Modellierung des anisotropen Materialverhaltens von Papier mit Berücksichtigung der Schädigung gekoppelt mit Elasto-Plastizität

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jaan-Willem Simon
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 466117814

Papier ist ein außerordentlich vielseitig einsetzbares Material, das in entsprechend großem Umfang Verwendung findet. So wurden im Jahr 2019 allein in Deutschland, das in Europa der größte und weltweit der viertgrößte Papierproduzent ist, über 22 Mio. Tonnen Papier produziert. Davon wird der Großteil mit über 12 Mio. Tonnen für Verpackungszwecke verwendet. Die zunehmende Bedeutung von Papier für die Verpackungsindustrie ist besonders in der vergleichsweise einfachen Wiederverwertung (Recycling) des Materials begründet. Hinzu kommt, dass auch nicht wiederaufbereitetes Papier auf natürliche Weise verrottet und daher deutlich weniger zu Umweltverschmutzung beiträgt als etwa Plastik, das zunehmend ein großes ökologisches Problem darstellt – nicht nur in den Weltmeeren. Zudem handelt es sich um einen nachwachsenden Rohstoff.Obwohl Papier bereits seit etwa 2000 Jahren verwendet wird und das Anwendungsgebiet so vielfältig ist, ist die Modellierung des Verhaltens von Papier noch nicht ausreichend erforscht. Dabei besteht insbesondere bei Verpackungsherstellern zunehmend Bedarf an Simulationstools, die eine effiziente Strukturberechnung der Kartonverpackungen ermöglichen können. Die Schwierigkeit bei der Modellierung liegt darin, dass das makroskopische Verhalten des Werkstoffs durch seine intrinsische Mikrostruktur vorgegeben wird, die ein aus verbundenen Fasern bestehendes Netzwerk darstellt. Das elasto-plastische Verhalten der Einzelfasern, das Versagen von einzelnen Fasern sowie das mögliche Ablösen von Faserbindungen führen auf der Makroskala einerseits zu elasto-plastischem Materialverhalten und andererseits zur Entstehung und Ausbreitung von Schädigungs¬mechanismen. Aufgrund der ungleichmäßigen Faserverteilung sind diese Phänomene zudem anisotrop.Mit dem hier beantragten Projekt soll das bisher noch nicht verstandene Schädigungsverhalten von Papier untersucht und eine numerische Modellierungsstrategie entwickelt werden, die eine effiziente Beschreibung des Materialverhaltens unter Berücksichtigung sowohl der anisotropen Plastizität als auch der anisotropen Schädigungsentwicklung ermöglicht. Da bei Umformprozessen große Verformungen aufgebracht werden, sind diese außerdem in der Modellierung entsprechend zu betrachten.Dafür werden zunächst diverse experimentelle Versuche zur Charakterisierung des Material-verhaltens durchgeführt, wobei einige der dafür erforderlichen Versuchsaufbauten neu entwickelt werden müssen. Dann wird auf Basis von Vorarbeiten ein anisotropes elasto-plastisches Materialmodell neu formuliert. Daraufhin wird ein neues, anisotropes Schädigungsmodell entwickelt und anhand der experimentellen Daten kalibriert. Des Weiteren wird die Delamination zwischen einzelnen Schichten von Papierlaminaten durch eine neue Kohäsivzonenformulierung beschrieben. Abschließend wird das Materialmodell durch den Vergleich von numerischen und experimentellen Ergebnissen für praktisch relevante Umformprozesse validiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor Dr. Jacob Fish