kurvenverlauf nach Maximum) anschließt. Bei den meisten Papieren erreicht die Penetrationskurve erst nach einer Eindringzeit von 30s einen Intensitätswert (I) von 40%.
•
Die Testlinerpapiere zeigen im Gegensatz zu den Kraftlinerpapieren ein indifferentes Penetrationsverhalten. Einige Papier verhalten sich wie Kraftliner, einige eher wie Wellenpapiere. Hier sind offenbar unterschiedliche
Oberflächen- bzw. Masseleimungen der Papiere eingesetzt worden, die die
Penetration von Wasser ins Papier beeinflussen.
•
Bei den Wellenpapieren sollte eine gute Benetzung und schnelle Penetrationsmöglichkeit gegeben sein, damit sie bei der Wellpappenherstellung gut
und schnell verkleben. Dies zeigen auch die erfassten Penetrationskurven.
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Das Kurvenmaximum wird bereits nach sehr kurzer Benetzungsphase erreicht. Danach erfolgt eine sehr schnelle Flüssigkeitspenetration (starker
Kurvenabfall). Die Kurven erreichen bereit nach < 5s Eindringzeit den Intensitätswert (I) von 40%.
•
Das Penetrationsverhalten der Sonderpapiere GD ist mit dem der Testliner
vergleichbar und das der HP-Wellenpapiere gleicht erwartungsgemäß dem
der übrigen Wellenpapiere.
Darüber hinaus wurden an jeweils zwei Außen- und Innendecken und einem
Wellenstoff TSI- und TSO-Messungen durchgeführt (siehe Tabelle 5).
TSI, TSO
Tabelle 5: TSI- und TSO-Messungen
TSI, MD [kNm/g]
TSI, CD [kNm/g]
Mittel- Var.Mittel- Var.Min Max
Min Max
wert Koeff.
wert Koeff.
AD
5,2
3,8
4,9 5,42 11,4
2,0 11,21 11,86
Kraftliner
ID
5,1
5,1 4,67 5,45 11,6
3,1 10,86 11,82
Wellenstoff HPZ 4,5
1,3
4,4 4,53 10,3
0,9 10,17 10,44
AD
3,8
2,4 3,68 3,89 9,1
1,6
8,97 9,33
Testliner
ID
3,8
3,4 3,64 4,00 9,1
2,2
8,82 9,31
Porositäten im
Normklima (NK)
TSI
MD/CD
0
0,46
0,44
0,43
0,42
0,42
TSO Angle
Mittel- Var.Min Max
wert Koeff.
5,4
27,2 3,58 7,09
3,4
57,5 1,25 6,79
3,5
25,9 2,56 5,07
6,8
11,9 6,08 8,42
6,7
19,3 5,23 8,82
Eine für die Modellierung der Penetrationsprozesse wesentliche Eigenschaft ist
die Porosität, wobei vor allem die Gesamtporosität der Liner in % und der mittlere Porenradius in µm in die Berechnungen einfließen. Die Abbildung 6 zeigt
die Porositäten der Papiere. Gegenübergestellt sind die Porositäten im Normklima und die etwas veränderten Werte nach leichter Befeuchtung (ca. 5%
Feuchteeintrag). Für die Modelle kann man z.B. annehmen, dass zunächst die
Normklimawerte gelten, im weiteren Prozess am Kaschierwerk aber für den
Wellenstoff dann bereits eine Befeuchtung eingetreten ist. Eine analoge Darstellung für die Porenradien zeigt Abbildung 7.
Abbildung 6:
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Porositäten der Papiere, sowohl im Normklima (NK) als
auch in Befeuchtungsstufe 1 (ca. 5% zusätzliche Feuchte)
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Abbildung 7
Dehnung und Steifigkeit der Wellpappenpapiere bei
Befeuchtung und
Trocknung
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Porenradien im Normklima & mit 5% zusätzlich befeuchtet
Zur Charakterisierung der Wellpappenpapiere hinsichtlich ihrer Dehnungs- und
Steifigkeitseigenschaften, die die Planlage der fertigen Wellpappe möglicherweise beeinflussen können, wurden mehrere Materialkenngrößen ermittelt.
Zum einen wurde untersucht, wie sich die Feuchtigkeitseinflüsse auf die Papiersteifigkeit, gekennzeichnet durch den Elastizitäts-Modul (E-Modul / Zugsteifigkeit), auswirken. Dazu wurden die Decken- und Wellenpapiere bei unterschiedlichen klimatischen Umgebungsbedingungen konditioniert (Normbedingung: 23°C/ 50 % r.H.; Feuchtbedingung: 23°C/ 85 % r.H.; Trockenbedingung:
23°C/ 5% r.H.). An den konditionierten Papieren wurden dann mittels Zugversuch nach DIN EN ISO 1924-2 die E-Module sowohl in Maschinenrichtung MD
als auch in Querrichtung CD ermittelt.
Weiterhin wurde zur Kennzeichnung der Dehnungseigenschaften der Papiere
das Dehnungsverhalten bei einseitigem Kontakt mit Wasser ermittelt. Dies erfolgte über die Bestimmung der Nassdehnung mit dem Wet Stretch Dynamics
Analyzer (WSDA). Hierbei wurde nur die für eine dehnungsbedingte Planlageabweichung relevante Querrichtung CD der Papiere untersucht.
Zur Kennzeichnung des Schrumpfungsverhaltens der Papiere, wie es bei einseitiger Hitzeeinwirkung der Fall sein würde, wurden Untersuchungen mit dem
Heat Shrinkage Analyzer (HSA) durchgeführt.
E-Modul –
Normbedingungen
In der nachfolgenden Tabelle 6 sind die E-Module aller Wellpappenpapiere
gemessen unter Normbedingungen (23°C/ 50% r.H.) gegenübergestellt.
Tabelle 6: Elastizitäts-Module (E-Modul) von Wellpappenpapieren bei
Normklima 23°C / 50% relativer Luftfeuchte
Parameter
E-Modul (CD)
E-Modul (MD)
Einheit
N/mm²
N/mm²
Kraftliner
1602 - 3330
2996 - 7844
Deckenpapiere
Testliner
1133 - 2545
2539 - 6027
GD-Papiere
2344 - 2474
5108 - 5482
Wellenpapiere
1389 - 2099
2853 - 5548
Aus den Messergebnissen ist zu erkennen, dass die Kraftliner die höchsten E-
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Module aufweisen. Die E-Module der Testliner und auch der Wellenpapiere
sind im Vergleich dazu deutlich kleiner (geringere Steifigkeit). Zwischen diesen
ist beim E-Modul kein signifikanter Unterschied, evtl. noch ein geringer in Querrichtung, zu sehen.
E-Modul –
trocken/ feucht
In Tabelle 7 sind die E-Module der Wellpappenpapiere, die bei verschiedenen
klimatischen Bedingungen konditioniert wurden, zusammengestellt. Sie wurden
sowohl in Maschinenrichtung als auch in Querrichtung ermittelt. Anhand der Ergebnisse sind zwischen Norm- und Trockenklimabedingungen keine eindeutig
interpretierbaren Unterschiede ableitbar. Einerseits sich oft keine großen Einflüsse der Feuchtezustände erkennbar, andererseits zeigen die E-Module nicht
den erwarteten Trend. Offenbar sind hier die aus der Papiererzeugung stammenden, fixierten Spannungszustände, noch so vorherrschend, dass die klimatischen Einflüsse dadurch überdeckt werden.
Dagegen ist ein sehr deutlicher Einfluss nach der Lagerung im Feuchtklima zu
identifizieren. Mit höherem Feuchtegehalt im Papier, der sich auf Grund der Lagerbedingungen im Papier einstellt, sinkt der E-Modul signifikant. Dieser Trend
ist über alle Papier gleich, wobei sich bei den einzelnen Papieren das Niveau
wiederum in Abhängigkeit von der Papiersorte deutlich unterscheidet. Bei den
Kraftpapieren werden höhere E-Modulwerte gemessen als bei den Testlinern.
Die geringsten Werte zeigen die Wellenpapiere. Entsprechend der Anisotropie
der Papiere unterscheiden sich die Werte in MD- und CD-Richtung.
Tabelle 7: Elastizitäts-Module (E-Modul) von Wellpappenpapieren bei 23°C
und 5%, 50%, 85% relativer Luftfeuchte)
Parameter
E-Modul (CD)
E-Modul (MD)
E-Modul –
Hitze / feucht
5 % r.H.
50 % r.H.
85 % r.H.
5 % r.H.
50 % r.H.
85 % r.H.
Kraftliner
2290 - 3220
1602 - 3330
1091 - 1717
5735 - 7324
2996 - 7844
4209 - 5145
Deckenpapiere
Testliner
1491 - 2711
1133 - 2545
316 - 958
4238 - 6617
2539 - 6027
2614 - 3753
GD-Papiere
2240 - 2747
2344 - 2474
760 - 819
5465
5108 - 5482
3411
Wellenpapiere
1428 - 2168
1389 - 2099
397 - 1021
4225 - 5725
2853 - 5548
2701 - 3555
Um das Steifigkeitsverhalten der Papiere bei Hitzeeinwirkung und insbesondere
im feuchten Zustand beurteilen zu können, wurden die E-Module auch an Papieren mit höherer Temperatur ermittelt. Dabei wurde ebenso untersucht, wie
sich die Steifigkeit entwickelt, wenn feuchte Papiere aufgeheizt werden.
Aus Abbildung 8 ist zu erkennen, dass mit zunehmender Temperatur auch der
E-Modul der Papiere größer wird, d.h. die Steifigkeit erhöht wird. Dieser Effekt
ist mit Sicherheit auf das Austrocknen der Papiere durch die Temperatureinwirkung zurückzuführen.
Die E-Module bei gefeuchteten und beheizten Papieren zeigen erneut den signifikanten Einfluss des Feuchtegehaltes. Zusätzlich ist eine Flexibilisierung
durch den Temperatureintrag festzustellen. Der E-Modul der feuchten und beheizten Papiere ist etwas niedriger als bei nur feuchten Papieren. Hier wird offensichtlich noch eine weitere Erweichung im Papier erzielt (Abbildung 9).
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Abbildung 8: E-Module an erwärmten Papieren – beispielhaft für Kraftund Testliner sowie Wellenpapier (MD- und CD-Richtung)
Abbildung 9: E-Module von erwärmten, feuchten Wellenpapieren – beispielhaft für Kraft- und Testliner sowie Wellenpapier (MD- und CDRichtung)
Dehnung
Zur Erfassung des Dehnungsverhaltens bei einseitiger Befeuchtung und der
Dimensionsänderung unter Hitzeeinwirkung wurden Untersuchungen mit dem
Wet Stretch Dynamics Analyzer (WSDA) und dem Heat Shrinkage Analyzer
(HSA) durchgeführt. Dabei wurde vorwiegend die für die Planlage von Wellpappe maßgebliche Dimensionsänderung in Querrichtung betrachtet.
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Wet Stretch Dynamics Analyzer
(WSDA)
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Über den Klebstoffauftrag in der Wellpappenmaschine wird ein hoher Anteil an
Wasser in die Papiere eingetragen. Dieser Wasseranteil führt bei den Papieren
durch Quellung der Fasern zu Dimensionsänderungen, insbesondere in den
Faserkreuzungspunkten. Dabei spielt das Penetrationsverhalten des Wassers
in das Papier eine entscheidende Rolle. Die Messung mit dem Wet Stretch Dynamics Analyzer (WSDA) erfasst gleichzeitig beide Verhalten, indem das Papier einseitig mit flüssigem Wasser benetzt und durchtränkt wird. Die daraus
resultierende zeitabhängige Längenänderung im Papier wird gemessen.
In Abbildung 10 sind die Ergebnisse für unterschiedliche Papiersorten zusammengestellt. Es ist zu erkennen, dass das Nassdehnungsverhalten sehr
stark von der Papiersorte abhängig ist. Einflussgrößen auf das Nassdehnungsverhalten sind die eingesetzten Fasern (Primär oder Sekundärfasern), der einoder mehrlagige Aufbau des Papiers sowie der Einsatz von chemischen Hilfsmitteln (z.B. Papierleimung). Klar erkennbar ist die geringe Nassdehnung bei
den Kraftlinern. Ebenso eindeutig ist die schnelle und hohe Nassdehnung bei
den Wellenpapieren, wobei nur ein marginaler Einfluss von der benetzten Papierseite zu sehen ist. Wellenpapiere sind für eine schnelle Wasseraufnahme,
zur Optimierung der Verklebungseigenschaften, konzipiert.
