Obwohl Papier auf den ersten Blick homogen erscheint, wird bei einer Computertomographie (siehe Abb. 1) deutlich, dass sich Papier auf der Mikroskala aus Zellulosefasern zusammensetzt. Die Simulation der einzelnen Zellulosefasern und ihrer Interaktion, die sogenannte Mikrostruktursimulation,  zur Vorhersage von Papiereigenschaften ist für die Papierindustrie ein neuartiger Ansatz zur Produkt- und Prozessoptimierung.

 

Hierfür haben wir zusammen mit Wissenschaftlern von Albany International, Eka Chemicals, Stora Enso, Tetra Pak Packaging Solutions AB und Fraunhofer-Chalmers Centre (FCC) die Entwicklung der modularen Software ISOP begonnen und dabei auf vorhandene Softwarepakete des Fraunhofer ITWM zurückgegriffen. Als erstes haben wir das Software-Tool GeoDict um ein analytisches Papier-Mikrostrukturmodell (PaperGeo) erweitert. Zweitens haben wir ein Balkenmodell zur Simulation der Faserdeformation und leistungsfähige Algorithmen zur Kontaktdetektion in großen Fasernetzwerken in den Elastizitätslöser FeelMath integriert. Bis spätestens Ende 2011 werden wir diese Module über die parallel entwickelte ISOP-Schnittstelle mit dem FCC Strömungslöser IBOFlow koppeln. Dann wird es möglich sein, sowohl den Herstellungsprozess als auch Qualitätskriterien von Papier zu analysieren und zu optimieren. Aufgrund des allgemeinen Ansatzes für die Beschreibung der Mikrostruktur kann diese Technik auch auf andere Faserprodukte wie Textilien und Nonwovens angewendet werden.

Die erste strukturmechanische Qualitätskontrolle, die im Rahmen des Projektes simuliert wurde, ist der Biegewiderstand (SCAN-P 29:95), der vom "Scandinavian pulp, paper and board testing committee" eingeführt wurde. Dies wurde in zwei Schritten durchgeführt: Zuerst wurden aus einer CT-Aufnahme (siehe Abb. 1)  geometrische Parameter des Fasernetzwerkes erzeugt.
Unter Verwendung dieser geometrischen Parameter, wie Dichte, Längen- und Orientierungsverteilung, wurde zusammen mit Parametern des Herstellungsprozesses (Gewicht, Papierdicke) ein stochastisches Geometriemodell (siehe Abb. 2) der Mikrostruktur mit PaperGeo erzeugt. Danach wurden die Kontakte der Zellulosefasern mit FeelMath detektiert und geeignete modelliert. Mittels Homogenisierung der Fasergeometrie wurden die effektive Zugsteifigkeit und damit der Biegewiderstand auf makroskopischer Ebene berechnet. Jeder Schritt dieses Verfahrens wurde durch umfangreiche Messungen der Industriepartner validiert.

Das Fraunhofer ITWM entwickelt fortschrittliche Balkenmodelle zur Simulation der Produktion von Vliesen (FIDYST - Fiber Dynamics Simulation Tool), Fasernetzwerken und zusammen mit dem FCC für die Strukturdynamik von Kabeln (IPS Cable Simulation).