Virtuelle Strukturgenerierung für Papiere und Karton

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.