Die größte Variationsbreite ist bei den Testlinern zu finden. Hier ist vermutlich
der größte Einfluss im Papier- bzw. Lagenaufbau und in der Leimung des Papiers zu vermuten. Die flächenbezogene Masse bzw. die Dicke des Papiers
haben dabei offenbar keine Auswirkung auf das Nassdehnungsverhalten.
Abbildung 10:
Nassdehnungsverhalten verschiedener Wellpappenpapiere bei
23°C/50%r.H.; (1) Kraftliner; (2) Testliner; (3) Wellenpapiere; (4) Sonderpapiere (GD-, HP-Papiere)
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Heat Shrinkage
Analyzer (HSA)
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In einer WPA erfolgt die Trocknung stets mit untenliegenden Heizplatten, so
dass die Wärme immer von der Oberseite der Papierbahn der Außendecke in
die Wellpappe übertragen wird. Das wurde bei den Deckenpapieren für die Untersuchungen stets berücksichtigt. Bei den Wellenpapieren haben Vorversuche
gezeigt, dass die Dimensionsänderung weitgehend unabhängig von der beheizten Papierseite war. Damit der Feuchtezustand der Papiere beim Einlauf in
die Heizpartie mit berücksichtigt werden konnte, wurden die Versuchspapiere
mit zwei unterschiedlichen Ausgangsfeuchten für die Messungen vorbereitet.
Für eine Versuchsreihe wurden die Papiere bei 23 °C und 50 % relativer Luftfeuchte vorkonditioniert. Für eine weitere Versuchsreihe wurden die Papiere bei
23 °C und 85 % relativer Luftfeuchte vorkonditioniert.
Frühere Arbeiten (41, 42) haben gezeigt, dass das Verhältnis einer Schrumpfung in Querrichtung zu der einer in Längsrichtung ca. mit 2:1 – 3:1 ausfällt. Aus
diesem Grund war für die im Rahmen des Projektes durchgeführten Untersuchungen im Wesentlichen die für die Planlage wichtige Schrumpfung in Querrichtung des Papieres relevant.
Abbildung 11: Dimensionsänderungen unter Hitzeeinwirkung verschiedener Wellpappenpapiere bei 23°C/50%r.H.; (1) Kraftliner; (2) Testliner; (3) Wellenpapiere; (4) Sonderpapiere (GD-, HP-Papiere)
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Die Diagramme in Abbildung 11 zeigen die Messkurven der Dimensionsänderung von Wellpappenpapieren, die bei 23°C/50%r.H. vorkonditioniert wurden.
Es ist insbesondere im Anfangsbereich in der Steigung der Messkurven ein Unterschied zwischen den Papieren zu erkennen. Ein analoges Ergebnis zeigten
die Messkurven der Papiere, die bei hoher Luftfeuchte (23°C/85%r.H.) konditioniert wurden, nur waren die Dimensionsänderungen dort im Betrag größer. Dies
bestätigen auch die Ergebnisse aus den Berechnungen der Schrumpfgeschwindigkeiten (Abbildung 12).
Berechnung der
Schrumpfungsgeschwindigkeit
Ausgehend von der Annahme, dass in einer modernen WPA die Durchlaufdauer in den Bereichen, in welchem das Papier mit Hitze in Berührung kommt, nicht
länger als 6 Sekunden dauert, wurde der Faktor Schrumpfungsgeschwindigkeit
definiert [42]. Für diesen Faktor werden jeweils die ersten 6 Sekunden der
Schrumpfung ab dem Kurvendurchgang der Nulllinie betrachtet. An dieser Teilkurve wird jeweils die Schrumpfgeschwindigkeit der einzelnen Datenpunkte errechnet und anschließend das arithmetische Mittel über alle Schrumpfgeschwindigkeiten genommen, um somit einen Faktor zu erhalten, der eine mittlere Schrumpfgeschwindigkeit im relevanten Bereich angibt.
Abbildung 12: Schrumpfungsgeschwindigkeiten unter Hitzeeinwirkung verschiedener
Wellpappenpapiere bei 23°C/50% r.H und bei 23°C/85% r.H. vorkonditioniert.;
(1) Kraftliner; (2) Testliner; (3) Wellenpapiere; (4) Sonderpapiere (GD-, HPPapiere)
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K lebs toffeigens chaften
Allgemeines
Als Datenbasis für die Penetrationsmodellierung wurden 5 verschiedene Klebstoffe untersucht. Die Klebstoffe 1 bis 3 wurden als Fertigklebstoff seitens der
Wellpappenwerke A und B angeliefert. Bei der PTS wurden anschließend deren
Eigenschaften gemessen. Die Klebstoffe 4 und 5 wurden als Basismaterialien
geliefert. Daraus wurden die Klebstoffe bei der PTS gemäß Rezeptur aufbereitet
und unmittelbar danach gemessen. Insofern ist es möglich, dass die Messwerte
der Klebstoffe 4 und 5 näher an den realen Parametern im WP-Werk liegen.
Tabelle 8: Übersicht der im Projekt untersuchten Klebstoffe
Bezeichnung
Bemerkung
Klebstoff 1
Werk A
Klebstoff 2
Werk B, Sorte 1
Klebstoff 3
Werk B, Sorte 2
Klebstoff 4
Werk C
Klebstoff 5
Sorte D
Bei der Messung der Basisdaten wurde allerdings berücksichtigt, dass bei Wellpappenklebstoffen ab einer Temperatur von ca. 55°C die Quellung der Stärkekörner einsetzt (Verkleisterungstemperatur). Deshalb erfolgten die Messungen
der Basisdaten bis maximal zu dieser Verkleisterungstemperatur.
Dichten der
Klebstoffe
Die Dichte der Wellpappenklebstoffe wurde gravimetrisch (Pyknometerverfahren) ermittelt. Dazu wurde ein exakt definiertes Klebstoffvolumen ausgewogen
und über Volumen & Gewicht die Dichte ermittelt. Dieses Verfahren wurde auch
zur Ermittlung der Dichte bei höherer Temperatur des Klebstoffs angewandt.
Abbildung 13: Dichte von Wellpappenklebstoffen (auf Stärkebasis) in Abhängigkeit der Temperatur
Abbildung 13 zeigt die temperaturabhängige Dichte der Klebstoffe 1 bis 3.
Trotz unterschiedlicher Feststoffgehalte und Rezepturen ist die Dichte der drei
Klebstoffe mit 1,1 bis 1,3 g/cm³ nahezu gleich. Sie nimmt mit zunehmender
Temperatur ab. Auch hier unterscheiden sich die Klebstoffe nicht signifikant.
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OberflächenDie Ermittlung der Oberflächenspannung an den flüssigen Wellpappenklebstofspannungen der fen wurde mit Hilfe eines Tensiometers K13 (Krüss GmbH, Hamburg) nach
Klebstoffe
DIN ISO 1409 durchgeführt. Dabei wurde die Wilhelmy-Methode (Platte) ange-
wandt. Für die Bestimmung der Oberflächenspannung bei höheren Temperaturen wurde vor der Messung der Klebstoff angewärmt und während der Messung
der Probenbehälter im Gerät temperiert. In Abbildung 14 sind die Ergebnisse
am Beispiel der Klebstoffe 1 bis 3 zusammengefasst.
Abbildung 14: Oberflächenspannung von Wellpappenklebstoffen (auf
Stärkebasis) in Abhängigkeit der Temperatur
Im Gegensatz zu den Dichten der Klebstoffe sind in den Oberflächenspannungen deutliche Unterschiede zwischen den Klebstoffen zu erkennen. Auch der
temperaturabhängige Verlauf ist dabei sehr verschieden.
Viskositäten bei Das Fließverhalten von Flüssigkeiten wird über die Viskosität definiert. Da die
Normklima
meisten Klebstoffe ein strukturviskoses Verhalten aufweisen, ist zur Beschrei-
bung von Klebstoffbasisdaten eine Viskositätskurve in Abhängigkeit Schergeschwindigkeit/Zeit aufzunehmen. Damit lassen sich Eigenschaften wie pseudoplastisches, dilatantes, thixotropes oder rheopexes Fließverhalten erfassen.
Abbildung 15: Viskosität von Wellpappenklebstoffen (auf Stärkebasis) in
Abhängigkeit vom Schergeschwindigkeitsgefälle
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Die Abbildung 15 zeigt die Viskositätskurven der Klebstoffe 1 bis 3, die bei
Raumtemperatur (23°C) gemessen wurden. Die durchgezogenen Linien geben
die Viskositäten mit steigendem Schergeschwindigkeitsgefälle wieder, die gestrichelten Linien den Verlauf bei fallendem Schergeschwindigkeitsgefälle. Beide Kurven wurden unmittelbar nacheinander gemessen. Bei allen Klebstoffen ist
ein pseudoplastisches Fließverhalten zu sehen. Allerdings ist bei den Klebstoffen 1 und 3 die Strukturviskosität stärker ausgeprägt als bei Klebstoff 2. Außerdem ist bei Klebstoff 1 und 3 ein leicht thixotropes Verhalten zu erkennen.
Viskositäten bei Die für die Simulationen in der Maßeinheit [mPa s] benötigten Viskositätsdaten
Temperaturwurden im wichtigen Bereich zwischen 25°C und ca. 70°C mittels RVAanstieg
Messungen mit steigender Temperatur gemessen. Eine Ergebnisübersicht zeigt
Abbildung 16. Die Schwankungsbreite der Viskositäten im Bereich vor dem
Gelierpunkt ist gut zu sehen. Einheitlich ist das bekannte leichte Absinken der
Viskosität zwischen 25 und 55°C, wobei sich die Ausgangswerte bei 30°C doch
deutlich unterscheiden.
Hinweis zu beobachteten Geliertemperatur: Die Messungen der Klebstoffe 1, 2
und 3 wurden mit einem anderen Messgerät/Messverfahren durchgeführt als die
Messungen zu den Klebstoffen 4 und 5. Es ist sehr wahrscheinlich, dass die
Temperaturen in den ersten 3 Fällen verfahrensbedingt als zu hoch angenommen wurden, so dass auch dort die Gelierpunkte der Klebstoffe (Kurvenanstieg)
im Bereich um 60°C oder etwas darunter liegen werden.
Abbildung 16:
Kontaktwinkel
Viskositätswerte der 5 Klebstoffe im Bereich
Für die Klebstoffe 2 bis 5 konnten die Kontaktwinkel gegen verschiedene Liner
gemessen werden. Ausgewählt wurden beispielhaft ein Wellstoff (W6), ein Testliner (T2) und ein Kraftliner (K4). Die Klebstoffe 2 und 3 wurden bei Raumtemperatur gemessen, die Klebstoffe 4 und 5 bei der Prozesstemperatur von 35°C.
Klebstoff 4 wurde zusätzlich bei 50°C gemessen. Da diese Messung wenig Unterschied zum Wert bei 35°C zeigt, wurde wegen des Aufwandes auf weitere
Messungen bei 50° verzichtet.
Die Messungen wurden jeweils in 2 Serien zu je 10 Messungen durchgeführt
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und zeigten eine hohe Reproduzierbarkeit. Insofern sind die Unterschiede bezüglich der Kontaktwinkel für verschiedene Liner durchaus als signifikant anzusehen. In der Tabelle sind die jeweiligen Mittelwerte dargestellt.
Tabelle 9:
Kontaktwinkel für Klebstoffe bei verschiedenen Temperaturen, kombiniert mit 3 unterschiedlichen Linern
MessTemperatur
in °C
Klebstoff 1
KlebestellenBilder
Kontaktwinkel
Wellenstoff
(W6)
Messung nicht erfolgreich
Testliner
(T2)
Kraftliner
(K4)
Klebstoff 2
23
72°
Klebstoff 3
23
78°
Klebstoff 4
35
90°
110°
119°
Klebstoff 4
50
98°
108°
122°
Klebstoff 5
35
100°
110°
118°
Zur detaillierten Analyse der Klebestellen wurden von jodierten Proben Draufsicht-Aufnahmen gemacht, die die Klebstoffverteilung auf den Papieren für unterschiedliche Wellenarten (B-, E-, F-Wellen) erfassen. Eine Abschätzung der
Klebeflächen aus diesen Bildern ergab die in Tabelle 10 dargestellten Werte,
die eine weitere wichtige Basis für die Modellrechnungen bilden.
