Flexibilitätsprüfung

Die Flexibilitätsprüfung ist im Bereich der Wellpappe-Verpackungen ein essenzielles Thema. Diese hilft Unternehmen, optimale Verpackungslösungen zu finden, indem sie die Biegebeweglichkeit der Materialien bewertet. Sie gewährleistet, dass die Verpackungen den Transport und die Lagerung ohne Beeinträchtigung der Produktqualität überstehen. Darüber hinaus dient sie als objektive Grundlage, um Konstruktionsentscheidungen zu validieren, Materialstreuungen zu überwachen und prozessbedingte Schwankungen frühzeitig zu erkennen. Durch systematische Flexibilitätsmessungen lassen sich Falt- und Rillprozesse robuster auslegen und die Stabilität entlang der gesamten Lieferkette erhöhen.

Im technischen Kontext beschreibt die Flexibilitätsprüfung das Verhalten von Wellpappe bei Biege-, Falt- und Rückstellprozessen. Sie liefert belastbare Kennwerte für Konstruktion, Materialauswahl und Qualitätskontrolle und reduziert das Risiko von Kantenbrüchen, Einrissen an Rilllinien oder unerwünschter bleibender Verformung. Die Ergebnisse sind eine wichtige Grundlage für die Auslegung von Zuschnitten, Rillbildern und Faltfolgen im industriellen Verpackungsprozess. Ergänzend werden häufig auch wegbasierte und winkelbasierte Prüfabläufe dokumentiert, um das anisotrope Werkstoffverhalten über unterschiedliche Lastpfade konsistent vergleichen zu können.

Definition: Was versteht man unter Flexibilitätsprüfung?

Unter einer Flexibilitätsprüfung versteht man die Bewertung der Fähigkeit eines Materials, sich zu biegen und wieder in seine ursprüngliche Form zurückzukehren, ohne zu brechen oder dauerhaft verformt zu sein. Sie testet die Dehnbarkeit und Robustheit des Materials und sorgt so für die hohe Qualität und Sicherheit von Wellpappe-Verpackungen. In der Praxis wird die Elastizitäts- und Plastizitätskomponente des Biegeverhaltens getrennt betrachtet, um die kurzzeitige Formänderung und das verbleibende Setzmaß differenziert beurteilen zu können.

Im engeren Sinne steht die Flexibilitätsprüfung für standardisierte Biegeversuche (statisch oder dynamisch), bei denen Kraft, Weg und Winkelbezug erfasst werden. Ergänzend können Falt- und Knicktests an gerillten Zonen durchgeführt werden, um die praktische Faltfähigkeit und das Rückstellvermögen an Falzkanten zu beurteilen. Für eine valide Interpretation werden die Messkurven (Kraft–Weg beziehungsweise Kraft–Winkel) häufig segmentiert, um elastische, plastische und viskoelastische Anteile zu trennen und die energiebezogenen Kennwerte eindeutig abzuleiten.

• Bewertete Aspekte: Biegesteifigkeit, Biegefestigkeit, minimaler Biegeradius, Rückfederung (Springback), Verformungsarbeit und Ermüdungsverhalten bei wiederholter Beanspruchung. Zusätzlich relevant sind die Hysterese zwischen Be- und Entlastung sowie das Setzverhalten nach Haltezeiten unter Last.
• Richtungsabhängigkeit: Wellpappe zeigt anisotrope Eigenschaften; Messungen in Maschinenrichtung (MD), Querrichtung (CD) sowie relativ zur Wellenrichtung sind daher differenziert zu betrachten. Dies umfasst auch die Beurteilung von Innen- und Außenseite bei asymmetrischen Liner-Kombinationen.
• Klimasensitivität: Feuchtegehalt und Temperatur beeinflussen die Ergebnisse, weshalb eine definierte Klimatisierung vorab erforderlich ist. Transiente Klimawechsel (zum Beispiel Feuchtezyklen) sollten als zusätzlicher Prüffall berücksichtigt werden, wenn Einsatzprofile dies erfordern.

Anwendungsbereiche der Flexibilitätsprüfung

Flexibilitätsprüfungen finden in verschiedenen Bereichen Anwendung. Sie sind insbesondere für die Verpackungsindustrie von Bedeutung, um die Eignung von Wellpappe für verschiedene Verwendungszwecke zu bewerten. Dazu gehören unter anderem der Einsatz in hohen und niedrigen Temperaturen, der Transport schwerer Güter und die Langzeitlagerung. Ebenso sind sie relevant für das Redesign bestehender Kartonagen, wenn Materialsubstitutionen oder Formatänderungen geplant sind.

