Bruchlast

Die Widerstandskraft von Wellpappe gegenüber physischen Belastungen ist ein entscheidender Aspekt in der Verpackungsindustrie. Hierbei spielt der Begriff Bruchlast eine zentrale Rolle. Er bezeichnet die maximale Kraft, die auf ein Material eingeleitet werden kann, bevor es versagt – sei es durch Bruch oder durch bleibende Verformung über einen definierten Grenzwert. Für Wellpappe ist diese Kennzahl wesentlich, um die mechanische Belastbarkeit in Transport, Umschlag und Lagerung objektiv einzuordnen und konstruktiv auszulegen. Im Kontext der Auslegung von Transportverpackungen dient die Bruchlast als Grundlage für Sicherheitsmargen, Stapelstabilität und den Schutz sensibler Packgüter. Ergänzend ermöglicht sie, materialeffiziente Konstruktionen zu entwickeln, die verlässliche Tragfähigkeit mit geringem Materialeinsatz verbinden und so praxisgerechte Anforderungen entlang der Lieferkette erfüllen.

Definition: Was versteht man unter Bruchlast?

Als Bruchlast wird die maximale Zug-/Druckkraft bezeichnet, die ein Material vertragen kann, bevor es bricht oder dauerhaft verformt wird. Dabei ist von Bedeutung, dass der Bruchfaktor und die Durchbiegung bis zum Bruch einbezogen werden. Der Bruchfaktor dient häufig als normierte Kennziffer, indem die Bruchlast auf eine Bezugsgröße (z. B. Querschnitt oder Flächengewicht) umgerechnet wird. Die Durchbiegung bis zum Bruch beschreibt den Weg beziehungsweise die Dehnung, die ein Prüfkörper bis zum Versagen erfährt, und liefert damit Hinweise auf Sprödigkeit oder Zähigkeit des Materials.

Die Bruchlast wird in der Regel als Kraft angegeben (z. B. in Newton oder Kilonewton). Für den Vergleich zwischen Materialien oder Papiersorten werden ergänzend spezifische Größen (Kraft pro Breite, pro Längeneinheit oder pro Querschnitt) herangezogen. In Kombination mit der Spannungs-Dehnungs-Kurve lassen sich zusätzlich das Elastizitätsmodul, die Bruchdehnung und das Energieaufnahmevermögen bis zum Versagen analysieren.

Abgrenzung: Bruchlast, Bruchspannung und Traglast

Während die Bruchlast als absolute Kraft ausgewiesen wird, beschreibt die Bruchspannung die Kraft bezogen auf den wirksamen Querschnitt (z. B. in N/mm²). Für die Anwendung in der Verpackungspraxis ist zudem die zulässige Traglast relevant: Sie leitet sich aus der Bruchlast unter Berücksichtigung von Sicherheitsfaktoren, Klimaeinflüssen und Handhabungsprofilen ab und liegt daher bewusst unterhalb der Versagenslast.

Relevante Einheiten und Bezugsgrößen

Gängige Darstellungen umfassen N, kN, N/mm, kN/m oder kN/m² – je nach Prüfaufbau und Bezugsbreite. Für Wellpappe sind Kennwerte je Längeneinheit (z. B. beim ECT) sowie bauteilbezogene Lasten (z. B. beim BCT) besonders aussagekräftig.

Wie wird die Bruchlast ermittelt?

Zur Bestimmung der Bruchlast werden standardisierte Prüfverfahren angewendet. Dazu zählt insbesondere der Zugfestigkeitstest an Papier- und Linerproben sowie Druck- und Biegeprüfungen an Wellpappestrukturen. Im Zugversuch wird die Probe in einer Prüfmaschine eingespannt und mit konstanter Dehnrate bis zum Bruch belastet; die maximale aufgezeichnete Kraft entspricht der Bruchlast. Bei Druck- und Biegeprüfungen wird die Kraft auf Kante oder Fläche eingeleitet, bis das Versagen (Knick, Einbeulen, Riss) eintritt. Prüfklima, Probengeometrie und Belastungsrichtung (Maschinenrichtung/Querrichtung) werden dabei definiert, um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen.

