Produktivitätsverbesserung bei der Wellpappenherstellung ... · PDF...

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  • PTS-FORSCHUNGSBERICHT IGF 17023 PRODUKTIVITÄTSVERBESSERUNG BEI DER WELLPAPPENHERSTELLUNG BEI GLEICHZEITIGER VERBESSERUNG DER PLANLAGE

    www.ptspaper.de

    » VERPACKUNGEN » PRINTPRODUKTE » RESSOURCENEFFIZIENZ» NEUE WERKSTOFFE

  • Bienert Ch, Keller G., Kuntzsch T., Matheas J., Metz R.: Wasserhaushalt / Wellpappe Seite 1 (63)

    PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de

    Bienert Ch, Keller G., Kuntzsch T., Matheas J., Metz R.: Wasserhaushalt / Wellpappe:

    Produktivitätsverbesserung bei der Wellpappenherstellung bei gleichzeitiger Verbesserung der Planlage

    PTS-Forschungsbericht 18/14

    Februar 2015, zweite geringfügig überarbeitete Auflage Mai 2015

    Papiertechnische Stiftung (PTS) Heßstraße 134 D - 80797 München

    www.ptspaper.de

    Download-Information:

    Diese Studie steht auf der Homepage der PTS zum Download bereit: www.ptspaper.de/forschungsdatenbank

    Ansprechpartner:

    Christian Bienert Tel. (089) 12146-469 [email protected]

    Papiertechnische Stiftung PTS Papiertechnisches Institut PTI Heßstraße 134 80797 München

    Das Forschungsvorhaben IGF 17023 BG der AiF-Forschungs- vereinigung PTS wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Be- schlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Dafür sei an die- ser Stelle herzlich gedankt.

    Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen für die Probenbe- reitstellung und für die freundliche Unterstützung bei der Projekt- durchführung.

    http://www.ptspaper.de/ http://www.ptspaper.de/forschungsdatenbank mailto:[email protected]

  • Bienert Ch, Keller G., Kuntzsch T., Matheas J., Metz R.: Wasserhaushalt / Wellpappe Seite 2 (63)

    PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de

    P roduktivitäts verbes s erung bei der Wellpappenhers tellung bei gleichzeitiger Verbes s erung der P lanlage

    Bienert Ch, Keller G., Kuntzsch T., Matheas J., Metz R.

    Inhalt Seite

    1 Zusammenfassung .......................................................................................................... 3

    2 Einleitung und Zielstellung ............................................................................................. 5

    3 Vorgehen ......................................................................................................................... 10

    4 Systemaufnahmen ......................................................................................................... 14

    5 Laboruntersuchungen ................................................................................................... 15

    6 Klebstoffeigenschaften ................................................................................................. 25

    7 Penetrationsmodell ........................................................................................................ 29 7.1 Aufbau eines Basismodells zur Penetration von Wasser und Klebstoff in Wellpappenliner... 29

    7.2 Variation der Penetrationsmodelle ............................................................................................. 32

    8 Trocknungsmodell ......................................................................................................... 39

    9 Wellpappenmodell ......................................................................................................... 43 9.1 Modellaufbau .............................................................................................................................. 43

    9.2 Modellvalidierung nach Balkentheorie ....................................................................................... 46

    9.3 Variantenrechnungen ................................................................................................................. 49

    9.4 Systemvalidierung an Wellpappenanlage und Auswertung der Modellergebnisse ................ 52

    Glossar .................................................................................................................................................. 58

    Literaturverzeichnis ............................................................................................................................... 60

  • Bienert Ch, Keller G., Kuntzsch T., Matheas J., Metz R.: Wasserhaushalt / Wellpappe Seite 3 (63)

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    1 Zus ammenfas s ung

    Zielstellung Das Ziel des Forschungsprojekts war die simulationsgestützte Verfahrensopti- mierung der Wellpappenherstellung durch eine Verringerung von Planlageab- weichungen zur Produktivitätssteigerung von Wellpappenanlagen. Durch simu- lationsgestützte Optimierungsmaßnahmen kann eine Reduzierung von nicht plan liegenden Wellpappen und in Folge eine Qualitätsverbesserung an der Wellpappenanlage erreicht werden. Darüber hinaus können durch eine Verrin- gerung von Produktivitätseinbußen in den nachgeschalteten Weiterverarbei- tungsprozessen auch hier Produktivitätssteigerungen erzielt werden.

