Komplexes Material Papier

Bei Papierfasern kommt es zu starken Schwankungen der Faserbreite, unregelmäßigen Querschnittsformen und starken lokalen Krümmungen, die im neuen Modell genau nachgebildet werden können.

Virtuelle Strukturgenerierung für Papiere und Karton

Papier und Karton sind im Gegensatz zu ihrer homogenen Erscheinung komplexe Materialien, die auf der Mikroskala aus Zellulosefasern, Feinfaseranteilen und Füllstoffen bestehen. Bei Karton handelt es sich streng genommen auch um Papier, allerdings um Papier mit einem größeren Flächengewicht von mehr als 150 g/m2. Die Faserstruktur mit Füllstoffen generieren wir mithilfe einer Mikrostruktursimulation virtuell. Außerdem werden Vorhersagen bezüglich der Materialeigenschaften werden. Durch diese Angaben kann die Papierindustrie neuartige Ansätze entwickeln, die zur Optimierung der Herstellungsprozesse und der Produkte führen.

Gemittelte Materialverteilung in Dickenrichtung
© Foto ITWM

Gemittelte Materialverteilung in Dickenrichtung

Zweilagiges Papiermodell
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Zweilagiges Papiermodell

Papiermodell mit Füllpartikeln
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Papiermodell mit Füllpartikeln

Wir haben den virtuellen Strukturgenerator PaperGeo entwickelt, der den oben genannten Ansprüchen gerecht wird und ein Modul innerhalb der vorhandenen Software-Suite GeoDict ist. Mit dessen Hilfe können Papier-Mikrostrukturmodelle erstellt werden. Als Grundlage der Modellierung dienen Tomographie- und REM-Aufnahmen, wodurch die Materialverteilung, Faserquerschnitte und -orientierungen sowie Füllpartikelanteile etc. im Papier bestimmt werden können.

 

Mikrostrukturmodell mit PaperGeo

Die unterschiedlichen Volumenanteile eines zweilagigen Papiers, die aus dieser Analyse hervorgehen, sind im dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die obere Schicht einen höheren Faseranteil aufweist als die untere Schicht. Mit den gewonnen Informationen erstellt PaperGeo ein Mikrostrukturmodell, das auch die Feinfasern berücksichtigt (Bild 2). Die groben Fasern sind rot und die Feinfasern grün dargestellt. Durch Variation der Parameter wurden unterschiedliche Papiereigenschaften, wie z. B. Durchströmungs permeabilität, untersucht, wobei wir besonders auf den Einfl uss der möglichen Füllpartikel eingegangen sind. Ein Ergebnis davon ist in Bild 3 veranschaulicht, in dem die Füllpartikel blau dargestellt sind.

Inzwischen arbeiten mehrere renommierte Firmen mit PaperGeo. Dazu gehören Albany International, Eka Chemicals, Stora Enso, Tetra Pak Packaging Solutions AB und das Fraunhofer-Chalmers Centre FCC. In diesem Zusammenhang wird eine Schnittstelle entwickelt, die die gewonnenen Effektiv-Parameter anbietet, um Makrosimulationen zu Edge-Wicking (feuchtigkeitsbedingte Randwelligkeiten) durchzuführen. Aufgrund der Allgemeinheit des Ansatzes der entwickelten Software ist es auch möglich, andere Faserprodukte wie Textilien und Nonwoven zu simulieren. Als Beispiel seien Meltblown-Medien genannt.

 

Modelle für Papierfasern und Kugelpackungen

Eine Schwierigkeit bei Kugelpackungen sind starke Größenvariationen, die in der Realität, beispielsweise bei Baustoffen, gezielt zum Design von Eigenschaften eingesetzt werden, bzw. in realen Medien wie dem Füllmaterial von Staudämmen oder im natürlich auftretenden Erdreich vorkommen. Diese Größenvariationen führen dazu, dass gegebene Größenverteilungen nur mit sehr großen Kugelanzahlen nachgebildet werden. Um für diese großen Kugelanzahlen hohe Packungsdichten, d. h. Feststoffanteile von über 60 Volumenprozent zu erhalten, waren in der Vergangenheit inakzeptabel lange Rechenzeiten notwendig.

Durch verbesserte Algorithmen konnten diese Zeiten auf wenige Stunden für realistische Beispiele gesenkt werden. Das Modell für Papierfasern wurde entwickelt, weil das existierende Modell gerader Fasern mit konstantem Querschnitt reale Medien aus Zellulosefasern nur ungenügend nachbilden konnte. Bei Papierfasern kommt es zu starken Schwankungen der Faserbreite, unregelmäßigen Querschnittsformen und starken lokalen Krümmungen, die im neuen Modell genau nachgebildet werden können. Auch die in Filtermedien oder auch Schreibwaren auftretenden relativ hohen Dichten sind erst durch eine Änderung des Strukturgenerierungsmechanismus möglich geworden.

Simulation von Struktureigenschaften

Für alle µCTs - ob von Kugelpackungen, Zellulosefasern oder von anderen Materialien - sind die sich durch die Geometrie ergebenden Eigenschaften wichtig. Da sich reale CTs und µCTs im Rechner genau gleich verwenden lassen, sind alle Eigenschaftsberechnungen problemlos miteinander vergleichbar. Die einheitliche Darstellung als µCTs ermöglicht es auch, alle Eigenschaften auf allen Materialtypen auszurechnen. Alle Strukturen und Eigenschaften lassen sich mit der GeoDict-Software simulieren. Damit können alle Berechnungen auch bei unseren Partnern durchgeführt werden.

Computertomographisches 3D-Bild Papier
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Existierende Materialien können durch Theorien beschrieben, durch Experimente vermessen oder durch Computertomographische 3D-Bilder (CTs) und deren Eigenschaftssimulationen charakterisiert werden.