Tabelle 10: Daten zur Klebstoffverteilung und deren Auftragsmenge. (Für
F-Wellen wurden unterschiedliche Klebestellenbreiten gemessen.)
Merkmale der Klebestellen
mittlere Abstände
mittlere Breiten
Klebstoffauftrag (brutto)
Feststoffgehalt im Klebstoff
Wasser-Anteil im Klebstoff
prozentuale Leimfläche (Kleb)
flüss. Anteil auf Leimflächen
Einheit
mm
mm
g/m²
%
g/m²
%
g/m²
B-Welle
6,30
1,06
6
25
4,5
16,8
26,7
E-Welle
3,10
0,76
8
25
6,0
24,5
24,5
F-Welle
2,24
0,81
10
25
7,5
36,2
20,7
F-Welle
2,24
0,63
10
25
7,5
28,1
26,7
Zur Erläuterung: Die mittleren Abstände der Klebestellen ergeben sich aus der
Geometrie der Riffelwalze und können auf dem Papier gemessen werden. Aus
den mittleren Breiten der Klebestellen kann dann die Leimfläche prozentual zur
Papierfläche berechnet werden. Beim Klebstoffauftrag muss zwischen der Menge pro m² (brutto) und der lokalen Menge im Klebebereich unterschieden werden. Für die Penetrationsberechnung ist dann aber nur der Flüssig-Anteil des
Klebstoffs von Interesse (letzte Zeile der Tabelle).
Diese Überlegungen sind für die realen Mengen- und Restmengenberechnungen in den Modellen wichtig.
Ergänzt wurden die Untersuchungen durch Querschnittsbilder der Wellpappen,
die ebenfalls dazu dienten, den Klebeflächenanteil für die unterschiedlichen
Wellenarten zu ermitteln.
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7
P enetrations modell
7.1
Aufbau eines B as is modells zur P enetration von Was s er und K lebs toff in
Wellpappenliner
Vorgehen
BosanquetModell
Die Modellierung der Penetrationsvorgänge der Klebstoffe in Welle und Decken
wurde in diesem Projekt auf den Erfahrungen der vorangegangenen PTSProjekte „Toolbox“ [43] und „Kombidruck“ [ 44] entwickelt. Jedoch musste die
Modellsoftware vor allem in folgenden Punkten erweitert werden:
•
Beachtung von 2 Papieren (Linern) zeitlich gestaffelt in einer Rechnung,
•
Beachtung von aufgenommenen Klebstoffmengen und deren Reste je m²
bzw. je Klebefläche (Restmengenverwaltung),
•
Beachtung von Prozesszeiten und zeitweilig wirkenden Anpressdrücken,
•
Deutliche Erweiterung der Diagramme und Ergebnistabellen.
Das Modell basiert auf der Differentialgleichung von Bosanquet [45]:
d  2 dx 
dx
= Peπ r 2 + 2π rγ cos θ
 π r ρ x  + 8π η x
dt 
dt
dt 
(1)
Trägheitsterm
Viskositätsterm
r - Kapillarradius
γ - Oberflächenspannung
ρ - Dichte Fluid
Θ - Kontaktwinkel Fluid - Kapillarwand
η - Viskosität
Pe - äußerer Druck
die den Flüssigkeitstransport x(t) in einer Kapillare beschreibt. Diese Gleichung
lässt sich explizit lösen mit
x(t ) 2 =
2b  1
−at 
t − 1 − e 
a  a

(
)
(2)
wobei die wichtigen physikalischen Parameter (für Papier und Fluid) in den Variablen a und b gemäß Formel (3) zusammengefasst sind.
a=
8η
ρ r2
und
b=
Pe r + 2γ cos θ
ρr
(3)
In der Literatur werden auch „vereinfachte“ Lösungen diskutiert, die jeweils nur
einen Teil der Gleichung beachten. Einerseits den Trägheitsterm, der die Anfangsbewegung beschreibt und andererseits den Viskositätsterm, der mit fortschreitender Bewegung wirksam wird. Für den vorliegenden Fall ist dies aber
nicht zweckmäßig (vgl. [44]) und wird deshalb hier nicht erläutert. Hier im Projekt erfolgte deshalb eine Beschränkung auf die allgemeingültige Formel (2).
Eingabedaten
Die für das Modell erforderlichen Daten wurden in 2 Dateien tabellarisch zusammengestellt. In den „Basisdaten“ sind die Daten für verschiedene Liner und
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Klebstoffe gesammelt und die gemessenen Parameter jeweils für das Normklima erfasst. Für ca. 15 Liner und 5 verschiedene Klebstoffe liegen die Parameter
gemäß folgender Tabelle vor:
Tabelle 11: Übersicht der für die Modellrechnungen wichtigsten Parameter
In der Datei „Detaildaten“ sind wichtige Parameter der Klebstoffe erfasst, die
sich im Prozessablauf abhängig von der Temperatur verändern. Das ist vor allem die Viskosität. In einigen Fällen wurden aber auch die Temperaturabhängigkeiten der Dichte, der Kontaktwinkel und der Oberflächenspannung gemessen und dann in den Modelldaten berücksichtigt.
Ergebnisbeispiel
Im Arbeitspaket wurden die Modellsoftware erstellt und erste Variantenrechnungen zur Funktionskontrolle durchgeführt. Das Beispiel in Abbildung 17 zeigt die
Variation von Anpressdrücken und deren Auswirkungen auf Eindringtiefen des
Klebstoff-Wassers und die im Zwischenraum verbleibende Restmenge.
Die Diagramdarstellung gliedert sich in 3 Teile. Im oberen Diagramm ist der
Eindringprozess des Fluids in die Welle (obere Kurve) und in die Decke (untere
Kurve) über der Zeit dargestellt. Im unteren Teil sieht man die Abnahme der
„Restmenge“ des Klebstoff-Wassers zwischen den Linern.
Die Bedienoberfläche ermöglicht die Variation aller oben angegebenen Parameter für Liner, Klebstoff und Prozess.
Abbildung 17: Penetrationsverläufe eines Klebstoffes bei unterschiedlichen Anpressdrücken an der Riffelwalze
Das Programm gestattet die Prozesseinstellung auf „Riffelwalze“ oder „Kaschierwerk“. In beiden Prozessabschnitten sind unterschiedliche Standardparameter für die Prozesszeiten und Anpressdrücke hinterlegt.
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Ergebnisbeispiel
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Zur Beurteilung der in die Liner eingetragenen Feuchte wird außer dem Diagramm zusätzlich eine Tabelle ausgegeben, die Angaben zu den jeweiligen
Feuchtemengen bereitstellt. Wie im Beispiel der Tabelle 12 ersichtlich, werden
die Feuchtemengen sowohl in g/m² als auch, bezogen auf die realen Flächengewichte und Dichten, in % je Papierlage angegeben.
Tabelle 12: Beispielergebnis mit typischen Werten für die in Welle und
Decke übertragenen Feuchtemengen
Feuchte in g/m²
Feuchte in %
Welle
2,0
2,5
Decke
2,1
1,4
Rest im Zwischenraum
4,9
nicht sinnvoll
Im Sinne des Modellzieles ist diese Tabelle das wesentliche Ergebnis der
Rechnungen. Sie gibt den Feuchtegehalt für Welle und Innendecke (Riffelwalze)
bzw. Welle und Außendecke (Kaschierwerk) und die jeweilige Restmenge des
Klebstoff-Wassers an.
Ergebnisse und Eine erste Einschätzung der Modellmöglichkeiten ergab folgendes:
Einschätzungen
•
Die Modellsoftware bietet eine hohe Variationsvielfalt bezüglich der Eingangsgrößen.
•
Einige Eingangsgrößen können nicht bzw. nicht mit der notwendigen Genauigkeit ermittelt werden und müssen deshalb abgeschätzt in die Rechnungen eingehen (z.B. Tortuosität, Anpressdrücke).
•
Im Ergebnis können sowohl zeitliche als auch mengenmäßige Angaben
zum Eindringen der Feuchte in die Liner abgelesen werden.
Wenn auch für die berechneten absoluten Werte keine Garantie bezüglich ihrer
Genauigkeit gegeben werden kann, so ist davon auszugehen, dass die zeitlichen und mengenmäßigen Relationen bei Parameteränderungen aussagekräftig, plausibel und vertrauenswürdig sind.
Eine Überprüfung der Modellgenauigkeit durch messtechnische Prüfung ist derzeit noch nicht möglich, da die untersuchten Größen im Prozess nicht messbar
sind und jede Nachstellung im Labor zu deutlich anderen Abläufen führt (Das
Eindringen von Tinten in grafische Papiere konnte die Modelle bestätigen).
Wie bei jedem Modell wurden einige vereinfachende Annahmen getroffen.
Plausibilitätsabschätzungen von Praktikern bzw. an WPA zeigten, dass die berechneten Werte in Größenordnung und Tendenz glaubwürdig sind.
Zusammenfassung Modell
Im Arbeitspaket wurde auf der Basis der Bosanquet-Gleichung eine MatlabSoftware erarbeitet, mit der die Penetration von Klebstoffen in Wellpappenliner
in Varianten modelliert werden kann. Die wesentlichen Ergebnisse der Rechnungen sind die Eindringzeiten und –tiefen der Klebeflüssigkeit sowie die in
Welle und Decke eingedrungenen Fluidmengen.
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7.2 Variation der P enetrations modelle
Ziele für die
Variantenrechnungen
Mit der erstellten Modellierungssoftware wurden bei Änderung von Parametern
für Liner, Klebstoff und Prozess einige Variantenrechnungen durchgeführt. Die
Ziele dieser Rechnungen waren:
•
Unterschiede in den Penetrationsverläufen in den Linern festzustellen,
•
Unterschiede der Restmengen im zeitlichen Verlauf zu beobachten,
•
Feuchteverteilungen in Welle / Decke und Rest (in g/m² bzw. in %) nach
dem Verkleisterungspunkt zu berechnen,
•
Beobachtung der Variationsbreite der Feuchteinhalte in den Linern und den
Restmengen, abhängig vom jeweils variierten Parameter
Beispielergebnisse für angenommene Situationen an Riffelwalze bzw. Kaschierwerk sind nachfolgend dargestellt.
Riffelwalze
Variation der
Wellenstoffund Klebstoffmengen
Für den Bereich der Riffelwalze wurden Penetrationsvorgänge bei variierendem
Wellenstoff und unterschiedlicher Klebstoffmenge berechnet (Abbildung 18).
Aus der Abbildung ist folgendes ersichtlich:
•
Die Penetration in die Wellenstoffe W6 und W7 verläuft ähnlich (blaue, rote, grüne Kurven fast deckungsgleich), für W6f (W6f ist die vorbefeuchtete
Version von W6) verläuft die Penetration schneller, es wird mehr Klebstoff
aufgenommen. Eine geringere Zuführung von Klebstoff (2. Fall, nur 6 g/m²)
wirkt sich auf die Welle nicht aus, da der Gelierzeitpunkt den Penetrationsprozess abstoppt. Nur die Restmenge des Klebstoffes ist dann kleiner.
•
Da die Decke unverändert ist, gibt es auch bezüglich der Penetration keine
Änderungen.
•
Bezüglich der Restmengen ist zu sehen, dass wegen der unterschiedlichen
Porositäten von W6, W7, W6f in gleichen Zeiträumen etwas unterschiedliche Mengen in den Wellenstoff eindringen und deshalb die Restmengen
leicht differieren. Wird weniger Klebstoff angeboten (2. Fall), so ist die
Restmenge entsprechend kleiner. (Hinweis: Die Auftragsmengen 6 bzw. 8
g/m² beziehen sich auf den Feststoffanteil des Klebstoffs, die im Diagramm
dargestellten Restmengen auf den Wasseranteil im Klebebereich!).
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Abbildung 18: Eindringvorgänge bei Variation von Wellenstoff (Sorten W6,
W6, W7, W6f), B-Welle und Klebstoffmengen von 6 - 8 g/m².
Hinweis: Die Abkürzungen in der Legende des Diagramms bedeuten:
•
•
•
•
K1 - Klebstoff Nr. 1,
W6 – Wellenstoff Nr. 6, W6f – Wellenstoff Nr. 6 befeuchtet
T3 – Deckliner ist Testliner Nr.3,
B(x) – B-Welle mit Kleberauftragsmenge x
Ergänzend sind in der nachfolgenden Tabelle die aufgenommenen Feuchtemengen nach 260 ms (Gelierzeit an der Riffelwalze) zusammengefasst.