• Zugversuch an Papieren/Deckschichten: Ermittlung von Bruchlast, Bruchdehnung und Elastizitätsmodul.
• Drei-Punkt-/Vier-Punkt-Biegeversuch: Bestimmung der Durchbiegung bis zum Bruch und der Biegesteifigkeit.
• Kantenstauchwiderstand (ECT; z. B. nach ISO 3037): Bruchlast der Kante unter Druckbelastung, relevant für Stapel- und Kantenlast.
• Flachstauchwiderstand (FCT; z. B. nach ISO 3035): Verhalten der Welle unter Druckbelastung senkrecht zur Fläche.
• Ring Crush Test (RCT; z. B. ISO 12192): Druckfestigkeit der Papiere als Vorstufe für Wellpappeneigenschaften.
• Box Compression Test (BCT; z. B. ISO 12048): Versagenslast kompletter Kartons unter Druck, praxisnahes Maß für die Tragfähigkeit.
• Berstfestigkeit (z. B. ISO 2758/2759): Widerstand gegen schlagartiges Durchstoßen, als ergänzende Kennzahl zum Bruchverhalten.
• Kurzspann-Druckversuch (SCT; z. B. ISO 9895): Kurzspannige Druckfestigkeit von Papieren, hilfreich zur Prognose von ECT.
• Klebehaftfestigkeit der Wellenklebung (PAT): Beurteilung der Verbundqualität, die das Versagensbild und die Bruchlast beeinflusst.

Die Prüfungen erfolgen üblicherweise im genormten Prüfklima (z. B. 23 °C/50 % r. F. gemäß ISO 187), weil Feuchte und Temperatur das Ergebnis signifikant beeinflussen. Messgrößen wie Bruchlast und Durchbiegung bis zum Bruch werden gemeinsam dokumentiert, um das Versagensverhalten vollständig zu charakterisieren. Für weiterführenden Kontext rund um den Einsatz von Transportkartons eignet sich dieser ergänzende Beitrag: Mehr zum Thema Pappkartons im Lexikonbeitrag.

Prüfdetails und Datenauswertung

Einflussgrößen wie Probenbreite, Klemmengeometrie, Dehnrate, Vorkonditionierung und Messrate werden dokumentiert. Üblicherweise werden mehrere Proben geprüft, Mittelwert und Standardabweichung ermittelt und Ausreißer nach definierten Kriterien bewertet. Kraft-Dehnung-Kurven ermöglichen, neben der Bruchlast, das Bestimmen von Steifigkeit und Energieaufnahme bis zum Versagen.

Warum ist die Bruchlast für Wellpappe-Verpackungen wichtig?

Die Kenntnis der Bruchlast von Wellpappe ist entscheidend für ihre Verwendung in der Herstellung von Verpackungen. Diese müssen in der Lage sein, das Gewicht der verpackten Produkte sicher zu tragen und während des Transports und der Lagerung gegen äußere Einflüsse zu schützen. Eine ausreichende Bruchlast sorgt für eine hohe Stabilität und Langlebigkeit der Verpackungen, was der Sicherheit der transportierten Produkte zugutekommt. In der Praxis werden aus der Bruchlast von Papieren und Bauteilprüfungen (z. B. ECT, BCT) belastbare Auslegungswerte abgeleitet, die eine passende Dimensionierung, geeignete Wellenkombinationen (E-, B-, C-, BC-Welle) und Sicherheitsfaktoren ermöglichen.

Besonders relevant ist die Bruchlast, wenn Verpackungen dynamischen Einwirkungen ausgesetzt sind: Vibrationen, Stöße, Kantenbelastungen oder temporäre Punktlasten können zu lokalem Versagen führen. Durch die Ermittlung der Bruchlast und die Betrachtung der Durchbiegung bis zum Bruch lässt sich beurteilen, ob eine Konstruktion eher spröde versagt oder Reserven durch Verformungsfähigkeit bietet. Ebenso beeinflusst die Palettierung (Ladeeinheit, Verbund, Zwischenlagen) die resultierenden Lastpfade und damit die geforderte Bruchlast in der Anwendung.

