Das Projekt, das vom 1. Dezember 2020 bis zum 31. Juli 2023 durchgeführt wurde, zielte darauf ab, eine standardisierte Methode zur Vorhersage der Formbarkeit von Papier und verwandten Materialien in dreidimensionalen Umformprozessen zu entwickeln, die entweder starre oder flexible Träger verwenden. Durch die Verknüpfung wichtiger Materialeigenschaften mit der Prozessleistung sollte die Studie messbare Metriken identifizieren, die zur Vorhersage von Formungsgrenzen und zur Harmonisierung von Testverfahren für die verschiedenen Formungsvarianten verwendet werden können.

Es wurde eine systematische Untersuchung mehrerer Papiersorten beim medienbasierten Umformen und beim Drucktiefziehen mit definierten Oberflächenbedingungen durchgeführt. Für jedes Material wurden die Prozessparameter – Stützkraft und Umformdruck – kontrolliert variiert, um das Umformergebnis zu optimieren. Die entstandenen Teile wurden digitalisiert und eine quantitative Bewertung der geometrischen Qualität wurde aus den Bildern abgeleitet. Die Analyse ergab, dass sich die allgemeine Umformqualität zwischen den Papiersorten deutlich unterscheidet und dass nicht alle geometrischen Deskriptoren gleichermaßen aussagekräftig sind. Beim medienbasierten Tiefziehen war der zuverlässigste Indikator für die Qualität der Oberflächenfüllungsgrad eines virtuellen Schnitts, eine Metrik, die erfasst, wie vollständig das Papier den Formhohlraum ausfüllt. Beim Tiefziehen erwies sich die Anfangshöhe des ersten Falzes als der am besten geeignete Deskriptor für die Formqualität.

Hydroforming-Experimente bestätigten, dass die Oberflächenfüllung die stärkste Korrelation mit Materialparametern aus Tiefziehversuchen aufwies. Bei allen Umformverfahren erwies sich ein konventioneller Zugversuch als der effektivste Einzelparameter zur Vorhersage der Qualität. Die Bruchdehnung und der Elastizitätsmodul, die beide routinemäßig in der Industrie gemessen werden, zeigten die höchsten Korrelationskoeffizienten mit der beobachteten Umformleistung. Unter Verwendung dieser Messgrößen erreichte das Vorhersagemodell bei der medienbasierten Umformung einen Fehler von weniger als 10 % für die Umformqualität, als es anhand von vier unabhängigen Papierproben validiert wurde. Beim Tiefziehen unterschätzten die anfänglichen Vorhersagen, die auf einem k-nearest-neighbour-Algorithmus basierten, die erreichbare Umformtiefe um 10-40 %. Das Modell überschätzte auch die Anzahl der Falten, aber als die optische Qualität bei geringeren Umformtiefen berücksichtigt wurde, wurden die Vorhersagen als plausibel erachtet.

Die Forschung wurde in enger Zusammenarbeit zwischen fünf Institutionen durchgeführt. Die Papiertechnische Stiftung (PTS) leitete das Projekt mit Dr. Martin Zahel und Benjamin Hiller als Projektleiter. Die Steinbeis Research gGmbH trug unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. habil.Marek Hauptmann und Holger Schubert. Das Institut für Fertigungstechnik und Umformmaschinen der Technischen Universität Darmstadt, unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Peter Groche und unterstützt von Cédric Brunk, Henning Husmann und Simon Biffar, lieferte experimentelle und modelltechnische Expertise. Das IGF-21513BG-Konsortium und UniVorsUm koordinierten den gesamten Forschungsrahmen. Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen IGF-21513BG gefördert, wobei die Papiertechnische Stiftung und die Industrievereinigung für Lebensmitteltechnologie und Verpackung e.V. als Forschungsverbund fungierten. Diese institutionenübergreifende Anstrengung führte zu einem robusten, datengesteuerten Ansatz zur Vorhersage der Formbarkeit von Papier, der eine Grundlage für künftige industrielle Anwendungen und weitere Forschungen zu nachhaltigen Verpackungsmaterialien bietet.