Welle
Decke
Rest im Zwischenraum
Variation der
Tortuosität
W6- B(8)
g/m²
%
2,0
2,5
2,2
2,1
7,8
W6- B(6)
g/m²
%
2,0
2,5
2,2
2,1
4,8
W7- B(8)
g/m² %
2,5
2,2
2,2
2,1
7,4
W6f- B(8)
g/m²
%
1,3
1,3
2,2
2,2
8,5
Die Tortuosität von Papieren wird z.B. durch die eingesetzten Faser- und Füllstoffe beeinflusst. Für Liner können diese Skalierungswerte etwa im Bereich
zwischen 2 und 3 angenommen werden.
Im Variationsbeispiel (Abbildung 19) wurden die Tortuositäten für beide Liner in
den Stufen 2, 2.5 und 3 variiert (Details siehe Legende). Erwartungsgemäß
ergibt sich für beide Liner eine schnellere Penetration für kleinere Tortuositätswerte. Der Klebstoff kann dann schneller eindringen. Auch die Restmengen sind
dann für kleine Werte (Fall 3: 2 – 2, grüne Kurven) kleiner als für große Werte
(Fall 5: 3 – 3, rosa Kurven).
Die Diagrammkurven zeigen vor allem die qualitativen Unterschiede bezüglich
der Eindringtiefen und der Restmengen bei diesen Abstufungen der Tortuosität.
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Abbildung 19: Eindringvorgänge bei Variation der Tortuosität für Welle
(2.5, 2.0, 3.0), und Decke (2.5, 2.0, 3.0)
Hinweis zur Legende: Alle Rechnungen mit Kleber 5, Wellenstoff 6, Testliner 1;
Zahlen: angenommene Tortuosität von Welle bzw. Decke
Ergänzend sind in der nachfolgenden Tabelle die aufgenommenen Feuchtemengen nach 260 ms (Gelierzeit an der Riffelwalze) zusammengefasst.
Welle
Decke
Rest im Zwischenraum
Übersicht Riffelwalze
T=2,5 / 2,5
g/m² %
1,8
2,3
1,9
1,2
5,3
T=2,0 / 2,5
g/m²
%
2,3
2,8
1,9
1,2
4,8
T=2,0 / 2,0
g/m² %
2,3
2,8
2,3
1,5
4,4
T=3,0 / 2,5
g/m²
%
1,5
1,9
1,9
1,2
5,6
T=3,0 / 3,0
g/m² %
1,5
1,9
1,6
1,0
5,9
Die Ergebnisse der zahlreichen Variationsrechnungen können hier nicht alle
abgebildet werden. In der folgenden Tabelle ist deshalb eine verbale Einschätzung bezüglich der qualitativen Wirkung einiger Parameter an der Riffelwalze
zusammengefasst. Konkrete Aussagen für einzelne WPA sind nur möglich,
wenn die jeweiligen Parameter für Liner, Klebstoff und Prozess bereitgestellt
und dann in den realen Grenzen variiert werden.
Tabelle 13: Einschätzung der Wirkung ausgewählter Parameter auf das
Eindringverhalten der Klebstoffe an der Riffelwalze
Variiert
Einschätzung
Klebstoffmengen
Kurven für Liner identisch, nur Gesamtmengen und Reste
unterscheiden sich. Hohe Mengen führen zu größeren Resten, zu kleine Mengen zum (fast) vollständigen Eindringen
und damit zu ungenügender Verklebung.
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Klebstoffart
(Viskosität)
Wellenart
Kontaktwinkel
Decke
Tortuosität
Porenanteil
Porenradius
Geliertemperatur
Druck1/Zeit1
(Leimauftragswalze)
Druck2/Zeit2
(Presswalze
bzw. Band)
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Deutliche Unterschiede in Eindringtiefen und Restmengen.
Klebstoffsorten bringen mit gewählten Parametern deutliche
Unterschiede; bei Klebstoff 5 bleibt wegen der größeren Viskosität eine größere Restmenge.
Kurve für Liner identisch, nur Gesamtmengen und Reste unterscheiden sich.
Unterschiede werden auch quantitativ sichtbar, vor allem
Unterschied zwischen <90° und >=90°. Für höhere Kontaktwinkel penetriert der Klebstoff nur in den „Andruckphasen“.
Deutliche Unterschiede für verschiedene Liner als Decke,
Welle natürlich identisch, aber auch Restmengen dann unterschiedlich!
Einfluss sehr deutlich sichtbar. Hohe Werte führen zu größeren Restmengen!
Kurve für Liner identisch, nur Gesamtmengen und Reste unterscheiden sich (Zusammenhänge sind komplex). Geringere Porositäten führen zu größeren Restmengen.
Interessante Variationen mit deutlichen Unterschieden; geringere Porenradien führen zu langsameren Eindringen in
Welle und Decke und damit zu größeren Restmengen.
Kurven bis zur niedrigsten Geliertemperatur „identisch“; Prozess bricht früher oder später ab; geringe G-Temperaturen
führen zu größeren Restmengen im Klebespalt.
Unterschiede sind klar sichtbar, auch quantitativ; Auswirkungen natürlich nur auf Welle! Kürzere Zeiten und geringe
Drücke führen zu größeren Restmengen.
Unterschiede sind klar sichtbar, auch quantitativ; Auswirkungen auf Welle und Decke! Kürzere Zeiten und geringe
Drücke führen wieder zu größeren Restmengen.
Zur quantitativen Charakterisierung der Ergebnisse dienen folgende Angaben:
Die Zeiten für das Eindringen der Klebstoffe in die Liner sind durch das Erreichen des Gelierpunktes begrenzt. Dieser wird an der Riffelwalze 250 bis
300 ms nach Beginn des Klebstoffauftrages erreicht, am Kaschierwerk je nach
Bauform etwa 500 bis 700 ms nach dem Leimwerk. Die Eindringvorgänge spielen sich also im ms-Bereich ab.
Die Eindringtiefen für den flüssigen Anteil des Klebers betragen typischer Weise je nach Anpressdruck und Liner- bzw. Klebstoffeigenschaften zwischen 20
und 60 µm. Geringere Werte gelten vor allem dann, wenn der Kontaktwinkel
zwischen Klebstoff und konkretem Liner ≥ 90° beträgt, da dann ein Eindringen
nur in den Phasen erfolgt, in denen ein äußerer Druck anliegt.
Die in die Liner übertragenen Feuchtemengen schwanken im Bereich von
1% bis 10% Feuchtezuwachs im Papier. Insbesondere die höheren Werte können im Prozessablauf zwischen Riffelwalze und Kaschierwerk zu einer deutlichen Dehnung der „einseitigen Wellpappe“ führen und damit Spannungen in die
Wellpappe eintragen, die später zu Planlageabweichungen führen.
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Kaschierwerk
Variation der
Wellenart und
der Klebstoffmengen
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Für den Bereich des Kaschierwerks wurden Penetrationsvorgänge bei variierender Wellenart (B, E, F) und unterschiedlichen Klebstoffmengen (5 bis 9 g/m²)
berechnet (Abbildung 20). Aus dieser Abbildung ist folgendes ersichtlich:
•
Die Penetration in Welle und Decke verläuft deckungsgleich bis auf die
unterschiedlich lang vorrätigen Klebstoffmengen. Im Diagramm zu sehen
sind deshalb nur doch die beiden letzten Kurven zu B(7) und F(7), d.h. BWelle mit 7g/m² und F-Welle mit 7g/m².
•
Bezüglich der Restmengen ist zu sehen, dass wegen der unterschiedlichen
Auftragssituationen und Mengen die Klebstoffe unterschiedlich lange reichen. Im vorliegenden Fall sind für die Fälle 3 (F-Welle, 9g/m²) und 5 (FWelle, 7g/m²) zu wenig Klebstoff vorhanden, so dass die Restmengen bereits vor Erreichen des Gelierpunktes auf „Null“ gehen. Eine für den Klebevorgang ausreichende Restmenge liegt nur für den Fall 4 (B-Welle, 7g/m²)
vor. (Hinweis: Die Auftragsmengen 5, 7, und 9 g/m² beziehen sich auf den
Feststoffanteil des Klebstoffs, die im Diagramm dargestellten Restmengen
auf den Wasseranteil im Klebebereich!)
Abbildung 20: Eindringvorgänge bei Variation von Wellenart (B, E, F) und
Klebstoffmenge (5, 7, und 9 g/m²)
Hinweis zur Legende: Alle Rechnungen für Kaschierwerk mit Kleber 4, Wellenstoff
7, Kraftliner 4; variiert: Wellenart (Klebermenge)
Ergänzend sind in der nachfolgenden Tabelle die aufgenommenen Feuchtemengen nach 600 ms (Gelierzeit am Kaschierwerk) zusammengefasst.
Welle
Decke
Rest im Zwischenraum
Kaschierwerk
Variation des
Porenradius
g/m²
2,5
4,4
0,6
B(5)
%
2,3
3,8
E(7)
g/m²
%
3,7
3,3
6,4
5,5
0,4
F(9)
g/m²
%
5,5
4,4
8,5
7,1
0
B(7)
g/m²
%
2,5
2,3
4,4
3,8
3,6
F(7)
g/m²
%
4,2
3,8
6,3
5,4
0
In diesem Variationsbeispiel am Kaschierwerk wurden der Porenradius für beide
Liner variiert (Abbildung 21). Für die Welle in den Stufen r=2.2, 1.5, 2.8, für die
Decke mit r=1.9, 1.4, 2.3 (Details siehe Legende). Die Kurven zeigen deutlich
die Abstufungen in der Eindringgeschwindigkeit und im Verbrauch.
Die Eindringkurven für Welle und Decke zeigen ein schnelles Eindringen jeweils
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Seite 37 (63)
bei großen Porenradien. Bezüglich der Restmengen zeigt sich die Abstufung
der einzelnen Kombinationen mit dem minimalen Rest für (rW=2.8, rD=2.3, rosa
Kurve) und dem maximalen Rest für (rW=1.5, rD=1.4, grüne Kurve).
Abbildung 21: Eindringvorgänge bei Variation des Porenradius für Welle
(2.2, 1.5, 2.8), und Decke (1.9, 1.4, 2.3)
Hinweis zur Legende: Alle Rechnungen für Kaschierwerk mit Kleber 3, Wellenstoff
6, Testliner 2; variiert: Porenradius Welle – Decke (in µm)
Ergänzend sind in der nachfolgenden Tabelle die aufgenommenen Feuchtemengen nach 600 ms (Gelierzeit am Kaschierwerk) zusammengefasst.
Welle
Decke
Rest im Zwischenraum
Übersicht Kaschierwerk
r= 2,2 / 1,9
g/m²
%
2,8
3,4
4,2
4,3
3,6
r= 2,2 / 1,4
g/m²
%
2,8
3,4
3,1
3,3
4,6
r= 1,5 / 1,4
g/m²
%
2,1
2,7
3,1
3,3
5,2
r= 2,2 / 2,3
g/m²
%
2,8
3,4
5,0
5,1
2,7
r= 2,8 / 2,3
g/m²
%
3,3
4,0
5,0
5,1
2,2
In der folgenden Tabelle 14 ist eine verbale Einschätzung bezüglich der qualitativen Wirkung ausgewählter Parameter am Kaschierwerk zusammengefasst.
Die Wirkung einiger Parameter ist mit der an der Riffelwalze naturgemäß sehr
vergleichbar. Auf die Unterschiede wird kurz hingewiesen.
Tabelle 14: Einschätzung der Wirkung ausgewählter Parameter auf das
Eindringverhalten der Klebstoffe am Kaschierwerk
Variiert
Einschätzung
Klebstoffmenge
Kurven für Liner identisch, nur Gesamtmengen und Reste unterscheiden sich, solange die Klebstoffmenge ausreicht. Hohe
Mengen führen zu größeren Resten, zu kleine Mengen zum
(fast) vollständigen Eindringen und damit zu ungenügender
Verklebung.
Kurve für Liner identisch, nur Gesamtmengen und Reste unterscheiden sich, solange die Klebstoffmenge reicht. Die Modelle können zur Optimierung der benötigten Mengen helfen.
Qualitativ analog Riffelwalze
Wellenart
Porenanteil
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Einschätzung
der Feuchteänderung auf
der Brücke
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Porenradius
Qualitativ analog Riffelwalze
Tortuosität
Qualitativ analog Riffelwalze
Geliertemp.
