Stauchdruckfestigkeit

Während des Transports und der Lagerung werden Kartonverpackungen normalerweise gestapelt und sind dabei Druckbelastungen ausgesetzt. Die Entwicklung effektiverer Verpackung führt dazu, dass die Faltschachtel das Produkt besser schützen muss, da die Umverpackung häufig vollständig entfernt oder teilweise durch andere Materialien wie Schrumpffolien ersetzt wird.

Prüfung des Stauchwiderstands.
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Die Stauchdruckfestigkeit (mechanischer Schutz) hängt von mehreren Faktoren ab:
• dem strukturellen Design der Faltschachtel, d. h. Größe und Abmessungen, vorgesehene Stützelemente, Laschengestaltung und Belastungsrichtung
• inwieweit der Inhalt die Verpackung stützt
• der Art der Umverpackung (Transportverpackung)
• dem Transport, den Lagerverfahren und -bedingungen (Palettierung, Stapelung, klimatische Bedingungen);
• den Materialeigenschaften wie Steifigkeit und Stauchwiderstand des Kartons.
Die richtige Wahl des strukturellen Designs und der Kartonqualität gründet sich zu einem großen Teil auf Erfahrung. Um Schäden zu vermeiden, wird bei der Kartonauswahl oft mit Sicherheitsfaktoren gearbeitet. Das führt jedoch in vielen Fällen aufgrund mangelnder Kenntnis der realen Situation zu einer Überspezifizierung. Das wachsende Bewusstsein für die Bedeutung von Verpackungen und den sparsamen Umgang mit unseren natürlichen Ressourcen lässt der Entwicklung von materialsparenden und doch funktionalen Lösungen eine immer wichtigere Rolle zukommen.

Wichtige Eigenschaften

Der Stauchwiderstand weist eine ähnliche Beziehung zur Dichte oder zum Zellstoffgehalt auf wie die Zugfestigkeit. Je höher die Dichte und der Zellstoffgehalt sind, desto höher ist der Stauchwiderstand.

Strukturelles Design und Kartoneigenschaften müssen aufeinander abgestimmt werden, um die erforderliche Funktionalität von der Verpackungsmaschine bis zum Verbraucher gewährleisten zu können. Die Faltschachtel muss verschiedenen Arten von äußerer Belastung und Handhabung widerstehen, den Inhalt schützen und den Verbraucher unbeschädigt erreichen. Dabei sind die Art und Dauer der Belastungen sowie die klimatischen Bedingungen von Bedeutung

Messbare Eigenschaften

Stauchwiderstand (Streifenstauchversuch)
Der Stauchwiderstand wird definiert als maximale Kompressionskraft pro Breiteneinheit, der eine Kar- tonprobe in einem Stauchversuch ohne Ausbeulen oder Verbiegen widersteht. Das Ergebnis wird in kN/m angegeben. Beim Stapeln von Kartonverpackungen tritt die größte Belastung natürlich in der unteren Lage auf. Das Risiko eines Zusammenbruchs in diesem Bereich lässt sich abschätzen. In diesem Zusammenhang ist der Stauchwiderstand die wichtigste Eigenschaft des Materials.

Prüfverfahren und -geräte
Ein 15 mm breiter Kartonstreifen wird zwischen zwei Einspannvorrichtungen fixiert. Die freie Länge zwischen den beiden Vorrichtungen beträgt 0,7 mm, um ein elastisches Biegen zu verhindern. Die Probe wird zusammengedrückt, bis der Kartonstreifen bricht. Dabei wird die maximale Kraft registriert.