    Systemaufnahme Die Randbedingungen (Bahntemperaturen und –feuchten) unterschiedlicher Wellpappenanlagen zeigen zwar Ähnlichkeiten im Trend. Jedoch unterscheiden sich die Temperaturen und Feuchtegehalte der Papierbahnen an den verschie- denen Prozesspositionen zum großen Teil erheblich. Deshalb ist es nicht mög- lich, ein grundsätzliches Temperatur- und Feuchteprofil entlang des Wellpap- penprozesses aufzustellen. Jede Anlage hat ein eigenes und individuelles Temperatur-Feuchte-Profil im Wellpappenherstellungsprozess.

    Penetrations- modell

    Es wurden Penetrationsmodelle erstellt, die auf der Basis der Bosanquet- Differentialgleichung das Eindringen der Klebstoffe in die Liner zeitlich und ört- lich berechnen. Damit können die Eindringtiefe des Klebstoffwassers und die für das Kleben wichtige Restmenge zwischen den Linern abgeschätzt werden.

    Trocknungs- modell

    Aus den erarbeiteten Trocknungsmodellen lässt sich abschätzen, welche Feuchteänderungen in den Linern in kurzen Zeiträumen (z.B. Brücke) eintreten.

    Planlagemodell Es wurden Planlagemodelle erstellt, welche die Planlageabweichung der Well- pappe in den Hauptrichtungen längs und quer zur Welle berechnen (vereinfach- tes, analytisches Modell). Darüber hinaus wird eine Erfassung von Verformun- gen und Beanspruchungszuständen an virtueller 2D- oder 3D-Geometrie zeit- lich und örtlich aufgelöst ermöglicht (Finite-Elemente-Modell). Wesentliche Ein- gangsgrößen für die Modelle sind Länge, Breite und Wellengeometrie der Pro- be sowie Dicke, E-Modul, Feuchtdehnungskoeffizient, Feuchtegehaltsänderung und ggf. innere Spannungen in den einzelnen Lagen (Außendecke, Welle, In- nendecke). Mit Hilfe von Modellrechnungen kann die zu erwartende Planlage- abweichung in Abhängigkeit der Eingangsgrößen berechnet werden.

  • Bienert Ch, Keller G., Kuntzsch T., Matheas J., Metz R.: Wasserhaushalt / Wellpappe Seite 4 (63)

    PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de

    Schluss- folgerung

    Bislang war es den klein- und mittelständischen Unternehmen der Wellpappen- industrie nur durch langwieriges Sammeln und Austausch von Erfahrungen möglich, den material- und produktionsbedingten Planlageabweichungen zu begegnen. Mit den Projektergebnissen können durch geringen Messaufwand diese Abweichungen an Wellpappen computergestützt für die wichtigsten Ein- flussgrößen abgeschätzt und berechnet werden. Dabei hat sich deutlich ge- zeigt, dass Faserorientierung, Feuchtedehnung in den einzelnen Lagen und in- nere Spannungen die Planlageabweichungen am stärksten beeinflussen, wäh- rend die Steifigkeit der Einzellagen (E-Modul und Schichtdicke) eine unterge- ordnete Rolle spielt.

    Die Einfachheit der Modelle verursacht geringe Kosten für Messaufwand, Prog- nose und Umsetzung. Die Prognosegenauigkeit ist für die meisten Anwen- dungsfälle ausreichend. Sie soll durch entsprechende Weiterentwicklungen verbessert werden.

    Danksagung Das Forschungsvorhaben IGF 17023 BG der AiF-Forschungsvereinigung PTS wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt.

    Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen der Papier- und Zulieferin- dustrie sowie dem Arbeitskreis „Planlage von Wellpappe“ für die Unterstützung der Arbeiten.

  • Bienert Ch, Keller G., Kuntzsch T., Matheas J., Metz R.: Wasserhaushalt / Wellpappe Seite 5 (63)

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    2 E inleitung und Ziels tellung

    Wellpappen- anlage

    Die Herstellung von Wellpappe erfolgt in einer Wellpappenanlage (WPA). Der prinzipielle Aufbau einer Wellpappenanlage ist in Abbildung 1 gezeigt. Dazu sind drei verschiedene Hauptarbeitsgänge erforderlich:

    • Prägen der Welle (Riffeln), • Beleimen der Wellenberge, • Aufeinanderpressen von Welle und Decke.

    Das Papier wird zunächst im Vorheizer erwärmt und befeuchtet. Dadurch wird die erforderliche Elastizität erreicht, damit das Papier verformt (geriffelt) werden kann. Anschließend wird es unter Druck- und Hitzeeinwirkung zwischen zwei zahnradartig ineinandergreifenden Riffelwalzen hindurchgeführt. Dabei wird die Welle ausgeformt. Je nach gewünschter Wellenform haben die Walzen eine grobe, mittlere oder feine R