Qualitativ analog Riffelwalze
Druck1/
Zeit1
Unterschiede geringer als bei Riffelwalze; vor allem wirkt die
Zeit wegen der geringen Drücke sehr wenig; niedrigerer
Druck führt naturgemäß zu größeren Restmengen.
Druck2/
(Zeit2)
Nur Druckvariation sinnvoll; Zeit wird durch G-Temp bestimmt; niedrigerer Druck führt wieder zu größeren Restmengen.
Zur Abschätzung von Spannungen, die beim Kleben in die Wellpappen eingebracht werden, sind u.a. die Feuchtegehalte im Moment des Klebens von Bedeutung. Ein entscheidender Prozessabschnitt zur Einschätzung der Situation
am Leim- bzw. Kaschierwerk ist der Feuchteabfall auf der Brücke.
Gemäß der Berechnungen zur Trocknung im Abschnitt 8 (AP9) lässt sich dieser
grob abschätzen. Unter der Annahme, dass die Prozesszeiten zwischen Riffelwalze und Leimwerk je nach Situation zwischen 1 und 2 Minuten liegen, zeigt
Abbildung 22 den Feuchteabfall in den Linern in 4 Varianten. In den Beispielen
ist jeweils eine Gleichgewichtsfeuchte der Liner von 7% angenommen und ein
gemäß der Penetrationsmodelle realistischer Feuchtezuwachs an der Riffelwalze von 2%, 3%, bzw. 5% bei typischen Halbwertszeiten τ für die Trocknung zwischen 4 und 12 Minuten.
Aus dem Diagramm wird ersichtlich, dass in den betrachteten Zeiträumen nur
ein geringer Feuchteabfall anzunehmen ist. Die aus der Praxis bekannten teilweise deutlichen Unterschiede im Verhalten der Wellpappen bei unterschiedlichen Verweilzeiten auf der Brücke müssen also noch durch andere Effekte
überlagert werden. Denkbar wäre hier z.B. ein Wechsel von elastischen zu plastischen Verformungen durch längere „Liegezeiten“.
Abbildung 22: Abgeschätzter Feuchteabfall der Liner im Bereich der Brücke nach unterschiedlichen Feuchteeinträgen, ausgehend von einer
Gleichgewichtsfeuchte von 7%. Die jeweiligen Ausgangsfeuchten u0 (nach
Riffelwalze) und die Halbwertszeiten tau sind in der Legende ersichtlich
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8
Seite 39 (63)
Trocknungs modell
Modellentwicklu
ng zum Feuchteverhalten der
Liner im Trocknungsprozess
Zunächst wurde aus der Literatur eine Formel zur Beschreibung des Trocknungsverhaltens von Papieren/Linern abgeleitet. Aus Trocknungsversuchen
konnten dann die erforderlichen Parameter bestimmt und somit der Wasserhaushalt der Liner in den prozessrelevanten Zeiten abgeschätzt werden.
Theorie und
DGL
Zu Trocknungs- und Verdunstungsproblemen wurden in der Literatur drei für
den vorliegenden Fall interessante Ansätze gefunden [46], [47], [48]. In der Dissertation von Funk [48] wurden Feuchteeigenschaften poröser Baumaterialien
theoretisch untersucht. Übertragen auf die Prozesse im Papier lässt sich daraus
folgend der Vorgang des Feuchteausgleichs durch eine gewöhnliche Differentialgleichung (DGL) beschreiben:
(4)
mit
u(t) – absoluter Feuchtegehalt im Papier im Zeitverlauf
u0 – absolute Papierfeuchte zum Startzeitpunkt
ueq – Gleichgewichtsfeuchte des Papiers gemäß Klimabedingung
th
– „Halbwertszeit“ des Feuchteausgleichs.
Formal entspricht Formel (4) einer einfach lösbaren linearen DGL der Form
(5)
mit der Anfangsbedingung
u(t0) = u0 ,
t0 = 0 ,
so dass die Lösung u(t) leicht bestimmt werden kann, nämlich
(6)
Die Formel beschreibt den zeitlichen Verlauf des Feuchteinhalts von einer beliebigen Ausgangssituation zum umgebungsbestimmten Gleichgewicht.
Deutung der
Lösung
Zunächst sei festgestellt, dass sich die in Formel (8) benötigten Parameter u0,
ueq und tn messtechnisch leicht bestimmen lassen, wobei ueq und tn abhängig
von der jeweiligen Papier- bzw. Linersorte seien werden.
Gleichung (6) läuft dann auf einen im folgenden Diagramm dargestellten Zusammenhang hinaus. Dabei sind hier die 2 möglichen Fälle dargestellt, nämlich
dass erstens die Gleichgewichtsfeuchte ueq wie in den meisten Fällen niedriger
als die Papierfeuchte u0 in t0 ist. Zweitens kann diese in einigen Fällen (sehr hohe Luftfeuchte) auch höher als die Feuchte u0 sein, die hier im Beispiel nach Befeuchtung mit 12% angenommen wurde. Gemäß Umgebungsfeuchten sind bei
dem Beispiel die Gleichgewichtsfeuchten ueq mit 8% bzw. 14% angenommen.
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Abbildung 23: Übergangskurven zum Feuchtegleichgewicht
Wie Formel (6) zeigt, hängt die Geschwindigkeit des Feuchteangleichens von
der Differenz (ueq – u0) und der „Halbwertszeit“ th ab. Im folgenden Absatz sind
einige Messergebnisse für diese Werte angegeben.
Messergebnisse Es wurden zahlreiche Trocknungsmessungen durchgeführt, bei denen verTrocknungsschiedene Liner mit Wasser bzw. Stärkeklebstoff befeuchtet wurden. Auch die
versuche
dabei aufgetragenen Mengen wurden variiert. Qualitativ wurden dabei stets sehr
ähnliche Ergebnisse erhalten, die denen von Abbildung 23 entsprechen. Die
Unterschiede zwischen den Liner waren vernachlässigbar gering.
Da für das Projekt vor allem das Klebstoffverhalten interessiert, werden dazu im
weiteren beispielhaft Ergebnisse wiedergegeben. So bilden die folgenden Diagramme das typische Trocknungsverhalten der Liner nach Klebstoffauftrag über
unterschiedliche Zeiträume ab. Abbildung 24 zeigt, dass bis zum Erreichen des
Gleichgewichtszustandes erwartungsgemäß sehr viel Zeit vergeht. Aus solchen
Langzeitmessungen können aber gleichzeitig auch die „Halbwertszeiten“ th bestimmt werden.
Abbildung 24: Trocknungsverläufe für einige Befeuchtungsfälle bis zu einer Zeit von ca. 1:45 h
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Abbildung 25: Trocknungsverläufe bei Langzeitbeobachtung bis zu einer
Zeit von ca. 16 h
Beispielhaft wurden aus den Messungen für 2 Liner die „Halbwertszeiten“ des
Trocknungsverlaufs bestimmt.
Untersuchte
Prozessschritte
Versuch
Klebstoff-Auftragsmenge
Halbwertszeit
Wellenstoff, Fall 1
14 %
ca. 33 min
Wellenstoff, Fall 2
25 %
52 – 60 min
Bezüglich der Prozessuntersuchung bei der Leimung der Wellpappenliner sind
die Abschnitte kurz vor dem Kleben interessant, da sich Dehnungen im Papier
dort evtl. auf spätere Planlageabweichungen auswirken. Dabei wird der Zeitraum zwischen Abrollung der Welle und der Riffelwalze nur wenige Sekunden
dauern, der Zeitbedarf zwischen Riffelwalze und Klebung im Kaschierwerk wird
ca. 1 Minute betragen. Insofern sind für die Trocknungsvorgänge „vor dem Kleben“ nur solche kurzen Intervalle zu untersuchen.
Aus den oben dargestellten Trocknungskurven und den ermittelten Halbwertszeiten ergeben sich für diese für den Prozess relevanten kurzen Zeiträume im
Umgebungsklima folgende Abschätzungen für die „Trocknungsraten“.
Tabelle 15: Trocknungsraten der eingetragenen Feuchte in %, bezogen
auf die Papier- bzw. Linermasse, d.h. in Feuchte-% des Gesamtpapiers
Auftragsmenge
Halbwertszeit
5%
5%
10%
10%
14%
14%
25%
9 min
12 min
16 min
20 min
25 min
33 min
55 min
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Nach 30
Nach 1 Nach 2 Mi- Nach 3 MiSekunden
Minute
nuten
nuten
Trocknungsrate = xx % Feuchteverlust
nach dem jeweils angegebenem Zeitraum
0,19
0,37
0,71
1,03
0,14
0,28
0,55
0,80
0,21
0,42
0,83
1,22
0,17
0,34
0,67
0,99
0,19
0,38
0,76
1,12
0,15
0,29
0,58
0,85
0,16
0,31
0,62
0,93
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Die Trocknungsraten im Bereich 0,1 bis maximal ca. 1% zeigen, dass die
Feuchteänderungen der Liner im Prozessdurchlauf nahezu zu vernachlässigen
sind. Mit diesen Abschätzungen ist es aber potenziell möglich, auch diesen
Sachverhalt in Simulationsrechnungen zur Planlage einzubeziehen.
Übertragung
Die dargestellten theoretischen und praktischen Ergebnisse zur Trocknung von
der Ergebnisse Linern in Umgebungsklimata können dazu dienen,
auf WP-Prozess
•
das Trocknungsverhalten der Liner im Prozess nach einer Befeuchtung oder einer Erwärmung abzuschätzen und das eintretende Dehn- bzw.
Schrumpfungsverhalten daraus zu berechnen,
•
die zeitlichen Abläufe bezüglich der Feuchteänderungen im Lager besser
einzuschätzen,
•
Vorgänge zur Trocknung bzw. Änderung im Wassergehalt in der Wellpappe
besser zu verstehen.
Zusammenfassende Aussagen speziell zum Trocknungsvorgang auf der Brücke
sind im Abschnitt 7.2 (Varianten des Penetrationsmodells) dargestellt.
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9
Wellpappenmodell
9.1
Modellaufbau
Vorgehen
Seite 43 (63)
Zur Berechnung der Planlage wurde ein Finite-Elemente-Modell zur numerischen Simulation des Verhaltens von Wellpappe unter mechanischen Belastungen mit besonderer Berücksichtigung des Feuchtdehnungs- bzw. Trockenschrumpfungs-Verhaltens und daraus resultierender Deformationen aufgebaut.
Dazu wurde ein geometrisch parametrisiertes Modells einer Wellpappenstruktur
verfügbar gemacht und in das FE-Programmpaket LS-DYNA importiert. Für jede
der drei Komponenten Außendecke, Welle, Innendecke wurde ein homogenes
Materialgesetz zu Grunde gelegt, das jeweils Orthotropie berücksichtigt (mesoskopische Betrachtungsweise), ggf. unter Berücksichtigung von Abweichungen
der mittleren Faserrichtung von der Maschinenrichtung oder anderer Unsymmetrien. Die maßgebenden Parameter in den verwendeten Materialmodellen
wurden identifiziert, bzw. für weniger wichtigere Kennwerte abgeschätzt.
Aufbau FEModell
Zur Berechnung von Dehnungs-, Biegungs- bzw. Verwindungseffekten infolge
mechanischer Belastungen, z. B. induzierte Feuchtedehnungen, Temperaturänderung und Krafteinwirkungen, wurde ein digitales mesomechanisches Modell
von Wellpappe geschaffen, das insbesondere im Rahmen der Finite-ElementMethode verwendet werden kann. Die Erzeugung der Geometrie ist durch einen
Algorithmus, der in der Programmiersprache Python direkt über die Form der
Herstellung eines FE-Netzes umgesetzt wurde, vollständig parametrisiert. Damit
sind grundsätzlich beliebige Abmessungen und Aufbauten möglich. Für Beispielrechnungen wurde ein Aufbau bestehend aus Decklage, Welle und Innenlage gewählt. Grundsätzlich können die Lagen untereinander durch eine Kohäsivverbindung miteinander verknüpft werden. Als Beispiel wurde eine starre
Verbindung gewählt. Die Lagen können durch finite Schalen- oder Volumenelemente repräsentiert werden. Zur Berechnung von Biegedeformationen an
etwa handgroßen Ausschnitten von Wellpappe wird die Vernetzung durch zwei
Volumenelemente in Dickenrichtung je Lage empfohlen, insbesondere um lagenweise initiale innere Biegespannungszustände vorgeben zu können. Zur
Gewährleistung der starren Verbindung sollte die Anzahl der Volumenelemente
in Längs- und Breitenrichtung in jeder Lage gleich sein. Darüber hinaus sollte
sie in Längsrichtung innerhalb einer halben Welle (von Wellental zu Wellenberg)
ganzzahlig sein (s. Abbildung 26). Für die Wahl des Materialmodells stehen
bereits im LS-Dyna-Lieferumfang zahlreiche temperaturabhängig parametrisierte orthotrope Formulierungen zur Verfügung.
