Simulation der CLUPAK-Einheit einer Papiermaschine während des Betriebs

Die CLUPAK-Einheit in einer Papiermaschine wird bei der Produktion von Kraftsackpapier benötigt. Kraftsackpapiere zeichnen sich durch ihre gesteigerte Festigkeit und Dehnbarkeit aus, welche den Säcken eine hohe Haltbarkeit verleiht. Die guten Reibeigenschaften gewährleisten auch ein sicheres Stapeln, welches für die Beförderung sehr wichtig ist. Eingesetzt werden diese Papiere häufig bei Zement- und Kartoffelsäcken.

Funktionsweise
In der CLUPAK-Einheit wird die noch feuchte Papierbahn durch ein umlaufendes elastisches Gummituch gestaucht. Dies hat zur Folge, dass die Papierfasern zusammengeschoben und zum Teil auch überlagert werden, was sich in einer größeren ertragbaren Dehnbarkeit des Papiers widerspiegelt.

Dafür wird die Papierbahn zusammen mit dem Gummituch durch eine Verengung (Nip) geführt, welche durch Nipzylinder und Trockenzylinder gebildet wird. Eine erste Dehnung der Tuchaußenseite erfolgt durch die Krümmung des Nipzylinders (1). Kurz danach wird das vorgedehnte Gummituch mit der Papierbahn in Kontakt gebracht und im Einlaufbereich des Nip (2) weiter gedehnt. Nach der engsten Stelle kontrahiert das Gummituch zusammen mit der Papierbahn (3). Die Papierbahn haftet dabei am Gummituch und gleitet am Trockenzylinder. Dieses Gleiten wird durch einen Dampffilm ermöglicht.

Problematik
Durch die hohen mechanischen und thermischen Belastungen bilden sich schon oft nach kurzer Zeit Risse an der Oberfläche des Tuches. Obwohl das Prinzip schon Mitte des letzten Jahrhunderts entwickelt wurde, sind die konkreten dynamischen Vorgänge und Parameter, welche zum Versagen des Tuches führen noch immer nicht genau bekannt. In der Praxis werden die Einstellungen an der Anlage, wie z. B. der Anpressdruck, so lange angepasst, bis die gewünschten Papiereigenschaften erzielt werden. Da das Tuch durch die großen Abnützungen fast täglich abgeschliffen werden muss, verringert sich dessen Dicke kontinuierlich und es müssen zuvor eingestellte Parameter wieder angepasst werden. Ein Tuchwechsel geht immer mit hohen Kosten und einem Produktionsstillstand einher.

Arbeitsumfang
Im Lauf dieser Masterarbeit wurde ein dynamisches FE-Modell der kompletten CLUPAK-Einheit in ANSYS erstellt. Mithilfe dieses Modells konnten dynamische Effekte aufgezeigt und dadurch das Verständnis der einzelnen Einstellparameter und deren Auswirkungen verbessert werden. Durch die gewonnenen Erkenntnisse war es auch möglich, betriebstechnische Optimierungsmöglichkeiten aufzuzeigen.

Motivation
Im Masterstudium Maschinenbau habe ich einiges über die theoretischen Hintergründe der Finite Elemente Methode kennengelernt. Erste Praxiserfahrung mit dem Finite Elemente Programm ANSYS konnte ich während meiner Teilzeitbeschäftigung in einem Industriebetrieb sammeln. Da mich die Arbeit in diesem Feld schon immer interessiert hat, wollte ich natürlich auch meine Masterarbeit in diesem Bereich ausüben. Zusätzlich war natürlich auch der sehr gute Eindruck vom Institut selbst, welchen ich im Laufe des Studiums gewinnen konnte, mitverantwortlich für meine Wahl. Die sehr kollegiale und professionelle Unterstützung von Assoc. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Manfred Ulz ebnete schlussendlich den Weg für einen erfolgreichen Abschluss der Masterarbeit.