Praxisbezug: Auslegung und Sicherheitsmargen

In der Dimensionierung werden zulässige Lasten aus Bruchlastwerten über konservative Faktoren abgeleitet. Dabei fließen Lagerdauer, Temperatur-/Feuchteprofile, Handhabungsintensität (Kommissionieren, Mehrfachumschlag) sowie geplante Stapelhöhen ein. Bekannte Näherungen wie die McKee-Beziehung verknüpfen ECT, Umfang des Kartons und Wanddicke mit der BCT-Versagenslast und unterstützen eine erste Auslegung, die anschließend durch Prüfungen validiert wird.

Einflussfaktoren auf die Bruchlast von Wellpappe

• Rohpapierqualität: Faserstoffzusammensetzung (Frischfaser/Recycling), Flächengewicht und Oberflächenfestigkeit.
• Wellenprofil und Kombination: Höhe, Schritt und Klebung der Welle(n) beeinflussen Lastpfade und Knickverhalten.
• Feuchtegehalt und Prüfklima: Erhöhte Luftfeuchte reduziert Festigkeit; Konditionierung ist daher essenziell.
• Faserrichtung: Unterschiede zwischen Maschinenrichtung (MD) und Querrichtung (CD) wirken sich auf Zug-/Druckverhalten aus.
• Verarbeitung: Rillung, Stanzung und Perforation können lokale Schwächungen erzeugen und die Bruchlast reduzieren.
• Alterung und Lagerdauer: Materialermüdung und klimatische Zyklen beeinflussen die verbleibende Tragfähigkeit.
• Krafteinleitung: Lastverteilung (Punkt-, Linien-, Flächenlast) und Auflagerbedingungen bestimmen das Versagensbild.
• Klebung und Verbund: Leimauftrag, Eindringtiefe und Haftung zwischen Welle und Deckschicht bestimmen das lokale Versagen mit.
• Beschichtungen und Bedruckung: Lacke, Barrieren und Farbauftrag können Steifigkeit und lokale Spannungen verändern.

Klimatische Einflüsse und Kriechen

Unter konstanter Last und erhöhter relativer Feuchte tritt zeitabhängige Verformung (Kriechen) auf, die die effektive Tragfähigkeit über die Lagerdauer mindern kann. Daher werden Klimaabschläge sowie Zeitfaktoren in der Auslegung berücksichtigt und bei Bedarf mit Langzeitprüfungen verifiziert.

Interpretation und Abgrenzung zu verwandten Kennwerten

Die Bruchlast ermöglicht eine objektive Bewertung der Festigkeit von Wellpappe und ist damit ein wichtiger Indikator für die Qualität der Verpackung. Sie allein beschreibt jedoch nicht alle Lastfälle. Kantenstauchwiderstand (ECT) korreliert mit der Belastbarkeit von Kanten und ist maßgeblich für die Stapelfestigkeit. Der Box Compression Test (BCT) liefert die Versagenslast kompletter Kartons und bildet konstruktive Details, Klebungen und Rillungen ab. Berstfestigkeit bewertet den Widerstand gegen schlagartig wirkende, lokalisierte Beanspruchungen. In der Auslegung werden diese Kennwerte gemeinsam betrachtet, um Tragfähigkeit, Stoßsicherheit und Formstabilität abzudecken.

Abzugrenzen sind außerdem Traglastangaben (zulässige Betriebsbelastung mit Sicherheitsfaktor) von der Bruchlast (Versagenslast im Test). Für eine belastbare Auslegung werden aus Bruchlastwerten praxisgerechte zulässige Lasten unter Berücksichtigung von Klimazuschlägen, Alterung und Handhabungsprofilen abgeleitet.

Zusammenhänge und einfache Abschätzungen

Zur praxisnahen Prognose der Kartontragfähigkeit werden empirische Beziehungen genutzt, die ECT, Umfang und Konstruktionsparameter verknüpfen. Diese Abschätzungen ersetzen nicht die Prüfung, unterstützen aber das Vordesign und die Bewertung von Varianten im Hinblick auf Anforderungen an Stapeldruck, Transportbeanspruchung und Lagerbedingungen.