Abbildung 26: FE-Netz Wellpappe in LS-Dyna (links), Probe einwelliger
Wellpappe mit Kontakt zur Unterlage (rechts)
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Berechnung
Deformationen
Zur Berechnung von Deformationen bei weiterer Klimatisierung ausgehend von
einem in mechanischer Hinsicht zu charakterisierenden Anfangszustand der
fertigen Wellpappe zum Zeitpunkt Null, also bei Austritt unmittelbar aus der
Wellpappenanlage, wird ein temperaturabhängig parametrisiertes orthotropes
elastisches Materialverhalten berücksichtigt. Die nicht oder sehr schwer durch
Messung zu bestimmenden Parameter der Orthotropie, wie Schubmoduli oder
Poissonzahlen werden im Rahmen der Literatur entnommener typischer Wertebereiche geschätzt. Für die hier angestrebten Untersuchungen von Biegedeformationen, die sich in Folge mechanischer Belastungen außerhalb der
Herstellungsprozesse Umformen der Lagen bzw. Urformen der Wellpappe
einstellen, werden insbesondere Elastizitätsmoduli und Dehnkoeffizienten
maßgebend. Der Einfluss vorangehender Prozessschritte auf nachträgliche
Biegedeformationen kann unmittelbar durch die Berücksichtigung eines lagenweise zu differenzierenden initialen inneren Spannungszustands erfasst
werden. Durch diese Vorspannungen in jeder Einzellage zum Zeitpunkt Null, die
zunächst nicht unmittelbar sichtbar zu Biegedeformationen führen können, wird
der Werkstoff dahingehend hinreichend charakterisiert. Berechnet werden
können diese Spannungen aus den Höhen der Durchbiegungen, die sich bei
einzelner Betrachtung der Lagen zum Zeitpunkt Null einstellen würden. Die
Parametrisierung der Temperaturabhängigkeit im Materialgesetz wird zur Abbildung der Feuchteabhängigkeit der Materialparameter des Papiers verwendet.
System
Lagerung/Belastung
Betrachtet werden etwa handgroße Proben einwelliger Wellpappen, nachfolgend als Verbund bezeichnet, die auf einer Unterlage liegen. Zu dieser Unterlage hin gelten Kontaktbedingungen ohne Reibung. Berechnet werden soll die
Biegung, die sich durch Feuchteänderung innerhalb einzelner Lagen im Verbund ergibt (s. Abbildung 26, rechts). Überlagert werden dazu folgende Einflüsse (vgl. Tabelle 16): Biegung des Verbunds in Folge
1. Vorspannung innerhalb jeder Lage (si), ermittelt aus Biegung (Biegespannung)/ Dehnung (Normalspannung) jeder Einzellage zum Zeitpunkt Null
2. Längs- und Breitendehnung der Einzellagen wegen Feuchteänderung
(∆FG)
Als Biegung wird die Anhebung (positiv) bzw. fiktive Senkung (negativ) von
Rändern bzw. Ecken gegenüber der Unterlage bzw. der Probenmitte bezeichnet. Der Einfluss aus 2. verursacht ausschließlich im Verbund wegen unterschiedlicher Dehnung der Einzellagen eine Biegung, nicht aber wenn die Lagen
einzeln vorlägen. Längere Zeit in einem Werkstoff vorliegende Spannungen
können sich begünstigt durch den Einfluss von Wärme und Feuchte verringern.
Diese Einflüsse aus Kriechen bzw. Relaxation werden nicht berücksichtigt
Tabelle 17 und Tabelle 18 geben einen Überblick zu Eingangs- und Zielgrößen
für das Finite-Elemente-Modell und das im nächsten Abschnitt zum Zwecke der
Validierung untersuchte vereinfachte analytische Modell (Balkenmodell).
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Modellparameter
Tabelle 16: Relevante Parameter und Effekte bei einer Biegung des Verbundes zwischen Zeitpunkt t =
0 u n d t = 1
Eingangsgrößen
Tabelle 17: Übersicht der Eingangsgrößen
Zielgrößen
Tabelle 18: Zielgrößen/Modellanwendungen für Balken- und FE-Modell
Parameter
Einheit Decklage Welle Innenlage
Geometrie
- Länge
mm
x
x
x
- Breite
mm
x
x
x
- Dicke
mm
x
x
x
- Wellenteilung und -höhe
mm
x
Mechanische Materialeigenschaften
- Elastizitätsmodul E (MD, CD, ZD*)
MPa
x
x
x
- Schubmodul* (MD, CD, ZD)
MPa
x
x
x
- Querdehnzahl* (MD, CD, ZD)
x
x
x
Abweichung der Materialrichtung (aus TSO)
°
x
x
x
Vorspannung (innere Spannung) MD, CD N/mm²
x
x
x
Feuchtdehnung
x
x
x
%
- Feuchtegehaltsänderung ∆FG
1/%
x
x
x
- Feuchtedehnungskoeffizient b
(MD, CD, ZD*)
mit *) gekennzeichnete Größen wurden für das FE-Modell abgeschätzt. Diese
werden für das vereinfachte analytische Modell (Balkenmodell) nicht benötigt.
Balkenmodell
Planlageabweichung
wMD und wCD in jeder
Richtung separat
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FE-Modell
Erfassung von Verformungen und Beanspruchungszuständen an virtueller 2D- o. 3D-Geometrie zeitlich und örtlich aufgelöst. (u. a. Planlageabweichungen wMD und wCD in beiden Richtungen gleichzeitig)
Berücksichtigung zeitlich veränderlicher Einwirkungen (Simulation eines
Prozesses möglich)
Berücksichtigung örtlich aufgelöster Einwirkungen (nicht nur Differenzierung zwischen den Lagen, sondern auch innerhalb der Lagen)
Überlagerung mehrerer Effekte mit Überschreitung des Bereiches elastischer Dehnungen (bleibende Verformungen im spannungslosen Zustand)
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9.2
Seite 46 (63)
Modellvalidierung nach B alkentheorie
Vorgehen
Zur weiteren Modellverfeinerung und -verbesserung erfolgten eine Anpassung
des Wellpappenmodells an die aus Messungen ermittelten Werte für die Materialparameter sowie eine Berücksichtigung der Randbedingungen für mechanische Belastungen und Feuchteverteilungen. Die Messungen aus AP3, die zur
Bestimmung der Zahlenwerte für die in AP6 identifizierten Materialparameter
dienten, lieferten gültige Wertebereiche, innerhalb derer später in Variantenrechnungen Parametereinflüsse untersucht wurden.
Für geeignete Fälle wurde die in mechanischer Hinsicht fehlerfreie Funktionsweise des erstellten digitalen, mesomechanischen Finite-Elemente-Modells von
Wellpappe durch die Balkentheorie belegt (Modellvalidierung).
Es erfolgten dann Variantenrechnungen, bei welchen die Auswirkungen der im
Modell erfassten Parameter auf das Planlageverhalten bewertet wurden.
Validierung
nach Balkentheorie
Für repräsentative Sonderfälle bei der Berechnung von Dehnungs-, Biegungsbzw. Verwindungseffekten mit Hilfe des digitalen mesomechanischen FiniteElement-Modells von Wellpappe infolge induzierter Feuchtedehnungen wird die
in mechanischer Hinsicht fehlerfreie Funktionsweise durch die Balkentheorie belegt. Grundlage der Betrachtungen ist unter Ausnutzung der Symmetrie der
Kragbalken mit dreiteiligem Querschnitt (s. Abbildung 27).
Die Wellpappenprobe wird entweder in Quer- (CD-) Richtung oder Längs- (MD-)
Richtung mit ihrer dabei jeweils halben vorliegenden Probenlänge als Balken
betrachtet. Durchbiegungen in die senkrecht dazu befindliche Richtung dürfen
nicht gleichzeitig auftreten, bzw. werden zu Zwecken des Vergleichs in der numerischen Berechnung verhindert. Alle Querschnittsteile sind starr miteinander
verbunden.
Prinzip
Kragbalken
Abbildung 27: Kragbalken mit dreiteiligem in Querrichtung wirksamen
Querschnitt
Berechnung
Durchbiegung
Mit Hilfe der Gleichung der Biegelinie für den Kragbalken auf der Grundlage eines konstanten Belastungsmoments kann die zugehörige Durchbiegung u. a.
am Balkenende (entspricht dem Rand der Wellpappenprobe) berechnet werden
(s. Abbildung 28). Die für die Berechnung erforderlichen Geometrie-, Materialund Belastungs-Kenngrößen wurden in einem interaktiven Skript (Excel-Format)
zusammengestellt. In diesem wird zudem gleichzeitig jeweils ein Maß für die
Balkenbiegungen entlang beider getrennt voneinander zu betrachtenden Richtungen angegeben. Abbildung 29 zeigt dieses Skript mit den Eingabe- und Ergebnisgrößen exemplarisch für ein später experimentell untersuchtes Wellpap-
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Seite 47 (63)
penmuster (s. Abschnitt 8).
Biegelinie
Abbildung 28: Gleichung der Biegelinie für den Kragbalken aus konstantem Belastungsmoment über die Balkenlänge
Berechnungsskript
Biegung Wellpappe
Legende:
Input
Output
J. Matheas
Länge der Probe in mm
Breite der Probe in mm
Dicke der Probe in mm
Wellenteilung in mm
Wellenhöhe
600 (WP-MD)
600 (WP-CD)
3,72
7,90
3,30
Abschnitt für
Geometrie der Wellpappenprobe
(Wellenhöhe ergibt sich aus Dicke der Probe
minus Dicken von Deck- und Innenlage)
Werkstoffkenngrößen
Dicken
Elastizitätsmoduli
Feuchtedehnkoeffizienten
Abschnitt für
d
in mm
Equer
in N/mm²
b_quer
b_längs
in 1/%
in 1/%
Werkstoffkenngrößen jeder
einzelnen Lage
0,21
0,19
0,21
Decklage (+)
Welle
Innenlage (-)
1260
1391
1133
Elängs
in N/mm²
2539
2853
2569
Feuchtedehnungen im Verbund
in %
-1,0
0,0
0,0
Anhebung von Rändern bei
entweder
1. Ansicht der Länge
Anhebung
3,83 mm
oder
2. Ansicht der Breite
Anhebung
3,62 mm
0,0003
0,0003
0,0003
(Eingabe von Materialdicken des Ausgangsmaterials, der Elastizitätsmoduli und
Feuchtedehnkoeffizienten jeder Lage)
Dehnungen aus inn. Spg. im Verbund
squer
slängs
in N/mm²
in N/mm²
Decklage (+)
1,0000
0,0000
Welle
0,0000
0,0000
Innenlage (-)
0,0000
0,0000
Feuchteändg.
Decklage (+)
Welle
Innenlage (-)
0,00114
0,00149
0,00123
Abschnitte für
Neigung zur Längsdehnung jeder
einzelnen Lage wegen Feuchteänderung
und frei werdenden inneren Spannungen
(Eingabe der individuellen Feuchteänderung und
inneren Normalspannungen jeder Lage)
3,83
0,00
0,00
Ergebniszeile für einen balkenförmigen
0,00 Streifen in Proben-Längsrichtung
11,92
-8,30
0,00
Ergebniszeile für einen balkenförmigen
0,00 Streifen in Proben-Querrichtung
Abbildung 29: Interaktives Skript (Excel-Format) zur Berechnung von Balkenbiegungen für einseitige oder einwellige Wellpappe aus
der Neigung zur Längsdehnung jeder einzelnen Lage aufgrund einer Feuchteänderung und frei werdender innerer
Spannungen exemplarisch für einen der untersuchten Aufbauten (Aufbau TL-HPF-TL)
Feuchtegehalts- Die Feuchtegehaltsänderung einer jeden Einzellage ergibt sich dabei aus der
änderung
Änderung des Zustandes beim Verkleben zu dem jeweiligen Zustand der Lage-
rung (s. Abbildung 30).