Belastung und Handhabung
           
Art der Belastung:   Punktbelastung
Gleichmäßig verteilte Belastung
Stoßbelastung – Aufprall, Temperatur/Feuchtigkeit
       
Auswirkungen auf
die Schachtel:
  Ausbeulen
Deformierte oder zerstörte äußere Form
Beschädigte Ecken
Beschädigter oder verlorener Inhalt
       

Kartonauswahl

Die Stauchdruckfestigkeit ist eine sehr komplexe Kartoneigenschaft. Da sie in der Hauptsache von Form und Aufbau der Faltschachtel abhängig ist, werden die zuverlässigsten Daten für die Auswahl der Kartonsorte mit Hilfe von Versuchen unter realistischen Bedingungen ermittelt. Messungen von Steifigkeit und Streifenstauchwiderstand können zur Schätzung der Stauchdruckfestigkeit genutzt werden. Aufgrund der Unterschiede zwischen Versuch und Realität wird mit Sicherheitsfaktoren gearbeitet.

Merkmale der Stauchdruckfestigkeit

Bei der Beschreibung der mechanischen Schutzfunktionen von Karton werden einige Begriffe benutzt, die nicht alle definiert sind. Folgende Definitionen werden hier verwendet:


Während des Transports und bei der Lagerung ist die Faltschachtel über eine bestimmte Zeit dynamischen Lasten ausgesetzt. Vereinfachend könnte man die Lasten in zwei Hauptgruppen einteilen: Lasten mit einer konstanten Verformungsgeschwindigkeit (Abbildung A) und konstante Lasten über einen längeren Zeitraum (Abbildung B).
Durch die Aufzeichnung der Lasten und der entsprechenden Zeiten bis zum Druckspannungsbruch erhält man Lebensdauerkurven (Abbildung C). In der Praxis ist die Stauchdruckbelastung bezeichnenderweise um ein Mehrfaches geringer als bei der konventionellen statischen Prüfung (siehe Abbildung A). Bei Stauchversuchen wird oft mit Sicherheitsfaktoren von 2 bis 5 gearbeitet und die Last erhöht.

Relativ einfache, genaue und zuverlässige Verfahren zur Messung und Prognose der Lebensdauer von Kartonverpackungen sind noch nicht entwickelt worden. Alle hierfür wichtigen Faktoren wie die Art des Materials, die Größe der Faltschachtel, die Belastung und klimatische Bedingungen sind zwar bekannt, aber noch nicht genau genug, um die Lebensdauer der Faltschachtel vorherzusagen.

Von den angewendeten Prüfverfahren sind die in der Abbildung auf der folgenden Seite dargestellten gut dokumentiert. Bei diesen Verfahren wird die Stauchdruckfestigkeit der Faltschachtel in Beziehung zu den Kartoneigenschaften gesetzt.

Bei einem normalen Stauchversuch (Abbildung A) wird die Faltschachtel nach und nach zwischen zwei parallelen Platten zusammengedrückt. Bei fortschreitender Komprimierung wird die anfänglich gleichmäßig verteilte Last aufgrund der verstärkten Wölbung der Faltschachtelflächen jedoch bald umverteilt. Kurz vor dem Druckspannungsbruch wird der Großteil der Last von zwei schmalen Bereichen an den Ecken getragen, wo eine Wölbung durch die Geometrie der Faltschachtel verhindert wird (siehe Abbildung übernächste Seite). Untersuchungen haben gezeigt, dass vereinfachte Prüfungen, die an nur einer Ecke oder einer Seitenfläche durchgeführt werden (siehe Abbildung B und C nächste Seite), genau genug sind, unter der Voraussetzung, dass die Probe an den Kanten verstärkt ist und die Abmessungen bestimmte Werte nicht überschreiten.

Normale Stauchversuche werden mit konstanter
Verformungsgeschwindigkeit durchgeführt.