Gute Praxis bei Prüfung und Anwendung

• Einheitliche Probenvorbereitung und Konditionierung sicherstellen, um Streuungen zu minimieren.
• Belastungsrichtung definieren und dokumentieren (MD/CD), da Richtungsabhängigkeit ausgeprägt sein kann.
• Sicherheitsfaktoren gemäß Einsatzprofil wählen (statische Lagerung, Transportbelastungen, Mehrfachhandhabung).
• Kritische Bereiche von Zuschnitten (Rillungen, Stanzkonturen) spezifisch prüfen, da dort frühzeitiges Versagen auftreten kann.
• Ergebnisse aus Einzelprüfungen (Papier) mit Bauteilprüfungen (ECT/BCT) verknüpfen, um Skalierungseffekte zu berücksichtigen.
• Ausreichende Stichprobenumfänge wählen, statistische Auswertung (Mittelwert, Streuung) dokumentieren und Prüfgerätekalibrierung sichern.

Beispielhafte Anwendung

Liegt ein ECT-Wert und der Umfang eines Faltkartons vor, kann die zu erwartende BCT-Versagenslast mittels anerkannter Näherungen grob abgeschätzt werden. Abweichungen durch Feuchte, Rilllinien oder Öffnungsarten werden anschließend mittels BCT verifiziert, sodass eine auf den Einsatzzweck abgestimmte Dimensionierung möglich wird.

Vor- und Nachteile von Bruchlast

Die Bruchlast ermöglicht eine objektive Bewertung der Festigkeit von Wellpappe und ist damit ein wichtiger Indikator für die Qualität der Verpackung. Sie stellt sicher, dass eine Verpackung den Belastungen des Transports und der Lagerung standhält. Allerdings ist die alleinige Berücksichtigung der Bruchlast nicht ausreichend für eine umfassende Beurteilung der Leistungsstärke einer Verpackung. Weitere wichtige Faktoren sind beispielsweise die Stoß- und Stapel-Tauglichkeit sowie die Feuchtigkeitsbeständigkeit der Wellpappe. So birgt die einseitige Betonung der Bruchlast die Gefahr, dass andere wichtige Eigenschaften vernachlässigt werden.

• Vorteile: klar definierte Versagensgrenze, vergleichbare Kennzahl, Grundlage für Sicherheitsfaktoren und Dimensionierung.
• Grenzen: abhängig vom Prüfaufbau und Klima, richtet sich nur auf einen dominanten Lastfall, bildet komplexe Geometrien und Krafteinleitungen nicht vollständig ab.
• Zusätzliche Aspekte: zeitabhängige Effekte (Kriechen), Verbundqualität und Fertigungstoleranzen können die wirksame Bruchlast im Gebrauch reduzieren.

Zusammenfassung:

• Die Bruchlast ist ein kritischer Faktor für die Stabilität und Zuverlässigkeit von Verpackungen aus Wellpappe. Sie bestimmt, wie viel Kraft die Verpackung aushalten kann, bevor sie bricht oder durch bleibende Verformung versagt.
• Zur Ermittlung werden material- und bauteilspezifische Prüfungen eingesetzt: An Papieren wird u. a. die Zugfestigkeit und Kurzspann-Druckfestigkeit gemessen; an Wellpappestrukturen geben ECT/FCT, Biegeprüfungen und der BCT Aufschluss über das Versagen der Kante und ganzer Kartons.
• Eine hohe Bruchlast ist insbesondere bei der Transportverpackung relevant, die unterschiedlichen Spannungen und Belastungen im Umschlag und in der Lagerung ausgesetzt ist. Ausreichende Bruchlastwerte tragen zu einer sicheren Lieferung des verpackten Produktes bei.
• Für eine fundierte Auslegung sollten Bruchlast, ECT/BCT und Berstfestigkeit gemeinsam betrachtet und unter genormtem Prüfklima ermittelt werden.
• Einflussgrößen wie Wellenprofil, Rohpapierqualität, Feuchte, Klebung sowie Verarbeitung (Rillung/Perforation) bestimmen die tatsächliche Versagenslast maßgeblich.
• Aus Bruchlastwerten lassen sich mit geeigneten Sicherheitsfaktoren praxisgerechte zulässige Lasten für Lagerung und Transport ableiten; zeit- und klimaabhängige Effekte werden mit berücksichtigt und durch Prüfungen validiert.