Simulation des CLUPAK-Nips einer Papiermaschine Christoph Summer

Durch die Verwendung einer CLUPAK- Einheit in Papiermaschinen können die Eigenschaften des Papiers so verändert werden, dass dieses größeren Dehnungen ausgesetzt werden kann, bevor es versagt. Ein solches Verhalten ist besonders bei Kraftsackpapier erwünscht, welches z.B. bei der Herstellung von Zement- und Kartoffelsäcken eingesetzt wird.

Beim CLUPAK- Verfahren wird die feuchte Papierbahn der Kontraktionswirkung eines elastischen, inkompressiblen Mediums (Gummituch) ausgesetzt. Das endlose Gummituch wird durch eine Verengung (Nip) geführt, welche zwischen dem Trockenzylinder und dem Nipzylinder (Druckzylinder) gebildet wird. Durch die Krümmung des Nipzylinders kann eine Längung der Tuchaußenseite bereits vor der Verengung erreicht werden. Im Bereich des Nips wird die Dehnung weiter erhöht und die Papierbahn mit dem Gummituch in Kontakt gebracht. Unmittelbar danach entspannt sich das Gummituch und verkürzt sich dabei. Durch die Rückverformung des Gummituches wird die mitgeführte Papierbahn gestaucht und die Papierfasern werden enger zusammen geschoben. Dabei werden diese sogar überlagert (Mikrokreppung), was zu einer geänderten Mikrostruktur des Papiers führt. Während der Stauchung des Papiers rutscht dieses am beheizten Trockenzylinder, was durch das Erzeugen eines dünnen Dampffilmes ermöglicht wird. Der Prozess führt zwangsläufig zu einer Kombination aus sehr hoher mechanischer und thermischer Beanspruchung des Tuches. Obwohl das Prinzip der Einheit schon Mitte des 20. Jh. entwickelt wurde, ist bis heute nicht genau bekannt welchen Belastungen das Tuch ausgesetzt ist bzw. was zum Versagen des Tuches führt. Noch heute werden in der Praxis die Parameter an der Anlage, wie z.B. der Anpressdruck, so lange variiert, bis das gewünschte Endresultat am Papier erreicht wird. Da das Tuch durch die großen Abnützungen fast täglich abgeschliffen werden muss, verringert sich dessen Dicke ständig und es müssen zuvor eingestellte Parameter wieder angepasst werden. Im Zuge dieser Masterarbeit soll nun ein FE- Modell eines CLUPAK- Nips in der kommerziell verfügbaren Software ABAQUS erstellt werden, um so ein besseres Gefühl über die Belastungen des Tuches während des Prozesses und den Einfluss einzelner Parameter zu erhalten. Das Tuch selbst ist aus mehreren Lagen unterschiedlicher Gummimischungen aufgebaut, wobei zum Teil Textilfasern zur Verstärkung eingesetzt werden. Jede Lage hat dabei eine bestimmte Funktion, was schlussendlich zur Gesamtperformance des Tuches während des Betriebes führt. Das FE- Modell soll hier zusätzlich helfen, einen möglichst optimalen Aufbau des Tuches zu erreichen, da auch in der Praxis verschiedenste Varianten eingesetzt und stets neue Gummimischungen getestet werden. 

Die Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Mondi und der Christian Doppler Forschungsgesellschaft erstellt.

Motivation Christoph Summer:

Meine Masterarbeit beschäftigte sich mit der mechanischen Abstraktion einer sogenannten CLUPAK-Einheit und Implementierung des Modells in die kommerziell verfügbare FE-Software ABAQUS. Eine solche Einheit wird dazu benötigt um Kraftsackpapiere herzustellen, wie sie etwa bei Zement- oder Kartoffelsäcken eingesetzt werden. Dabei wird ein endloses Gummituch verwendet, welches im Prinzip durch den Prozess gestreckt und wieder entlastet wird. Da die Lebensdauer des Tuches relativ kurz und der messtechnische Zugang zum Prozess kaum möglich ist, sollten die Belastungen auf das Tuch mit Hilfe von FE-Analysen untersucht werden.

Ich hatte dabei die Möglichkeit mich erstmals wirklich mit einer FE-Software auseinanderzusetzen und konnte dabei auch Einblicke in die Kontinuumsmechanik gewinnen. Da diese Themen für mich noch sehr neu waren, war mir eine gute Betreuung besonders wichtig. Dies war auch ein Hauptgrund dafür, warum ich mich schlussendlich zur Arbeit an diesem Institut entschieden habe.

Die Betreuung, übernommen von Assoc. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Manfred Ulz, war wirklich ausgezeichnet. Auch sämtliche anderen MitarbeiterInnen des Institutes hatten stets ein offenes Ohr für meine Fragen und ich konnte auf ihre Unterstützung zählen. Die sehr angenehme Arbeitsatmosphäre machte es möglich, sich optimal auf die Arbeit zu konzentrieren und diese rasch abzuschließen. Während meiner Masterarbeit wurde mir ein Arbeitsplatz am Institut zur Verfügung gestellt, welcher keine Wünsche offen ließ.