 

 

Bei der Lebensdauerprüfung wird die Zeit bis
zum Druckspannungsbruch bei verschiedenen
konstanten Lasten festgehalten; Zeitstandversuch
gemäß dem oberen Diagramm.
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Beurteilung der Stauchdruckfestigkeit

Anhand der Kombination von Prüfungsergebnissen, die mit Hilfe der oben beschriebenen Prüfverfahren ermittelt wurden, mit physikalischen Theorien hat sich gezeigt, dass der Stauchwiderstand der Kartonfläche mit der folgenden Formel beschrieben werden kann:

Durch Vereinfachung der geometrischen Parameter und der Flächengröße wurde festgestellt, dass die Konstante c bei einer Reihe von Schachtelflächengrößen einen Wert von ca. 2π hat (= 6,28). Das Mindestformat der Fläche beträgt etwa 60 x 90 mm (Breite × Höhe). Bei einer kleineren Fläche nimmt die Wölbung nach und nach ab und die obige Formel wird ungenau.

The compression strength of a paperboard panel FP is then:

Die Stauchdruckfestigkeit ist von der Steifigkeit und dem Stauchwiderstand des Kartons abhängig. Die Abbildung auf der nächsten Seite veranschaulicht das Verhältnis von gemessenem Stauchwiderstand der Seitenfläche und dem vorhergesagten Wert, der auf der Grundlage von Messungen des Streifenstauchwiderstandes und der Steifigkeit des Kartons anhand der obigen Gleichung errechnet wurde. Wie man sieht, ist die Übereinstimmung sehr groß.

Auf der Grundlage dieser Vereinfachung ist es möglich zu bestimmen, wie die gemessenen Eigenschaften des Kartons, also Streifenstauchwiderstand und Steifigkeit, zur Stauchdruckfestigkeit beitragen. Dabei sollte jedoch beachtet werden, dass die Größe der Faltschachtel und die Gestaltung der Laschen einen großen Einfluss auf die praktischen Ergebnisse haben.

Prüfverfahren zur Stauchdruckfestigkeit.

 

 

Stauchdruckfestigkeit: Die relative Bedeutung
von Stauchwiderstand und Steifigkeit ändert sich
mit der Größe der Faltschachtel.
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Die relative Bedeutung der Faltschachtelgröße wird in der obigen Abbildung veranschaulicht. Bei sehr kleinen Faltschachteln ist die Wölbung der Flächen minimal oder nicht vorhanden. Das heißt, dass nur der Stauchwiderstand des Kartons von Bedeutung ist (die Steifigkeit spielt hier eine untergeordnete Rolle). Im Gegensatz dazu ist die Steifigkeit bei Faltschachteln mit sehr großen Seitenflächen wesentlich wichtiger als der Stauchwiderstand.

Beim Vergleich unterschiedlicher Materialien sollte man ebenfalls beachten, dass maximale Steifigkeit und maximaler Stauchwiderstand gleichzeitig unmöglich sind.

Wichtige Eigenschaften

Die Stauchdruckfestigkeit einer Faltschachtel hängt vom Streifenstauchwiderstand und der Steifigkeit des Kartons ab. Grundlagenforschung und Versuchsergebnisse haben gezeigt, dass es bis zu einem gewissen Grad möglich ist, die Stauchdruckfestigkeit auf der Grundlage des Stauchwiderstands und der Steifigkeit des Kartons vorherzusagen. Das bedeutet, dass diese Begriffe für den Vergleich unterschiedlicher Kartonqualitäten verwendet werden können. Man sollte jedoch nicht vergessen, dass das gegenwärtige Wissen und die bis heute ermittelten Fakten nicht ausreichen, um das Langzeitverhalten von Faltschachteln bei Stauchdruckbelastung während der Lagerung und des Transports genau zu prognostizieren.

Belastungsverteilung entlang des Umfangs einer
Faltschachtel, die einer Stauchdruckbelastung
ausgesetzt wird. Die Last konzentriert sich auf
schmale Bereiche an den Ecken.

Zellstoffmenge im Vergleich zu Stauchwiderstand
und Steifigkeit.

Vergleich von gemessenem und berechnetem Stauchwiderstand der Seitenfläche.
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