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Abbildung 30: Beispiel zur Erklärung der im Modell beschriebenen Feuchtegehaltsänderung
Modellvergleich Abbildung 31 zeigt die Modellergebnisse für eine einwellige Wellpappe der
Abmessungen 120 x 120 mm². Sowohl mit dem FE-Wellpappen-Modell aus Arbeitspaket 6 als auch nach der Balkentheorie wurde jeweils eine Durchbiegung
in Querrichtung berechnet, die sich ohne Vorspannungen ausschließlich durch
eine Feuchteänderung der Decklage (Außendecke AD) einstellt. Im FE-Modell
wurde dazu die Möglichkeit der Biegung in Längsrichtung unterbunden. Nach
den beiden Berechnungsverfahren wird für die Durchbiegung mit genannten
Randbedingungen der gleiche Wert mit einer Abweichung von <3% berechnet.
Zum Nachweis der Modellvalidität wurde ein weiteres analytisches Modell für
Vergleichsrechnungen eingesetzt [49], wodurch die Richtigkeit der Annahmen
zusätzlich bestätigt wurde. Für alle untersuchten Fälle zeigte sich damit eine gute Übereinstimmung der Ergebnisse.
Abbildung 31: Vergleich der Modellergebnisse für drei Vergleichsfälle
1) B-Welle, Abmessung LxB 120x120 mm², ∆FGAD 4%
2) B-Welle, Abmessung LxB 100x200 mm², ∆FGAD 4%
3) E-Welle, Abmessung LxB 100x200 mm², ∆FGAD 4%
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9.3
Seite 49 (63)
Variantenrechnungen
Variantenrechnungen
Variantenrechnungen dienten zu grundlegenden Einschätzungen und zur Ableitung von Aussagen über Papiereigenschaften bzw. Prozessbedingungen, welche die Planlage beeinflussen. Folgende Szenarien wurden bewertet:
1) Wölbung erfolgt jeweils separat in einer Richtung (Die Wölbung CD überwiegt
zumeist. Für die Berechnung kann FE- oder Balkenmodell genutzt werden)
2) Planlageabweichungen in CD- und MD- Richtung am Beispiel lagenabhängiger Faserorientierung (Berechnung nur mit FE-Modell möglich).
Varianten zu 1
(Planlageabweichung in einer
Richtung)
Nachfolgende Tabelle zeigt die bei den Variantenrechnungen berücksichtigten
Einflussgrößen und Wertebereiche. Neben Probengröße und Wellenform wurden insbesondere die Eigenschaften der Außendecke (AD) im Vergleich zu den
als konstant angenommenen Lagen Welle und Innendecke angenommen (für
Zustände ohne innere Spannungen). Als Referenzzustand dienten durch Messungen ermittelte Werte für den Aufbau TL-HPF-TL (vgl. Kapitel 8).
Tabelle 19: Untersuchte Parameter und Wertebereiche für die Variantenrechnungen (Referenzzustand aus Messung in rot markiert)
Einflussgröße
Probengröße (Seitenlänge quadratisches Format) [mm]
Wellenform
Feuchteänderung AD [%]
Dehnungskoeffizient CD AD [%/%∆FG]
E-Modul AD [MPa]
Dicke AD [µm]
Einfluss
Probengröße
Wertebereich
100 .. 600 .. 1000
A, C, B, E, F
-2,5 .. -1 .. 0,5
0,08 .. 0,114 .. 0,2
1000 .. 1260 .. 3000
120 .. 212 .. 240
Erwartungsgemäß ändert sich die Planlageabweichung mit dem Quadrat der Bogengröße. Wichtig ist, dass bei kleinen zu
erwartenden Abweichungen ausreichend
große Proben gewählt werden, so dass
die Planlage unter Berücksichtigung der
Messungenauigkeit zuverlässig bestimmt
werden kann.
Abbildung 32: Planlageabweichung in
Querrichtung (CD) in Abhängigkeit von der Bogengröße
Einfluss
Wellenform
Je feiner die Welle ist, desto geringer ist
deren Gesamtsteifigkeit (Höhe ↓) und
umso größer die Planlageabweichung.
Die Berechnung wurde mit ∆FG = konst.
durchgeführt. Bei Berücksichtigung abweichender Leimaufträge (Anzahl an
Leimlinien steigt bei feinen Wellen) fielen die Unterschiede noch größer aus.
Abbildung 33: Planlageabweichung
in Querrichtung (CD) in Abhängigkeit von der Wellenform
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Einfluss Feuchtedehnung
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Die Feuchtedehnung jeder Einzellage ergibt sich aus dem Produkt von Feuchtegehaltsänderung und Feuchtedehnungskoeffizient. Diese Größen gehen in
der untersuchten Konstellation (nur Feuchteänderung in der Außendecke) linear
in die berechnete Wölbung ein und bewirken den deutlich größten Effekt auf die
zu erwartenden Planlageabweichungen (bei konstanter Wellenform).
Während die Feuchtedehnungskoeffizienten der Einzellagen aus Labormessungen ermittelt werden können, erweist sich eine Bestimmung der Feuchtegehaltsänderung der Einzellagen als problematisch, da insbesondere der
Feuchtegehalt der Lagen im Zustand der Verklebung, d.h. irreversiblen Fixierung des Deckenliners mit der einseitigen Welle, i.d.R. nicht zugänglich ist.
Abbildung 34: Planlageabweichung in Querrichtung in Abhängigkeit von
Feuchteänderung und Feuchtedehnungskoeffizient der
Außendecke (Format 600 x 600 mm)
Einfluss
Linersteifigkeit
E-Modul und Papierdicke beeinflussen die Steifigkeit der Einzellagen im Verhältnis zum Beitrag der anderen Lagen. Je steifer der Liner ist (Dicke↑; EModul↑), in dem eine Feuchtegehaltsänderung auftritt, umso größer ist die
Auswirkung auf die Planlageabweichung. Im Vergleich mit den durch die Feuchtedehnung verursachten Effekten ist dieser Einfluss im Bereich üblicher Papierdicken und E-Moduli aber als eher untergeordnet anzusehen.
Abbildung 35: Planlageabweichung in Abhängigkeit von Dicke (links) und
E-Modul (rechts) der Außendecke
Varianten zu 2
(Planlageabweichungen in CDund MD-
Bei weiteren Modellrechnungen mit dem Finite-Elemente-Modell wurde untersucht, inwieweit sich Abweichungen der Faserorientierung (gekennzeichnet anhand des TSO-Winkels) in den Liner-Lagen (ID, AD) auf das Planlageverhalten
auswirken. Tabelle 20 zeigt eine Übersicht der untersuchten Modellvarianten.
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Richtung)
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Tabelle 20: Übersicht Varianten zum Einfluss der Faserorientierung
Referenzzustand
B-Welle, Format 60 x 60 mm²,
∆FGAD 0 .. 4%; TSOAD,ID = 0
Varianten
TSOAD ≠ 0 (10°)
TSOAD ≠ 0 ; TSOID ≠ 0
(beide 10°, gegensinnig)
TSOAD ≠ 0 ; TSOID ≠ 0
(beide 10°, gleichsinnig)
Diagonalcurl
bei TSO≠0
Nachstehende Abbildung zeigt beispielhaft die Auswirkung einer TSOAbweichung in der Decklage auf das Wölbungsverhalten von Wellpappe: Während sich bei Übereinstimmung der Faserorientierung mit der Längsrichtung eine gleichmäßige Krümmung ergibt (TSO=0, links), tritt bei einer abweichenden
Faserorientierung ein Diagonalcurl auf (TSO>0, rechts).
Abbildung 36: Wölbung bei TSOAD = 0 (links) bzw. TSOAD =10° (rechts)
Einfluss Faserorientierung
Abbildung 37 zeigt die berechnete Planlageabweichung in Abhängigkeit von
der Feuchtedifferenz in der Außendecke für die untersuchten Fälle. Bei Abweichungen der Faserorientierungshauptrichtung von der WellpappenLängsrichtung (TSO≠ 0) ergibt sich ein Diagonalcurl, bei dem die einzelnen
Ecken unterschiedlich stark ausgelenkt sind (Unterscheidung Max- und MinWerte). Die maximalen Auslenkungen sind dann deutlich größer als bei der Referenzvariante. Die größten Planlageabweichungen resultieren, wenn in Innenund Außendecke entgegengesetzt wirkende TSO-Abweichungen vorliegen.
Demgegenüber geringere Effekte treten bei gleichsinnig wirkenden TSOAbweichungen in den beiden Decken auf. Daraus kann geschlussfolgert werden, dass ggf. ein Umrollen einer Linerbahn günstig sein kann.
Bei den Berechnungen mit TSO≠ 0 wurden Werte für den TSO-Winkel von jeweils 10° angesetzt, die damit in der Größenordnung der für die untersuchten
Rohpapiere gemessenen Werte liegen (Messwerte bis 7°).
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Abbildung 37: Planlageabweichung für verschiedene Szenarien der Faserorientierung in Abhängigkeit von der Feuchteänderung
in der Außendecke (Format 60 x 60 mm)
Schlussfolgeru
ngen
9.4
Mit Hilfe der Modellrechnungen ist eine Abschätzung der zu erwartenden Planlageabweichungen infolge wesentlicher Einflussgrößen möglich. Anhand der
Modellergebnisse können u.a. folgende Schlussfolgerungen gezogen werden:
•
Je steifer der Gesamtaufbau der Wellpappe ist (gröbere Wellenformen),
desto geringer sind die auftretenden Wölbungen
•
Bei festgelegter Wellenform stellen Unterschiede der Feuchtedehnung
in den einzelnen Lagen den größten Einfluss auf die Planlageabweichungen dar. Diese werden durch die Feuchtedehnungskoeffizienten
der Rohpapiere und sowie die Feuchtegehalte der Lagen bei der Verklebung (Ausgangsfeuchte der Rollen, Vorheizung, …) maßgeblich beeinflusst.
•
Die Steifigkeit der Einzellagen (Dicke, E-Modul) spielt demgegenüber
eine untergeordnete Rolle. Die Auswahl von Papieren mit geeignetem
Längs-/Querverhältnis ist aber wichtig, da hierdurch auch das richtungsabhängige Feuchtdehnungsverhalten gesteuert wird.
•
Tritt eine Abweichung der Haupt-Faserorientierung von der Maschinenrichtung auf, so kann dies zu einer deutlichen Ausprägung von Diagonal-Curl führen und damit zu erhöhten Maximalauslenkungen. Dabei ist
die Richtung etwaiger TSO-Abweichungen in Außen- und Innendecke
wichtig für die Planlageabweichung: gleichsinnige Abweichungen sind
bzgl. der zu erwartenden Wölbungen günstiger als gegensinnige.
S ys temvalidierung an Wellpappenanlage und Aus wertung der Modellergebnis s e
Vorgehen
Die Validierung der Modelle erfolgte für die bei den Praxisversuchen erfassten
Anwendungsfälle und den dabei aufgenommenen Daten (s. vorheriges Kapitel).
Im Rahmen der Systemvalidierung wurde festgestellt, wie gut die entwickelten
Modelle in der Lage sind, experimentelle Messdaten zu beschreiben und zu erklären. Die Verifizierung umfasste die folgenden Schritte:
•
PTS-Forschungsbericht
Auswertung der Messdaten bzgl. der Materialcharakterisierung und der ver-
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fügbaren Prozess- bzw. Maschinendaten
•
Anpassung der Modelle und Durchführung von Simulationsrechnungen
•
Vergleich von gemessenen und berechneten Werten für die Planlageabweichung (Warp)
Anhand der Ergebnisse der Praxisvalidierung erfolgte eine Modellüberprüfung.
Praxisuntersuchung
Planlage
Nachfolgende Abbildung 38 zeigt das gemessene Planlageverhalten von zwei
Wellpappenprodukten (Einsatz von Kraftliner bzw. Testliner bei Außen- und Innendecke). Planlage-Messungen wurden unmittelbar nach Probenahme, nach
Feuchteausgleich in klimadichter Verpackung sowie nach Klimatisierung bei
drei unterschiedlichen Luftfeuchten (jeweils 23°C; Einzelbogenauslage in Klimaschrank bzw. Klimakammer) durchgeführt. Alle Proben wiesen eine ausgeprägte Wölbung in CD-Richtung auf. Bei der Testliner-Variante zeigte sich unter
Berücksichtigung der Messgenauigkeit bei allen Zuständen ein ähnliches Werteniveau mit einer signifikanten Änderung nur im feuchten Klima (85 %rF). Bei
der Kraftliner-Variante ist eine deutliche Änderung zwischen Probenahme und
nach klimadicht verpackter Lagerung zu beobachten, bei Lagerung bzw. Klimatisierung trat dann aber wiederum nur im feuchten Klima eine Änderung auf.
