Improved process stability in three-dimensional paper forming due to numerical modeling of the material inhomogeneity
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Projekts wurde die inhomogene Materialstruktur von faserbasierten Materialien eingehend untersucht, wobei der Schwerpunkt auf der makroskopischen numerischen Darstellung lokaler Dicke, Dichte und Faserorientierung lag. Mithilfe der durchlichtbasierten Methode konnten Bereiche mit ausgeprägter Inhomogenität identifiziert und anschließend vermessen werden. Die stochastischen Eigenschaften der Papierstruktur wurden durch mathematische Modelle zur Abbildung der Strukturverteilung angenähert und repräsentiert. Zusätzlich wurde eine Methode entwickelt, um die lokale Struktur in numerische Simulationsprogramme zu integrieren. Die Ergebnisse der numerischen Untersuchungen haben gezeigt, dass Materialien mit lokalen, stark ausgeprägten inhomogenen Eigenschaften tendenziell lokal hohen Dehnungen aufweisen und somit frühzeitig versagen. Dies legt nahe, dass die Inhomogenität der Materialstruktur einen signifikanten Einfluss auf das mechanische Verhalten und die Bruchdehnung des Materials hat. Durch die detaillierte Analyse und Modellierung der inhomogenen Struktur konnten weitere Erkenntnisse über das Versagen von Materialien und die Zusammenhänge zwischen Materialstruktur und mechanischem Verhalten gewonnen werden. Die durchlichtbasierte Methode erwies sich als effektives Werkzeug zur Charakterisierung von Inhomogenitäten in faserbasierten Materialien. Durch die präzise Vermessung und Identifizierung dieser Bereiche konnten lokale Massen-, Dicken- und Faserorientierungsverteilungen für die weitere Analyse und Modellierung gewonnen werden. Die mathematischen Modelle zur Abbildung der Strukturverteilung ermöglichten es, die stochastischen Eigenschaften des Materials zu erfassen und in den Simulationsprogrammen zu berücksichtigen. Die Integration der lokalen Struktur in die Simulationssoftware eröffnete neue Möglichkeiten für die prädiktive Analyse des Materialverhaltens unter verschiedenen Umformprozessen und Randbedingungen. Durch die Berücksichtigung der inhomogenen Materialeigenschaften konnten Simulationen näher zur Realität durchgeführt werden, was zu einer verbesserten Vorhersagegenauigkeit und einer besseren Prozessoptimierung führen kann. Insgesamt liefern die Projektergebnisse neue Erkenntnisse über die Bedeutung der inhomogenen Materialstruktur für das mechanische Verhalten faserbasierter Materialien. Die entwickelten Methoden und Modelle tragen dazu bei, das Verständnis dieser Zusammenhänge zu vertiefen und bieten Ansätze für die Optimierung von Materialien und Prozessen in verschiedenen Anwendungsbereichen, wie beispielsweise der Verpackungsindustrie oder der Herstellung von faserbasierten Materialien. Die Ergebnisse dieser Arbeit haben das Verständnis für die Komplexität der physikalischen Materialstruktur und ihre Auswirkungen auf das mechanische Verhalten deutlich erweitert und legen den Grundstein für weitere Forschungen auf diesem Gebiet: • Einfluss der Temperatur, Befeuchtung und des lokalen Pressens auf die Inhomogenität • Einfache Methode zur Inhomogenitätsdetektion • Bruch- und Faltenvorhersage in Abhängigkeit der Materialstruktur.
Publications
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Material Parameters Identification of Thin Fiber-Based Materials Using the Method of Machine Learning Exploiting Numerically Generated Simulation Data. Lecture Notes in Mechanical Engineering, 209-223. Springer International Publishing.
Sanjon, Cedric Wilfried; Leng, Yuchen; Hauptmann, Marek; Majschak, Jens-Peter & Groche, Peter
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Methods for characterization and continuum modeling of inhomogeneous properties of paper and paperboard materials: A review. BioResources, 19(3).
Sanjon, Cedric W.; Leng, Yuchen; Hauptmann, Marek; Groche, Peter & Majschak, Jens-Peter
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Numerical Analysis of Inhomogeneous Parameters of Paperboard Using Tensile Tests. Lecture Notes in Mechanical Engineering, 225-238. Springer International Publishing.
Leng, Yuchen; Sanjon, Cedric Wilfried; Groche, Peter; Hauptmann, Marek & Majschak, Jens-Peter
