Mehrskalige Modellierung des anisotropen elasto-plastischen Verhaltens von Papier

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jaan-Willem Simon
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 457025480

Die zunehmende Bedeutung von Papier für die Verpackungsindustrie ist besonders in der vergleichsweise einfachen Wiederverwertung (Recycling) des Materials begründet. Zudem handelt es sich um einen nachwachsenden Rohstoff. Obwohl Papier bereits seit etwa 2000 Jahren verwendet wird und das Anwendungsgebiet außerordentlich vielfältig ist, ist die Modellierung des Verhaltens von Papier allerdings noch nicht ausreichend erforscht. Dabei besteht insbesondere bei Verpackungsherstellern zunehmend Bedarf an Simulationstools, die eine effiziente Strukturberechnung der Kartonverpackungen einerseits und die Optimierung der Materialeigenschaften andererseits ermöglichen können. Die Schwierigkeit bei der Modellierung liegt darin, den Einfluss der dem Material zugrundeliegenden Mikrostruktur, die ein aus verbundenen Fasern bestehendes Netzwerk darstellt, auf das makroskopische Strukturverhalten von Papierschichten zu erfassen. Dafür soll in dem hier beantragten Projekt eine numerische Modellierungsstrategie entwickelt werden, die eine effiziente Beschreibung des Materialverhaltens auf der Strukturebene bei gleichzeitiger Erfassung der wirkenden Effekte auf der Faser- bzw. Netzwerkebene ermöglicht. Dadurch ist es möglich, offene Fragen zum Einfluss der einzelnen mikromechanischen Eigenschaften und Effekte auf das Gesamtverhalten des Papiers zu beantworten, die sich aufgrund der geringen Abmessungen der einzelnen Fasern kaum experimentell analysieren lassen.Dafür werden zunächst repräsentative Volumenelemente (RVE) für die Faser-Netzwerke erstellt und in unterschiedlichen Belastungen untersucht. Dabei wird besonders die Varianz der effektiven Gesamtantwort des RVE infolge von statistischen Verteilungen geometrischer Daten, wie z.B. der Faserlängen, und des Materialverhaltens einzelner Fasern sowie der Faser-Faser-Bindungen analysiert. Dann werden diese RVE mittels einer FE2-Methodik basierend auf der Finite-Elemente-Methode implementiert. Um diese Berechnungen effizient gestalten zu können findet die Proper Orthogonal Decomposition (POD) Methode Anwendung. Die abschließende Validierung erfolgt am Rillprozess von Papier, bei dem komplexe Deformationszustände in das Papier eingebracht werden.Als Ergebnis liefert dieses Projekt einerseits ein Simulationstool, das effizient und robust das Materialverhalten von Papier beschreibt und dabei die Mikrostruktur als Fasernetzwerk berücksichtigt. Darüber hinaus wird ein tieferes Verständnis für das Zusammenwirken der unterschiedlichen Effekte auf Faser- und Netzwerkebene entwickelt, welches rein experimentell kaum untersucht werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich, USA
• Mitverantwortlich(e): Professorin Dr.-Ing. Stefanie Reese
• Kooperationspartner: Professor Dr. Jacob Fish; Professor Dr. Ulrich Hirn