Abbildung 38: Ergebnisse der Planlage-Praxismessungen in CDRichtung für Bogenabmessungen 60x60 cm² (KL - Kraftliner, TL - Testliner, HPF - High-Performance-Fluting)
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Vorbereitung
Zur Durchführung der Modellrechnungen wurden die durch Messung bestimmModellrechnung ten Materialkennwerte der zu den Wellpappenmustern zugehörigen Rohpapiere
in die Modelle implementiert.
Maßgeblich für die zu erwartenden Planlageabweichungen sind weiterhin die
jeweiligen Feuchtegehalte der Einzellagen unmittelbar bei der irreversiblen Verklebung im bzw. unmittelbar nach dem Kaschierwerk. Da diese Werte für die
Einzellagen nicht bzw. allenfalls teilweise verfügbar waren, wurde die Größenordnung der Werte abgeschätzt und dann mit den Feuchtegehalten bzw.
Feuchtegehaltsänderungen verglichen, die notwendig waren, um Messungen
und Modellergebnisse in Übereinstimmung zu bringen.
Weiterhin wurde aus den Messergebnissen gefolgert (siehe Abbildung 38),
dass auch innere Spannungen im Modell berücksichtigt werden müssen, die
bei hohen Feuchtegehalten freigesetzt werden und dann zu Dehnungs- und in
der Folge zu Planlageänderungen führen können.
Feuchtegehalt
der Lagen
Der Feuchtegehalt der Lagen unmittelbar vor der Kaschierung wird durch die
Eingangsfeuchte der Rohpapiere (AD) bzw. Vorbehandlung der einseitigen
Wellpappe und insbesondere durch die Fahrweise der Vorheizer festgelegt.
Abbildung 39 zeigt Auszüge der im Rahmen der Systemaufnahmen durchgeführten Messungen. So wurden
z.B. für die Außendecke
Feuchtegehalte vor Leimwerk in einem vergleichsweise großen Bereich von
3,5..8,5 % gemessen. Hinzu
kommt, dass auch infolge
des Leimauftrages eine
Feuchteaufnahme in Außendecke und Welle erfolgt
(Abschätzung aus dem Penetrationsmodell +2..3% in
Welle und 1..2,5% in der
Außendecke). Es ist jedoch
nicht ganz klar, ob auch bereits vor der Fixierung der
Lagen eine entsprechende
Dehnung eingetreten ist.
Abbildung 39: Messwerte zum Feuchtegehalt vor der Kaschierung
Innere
Spannungen
Von weiteren Untersuchungen ist bekannt, dass im Papier vorhandene innere
Spannungen, z.B. infolge einer schrumpfungsbehinderten Trocknung, bzw. deren Abbau sich signifikant auf das Dimensionsverhalten auswirken können. Bei
vergleichsweise hohen Feuchtegehalten können diese inneren Spannungen
abgebaut werden und dabei irreversible Wölbungsänderungen hervorrufen
(siehe auch Abbildung 40).
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Abbildung 40: Irreversible
Planlageänderung infolge
des Abbaus innerer Spannungen bei hohen Feuchtegehalten [50]
Temperaturund Feuchteprofil in Heizund Zugpartie
Auch bei der Wellpappenerzeugung sind die inneren Spannungen zu berücksichtigen. Diese entstehen durch die schrumpfungsbehinderte Trocknung insbesondere in der Außendecke. Infolge der einseitigen Zufuhr der Trocknungsenergie in der Heiz- und Zugpartie resultiert ein ausgeprägtes Temperaturprofil
in Dickenrichtung der Wellpappe, wobei in der Außendecke eine starke Übertrocknung eintritt (Abbildung 41). Eine entsprechende Schrumpfung wird aber
durch die Fixierung im Wellpappenaufbau und die Zwangsführung verhindert.
Erst bei einem hohen Feuchtegehalt werden die resultierenden inneren Spannungen abgebaut. Eine signifikante, irreversible Wölbungsänderung entsteht.
Abbildung 41: Feuchtegehalte der Lagen unmittelbar nach Verlassen der
Heiz- und Zugpartie (oben) bzw. zwei Minuten später (unten) [51]
Vergleich Messung - Modell
Die modellmäßige Beschreibung der Messwerte unterscheidet zwei Effekte:
a) Zustand der Lagerung in klimadichter Verpackung bzw. bei geringen Luftfeuchten (siehe Abbildung 38):
Die Planlage wird durch innere Spannungen und Feuchteunterschiede der Lagen bestimmt.
b) Zustand im feuchten Klima (85%rF):
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Die Planlage wird nur durch die Feuchteunterschiede der Lagen bestimmt, da
innere Spannungen freigesetzt sind.
Aus b) wurde zunächst die Feuchtedifferenz abgeschätzt, dann aus a) die Größe der inneren Spannungen (Gegenüberstellung der Werte s. Abbildung 42
und Abbildung 43). Die gemessenen Effekte können auf diese Weise gut beschrieben werden. Aus den Ergebnissen kann geschlussfolgert werden, dass
die Effekte infolge innerer Spannungen bei der Kraftliner-Variante größer sind,
während bei der Testliner-Variante ein größerer Einfluss des Dehnungsverhaltens der unterschiedlichen Einzellagen zu beobachten war.
Die Diagramme zeigen zusätzlich die Planlage-Werte für eine Klimatisierung
unter Belastung (zunächst im Feuchtklima und dann bei 33%rF) und anschließend wieder bei 50%rF bzw. 85%rF. Die Annahme der irreversiblen Wölbungsänderung nach Klimatisierung im feuchten Klima konnte damit bestätigt werden.
Nach dem Ausgleich unter Belastung bei hoher Feuchte machen sich nunmehr
Effekte des unterschiedlichen Verhaltens der einzelnen Lagen bemerkbar. Diese können auch durch das Modell wiedergegeben werden (Testliner-Variante).
Wellpappe
Variante
Kraftliner
Bei der Kraftliner-Variante ergibt sich eine vergleichsweise große irreversible
Änderung der Planlageabweichung nach Durchlaufen des feuchten Klimas;
nach der Lagerung unter Belastung treten dann nur geringe Unterschiede bei
den unterschiedlichen Klimastufen auf, wahrscheinlich durch das bei Feuchteänderung auftretende sehr ähnliche Verhalten der beiden Deckliner.
Abbildung 42: Planlageabweichungen KL-HPF-KL: Messwerte und Modellergebnisse nach verschiedenen Klimatisierungsstufen
(Annahme Innere Spannung sAD = 2,5 N/mm²; Feuchteänderung der AD im Vergleich zu ID und Welle ∆FGAD ≈ 0%)
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Wellpappe
Variante
Testliner
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Bei der Testliner-Variante ergibt sich eine vergleichsweise kleinere aber dennoch deutliche irreversible Änderung der Planlageabweichung nach Durchlaufen des feuchten Klimas. Nach weiterer Lagerung unter Belastung treten dann
vergleichsweise größere Unterschiede bei den unterschiedlichen Klimastufen
als bei der KL-Variante auf, vermutlich infolge des unterschiedlichen Verhaltens
der Einzellagen bei Feuchteänderung.
Abbildung 43: Planlageabweichungen TL-HPF-TL: Messwerte und
Modellergebnisse nach verschiedenen Klimatisierungsstufen (Annahme Innere Spannung sAD = 1 N/mm²; Feuchteänderung der AD im Vergleich zu ID und Welle ∆FGAD ≈ -0,5%)
Zusammenfass
ende Bewertung der Ergebnisse
Im Rahmen der Systemvalidierung konnte das experimentell bestimmte Planlageverhalten von verschiedenen Wellpappenmustern anhand von Modellrechnungen nachvollzogen werden.
Eingangsgrößen für die Modellrechnungen sind Länge, Breite und Wellengeometrie der Probe, Dicke, E-Modul, Feuchtdehnungskoeffizient & Feuchtegehaltsänderung sowie innere Spannungen in den einzelnen Lagen (AD, Welle,
ID).
Während die Kenngrößen der Einzellagen anhand von Labormessungen an
den entsprechenden Rohpapieren ermittelt werden können, sind die als weiterhin maßgeblich identifizierten Feuchtegehaltsänderungen und ggf. auftretende
innere Spannungen i.d.R. nicht direkt verfügbar und können derzeit nur unter
Zuhilfenahme von Messdaten abgeschätzt werden. Eine Analyse der Prozesseinflüsse auf diese Größen war im Rahmen dieses Projektes nicht vorgesehen.
Die erzielten Ergebnisse liefern Anhaltspunkte für die Größenordnung dieser
Parameter, so dass die Modelle für verschiedene Fragestellungen zur Berechnung von zu erwartenden Planlageabweichungen in Abhängigkeit der Eingangsgrößen eingesetzt werden können (siehe auch Tabelle 18).
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G los s ar
AD
a.H.
AiF
b
CD
E
ECT
FG
∆FG
FB
FE(M)
FS
G
GD
γ
HP, HPF
HSA
η
Io,u,w
ID
IGF
IR
IZP
KL
Kap
M
MD
MF
MM
ν
NK
PA
PDA
Pe
PFSt
PLS
PM
PPS
PTI
PTS
θ
R
ρ
PTS-Forschungsbericht
Seite 58 (63)
Außendecke
Absolute Feuchte
Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschung
Feuchtedehnungskoeffizient
Cross direction
E-Modul, Elastizitätsmodul
?
Kantenstauchversuch
Feuchtegehalt
Feuchtegehaltsänderung
Forschungsbericht
Finite-Elemente(-Methode)
Forschungsstelle
Schubmodul
Gestrichenes Duplexpapier
Oberflächenspannung
High Performance Fluting
Heat Shrinkage Analyzer
Viskosität
Flächenträgheitsmoment, obere u. untere Lage bzw. Welle
Innendecke
Industrielle Gemeinschaftsforschung
Infrarot
Institut für Zellstoff und Papier
Kraftliner
Kapitel
Belastungsmoment
Machine direction
Modul Facer (=Single Facer)
Mannmonate
Querdehnzahl
Normklima
Projektbegleitender Ausschuss
Penetration Dynamic Analysator
Äußerer Druck
Prüfstelle
Partial Least Square
Papiermaschine
Parker Print Surf
Papiertechnisches Institut
Papiertechnische Stiftung
Kontaktwinkel Fluid - Kapillarwand
Kapillarradius
Dichte Fluid
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REM
r.H.
s
si
SF
TL
τ
th
TSO
TSI
u(t)
u0
ueq
W
WARP
WPA
WS
WSDA
ZD
PTS-Forschungsbericht
Seite 59 (63)
Rasterelektronenmikroskopie
Relative Feuchte
Oberflächenspannung, mechanische Spannung
Vorspannung innerhalb jeder Lage
Single Facer
Testliner
Halbwertszeit?
Halbwertszeit des Feuchteausgleichs
Tensile Stiffness Orientation
Tensile Stiffness Index
Absoluter Feuchtegehalt im Papier im Zeitverlauf
Absolute Papierfeuchte zum Startzeitpunkt
Gleichgewichtsfeuchte des Papiers gemäß Klimabedingung
Planlageabweichung
Planlageabweichung
Wellpappenanlage
Wellenstoff
Wet Stretch Dynamics Analyzer
Z-Direction
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Papiertechnische Stiftung
Heßstraße 134 · 80797 München · Telefon +49 (0)89-12146-0 · Telefax +49 (0)89-12146-36 · Mail [email protected]
Pirnaer Straße 37 · 01809 Heidenau · Telefon +49 (0)3529-551-60 · Telefax +49 (0)3529-551-899 · Mail [email protected]

Material Wellpappe Schere Obst– bzw. Gemüsenetz Tacker Perlen

Fr. Schiettinger KG Helpdesk-Mitarbeiter (m/w)

Funktionalisierung von Papieroberflächen

Beschaffenheitsbeschreibung Wellpappe und deren Herstellung

Quick-Pack Preisliste 2015

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Investitionsbegleitung mit dem Pilot Coater VESTRA

VDW-Jahrespressekonferenz am 10. März 2016 Dr. Jan Klingele

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