Darüber hinaus ist die Prüfung relevant für:

• Entwicklung und Validierung von Faltkartons, Stülpdeckelkartons und Displays mit komplexen Rill- und Faltmustern.
• Automatisierte Aufrichte- und Konfektionsprozesse, bei denen reproduzierbares Faltverhalten und geringes Rückstellmoment gefordert sind.
• E-Commerce- und Mehrweg-Anwendungen, in denen häufiges Öffnen, Wiederverschließen und Wiederverwenden zyklische Biegebeanspruchungen erzeugt.
• Klimaräume, Kühlketten und beheizte Umgebungen, in denen Feuchteaufnahme oder Temperaturwechsel die Materialantwort verändern.
• Palettierte Transporte mit Umreifung und Dehnung der Außenlagen, bei denen Kantenbereiche lokal gebogen und belastet werden.
• Verpackungen mit integrierten Funktionsfalzen (z. B. Einstecklaschen), bei denen das Zusammenspiel aus Rilltopografie und Faltmoment prozesssicher eingehalten werden muss.

Verfahren und Ausrüstung für die Flexibilitätsprüfung

Die Flexibilitätsprüfung bei Wellpappe verwendet spezifische Verfahren und Ausrüstung. So kommen beispielsweise Biegeprüfmaschinen zum Einsatz, welche das Material einer kontrollierten Biegebelastung aussetzen. Die daraufhin auftretende Verformung wird gemessen und im Verhältnis zum ursprünglichen Zustand des Materials gesetzt. Hierdurch lassen sich präzise Aussagen zur Flexibilität und Belastbarkeit der Wellpappe treffen. Je nach Gerätetechnologie erfolgt die Erfassung über Kraftaufnehmer, Inkrementalgeber, optische Wegmesssysteme oder Winkelencoder.

Gängige Methoden umfassen den Ein- bzw. Zweiseitenbiegeversuch (z. B. Dreipunkt- oder Vierpunktbiegung), Widerstandsmessungen nach konstantem Biegewinkel oder konstanter Durchbiegung sowie zyklische Belastungen zur Beurteilung der Biegeermüdung. Für gerillte Proben werden Falt- und Knicktests verwendet, um das Verhalten an Falzlinien praxisnah abzubilden. Ergänzend bieten instrumentierte Rilltests Einblicke in die lokale Schwächung der Deckschichten und die Verschiebung der neutralen Faser.

Prüfbedingungen und Probenvorbereitung

Die Aussagekraft der Ergebnisse hängt wesentlich von sauber definierter Probenahme und Klimatisierung ab. Üblich sind konditionierte Proben (z. B. 23 °C, 50 % relative Luftfeuchte) mit einheitlicher Faserrichtung, standardisiertem Zuschnitt und entgrateten Kanten. Auflageabstände, Biegewinkel, Vorschubgeschwindigkeit und Messbereich werden dokumentiert und konstant gehalten. Für reproduzierbare Prüfungen sind mindestens zwei Richtungen (MD/CD) sowie die Orientierung zur Wellenstruktur zu berücksichtigen. Zu Größen und Zuschnittsformaten siehe weiterführende Informationen zu Abmessungen und Toleranzen bei Prüfkörpern. Zudem empfiehlt sich die Erfassung des Feuchtegehalts vor und nach der Prüfung, um eventuelle Klimaeinflüsse nachvollziehbar zu machen.

Auswertung und Kennwerte

• Biegesteifigkeit (EI): Maß für den Widerstand gegen Durchbiegung; relevant für Formstabilität und Handling. Die Steifigkeit kann aus dem linearen Bereich der Kraft–Durchbiegungs-Kurve bestimmt werden und ist für die Simulation von Aufrichtprozessen geeignet.
• Rückfederung: Differenz zwischen angelegtem und verbleibendem Winkel; wichtig für Aufrichteprozesse und Maßhaltigkeit. Ein geringer Springback erleichtert die sichere Verriegelung von Laschen und Stecksystemen.
• Minimaler Biegeradius: Grenzradius, unterhalb dessen Faserbrüche, Risse oder Delaminationen auftreten. Dieser Kennwert dient als Konstruktionsleitlinie für enge Falzungen und Rundungen.
• Verformungsarbeit: Energetischer Kenngrößenwert zur Beschreibung des Arbeitsvermögens bis zu einem definierten Biegewinkel. Die Hysterese zwischen Be- und Entlastung liefert Hinweise auf innere Reibung und bleibende Setzung.
• Ermüdung: Abfall der Steifigkeit über Zyklen; relevant für Mehrfachnutzung oder wiederholte Faltvorgänge. Die Darstellung in Wöhler-ähnlichen Kurven (Zyklenzahl versus Steifigkeitsabfall) erleichtert den Vergleich von Qualitäten.
• Biegefestigkeit: Maximal tragbare Biegespannung vor dem Versagen; wichtig für kritische Kantenbereiche bei Umreifung oder punktueller Belastung.

Einflussfaktoren

• Materialaufbau (Wellenprofil E, B, C, BC), Flächengewichte, Recyclingfaseranteil und Liner-Qualitäten beeinflussen Biegeverhalten und Rückstellkräfte.
• Rillung und Falz: Rilltiefe, Rillbreite und Pressung ändern lokal die Biegestrecke und damit die Flexibilität im Faltbereich.
• Klimatische Bedingungen: Erhöhte Feuchte reduziert in der Regel Biegesteifigkeit und erhöht die Nachgiebigkeit.
• Probengeometrie: Breite, Länge und Auflageabstand wirken direkt auf die ermittelte Durchbiegung und Kraft.
• Belastungsgeschwindigkeit: Höhere Biegetempi erhöhen oft die scheinbare Steifigkeit durch viskoelastische Effekte; Vergleichbarkeit erfordert konstante Testgeschwindigkeiten.
• Lager- und Alterungszustand: Alterung, Mikroknicke und Handhabungsspalten können die Flexibilität mindern und die Streuung vergrößern.

Vor- und Nachteile von Flexibilitätsprüfung

Auf der positiven Seite sorgt die Flexibilitätsprüfung für Qualitätssicherheit und kann dabei helfen, Produktschäden zu vermeiden. Sie trägt zur Verbesserung der Materialauswahl und zur Optimierung von Verpackungslösungen bei. Zudem erleichtert sie die Kommunikation zwischen Konstruktion, Einkauf und Produktion, da objektivierte Kennwerte eine nachvollziehbare Basis für Entscheidungen schaffen.

Auf der anderen Seite kann die Durchführung der Prüfung zusätzliche Kosten und Zeit verursachen, insbesondere wenn sie regelmäßig und für eine große Anzahl von Materialien durchgeführt wird. Zudem erfordert sie eine spezifische Ausrüstung und qualifiziertes Personal. Unterschiede zwischen Labormessung und realer Anwendung müssen über geeignete Sicherheitszuschläge und Validierungsversuche berücksichtigt werden.

• Vorteile: Früherkennung kritischer Faltzonen, Reduktion von Reklamationen durch Riss- oder Kantenbruch, bessere Abstimmung von Rillparametern und Faltprozessen, datenbasierte Materialsubstitution zur Gewichts- oder Kostenreduktion bei gleichbleibender Funktion.
• Nachteile: Notwendigkeit der Klimatisierung und standardisierter Probenpräparation, potenzielle Abweichungen zwischen Labor- und Feldbedingungen, zusätzlicher Prüfaufwand bei Variantenvielfalt.

Entwicklungstrends in der Flexibilitätsprüfung

Die Methoden der Flexibilitätsprüfung entwickeln sich ständig weiter, um den wachsenden Anforderungen der Verpackungsindustrie gerecht zu werden. So entstehen zum Beispiel moderne Messgeräte, die eine noch genauere und effizientere Prüfung ermöglichen. Zudem gibt es Bestrebungen, die Methoden noch umweltfreundlicher und kosteneffizienter zu gestalten. Datenbanken mit Kennwerten unterstützen die schnelle Parametrisierung von Konstruktions- und Simulationsmodellen.

Aktuelle Entwicklungen umfassen digitale Messaufnehmer mit höherer Auflösung, automatisierte Probenhandhabung zur Steigerung der Wiederholgenauigkeit sowie softwaregestützte Auswertung von Kraft-Weg- und Kraft-Winkel-Kurven. Inline-Ansätze in der Wellpappenproduktion ermöglichen Trendanalysen der Biegekennwerte in Echtzeit. Simulationsgestützte Konstruktion nutzt die Kennwerte als Eingangsparameter, um Faltsituationen und Aufrichtprozesse virtuell zu prüfen. Ergänzend werden KI-gestützte Modellierungen genutzt, um Einflussgrößen wie Feuchte, Wellenprofil und Fasermischung auf die Flexibilität prädiktiv zu verknüpfen.

Zusätzliche Abgrenzung zu verwandten Prüfungen

Die Flexibilitätsprüfung fokussiert das Biegeverhalten. Andere Prüfungen adressieren unterschiedliche Materialantworten und ergänzen das Bild:

• Kantenstauchwiderstand (ECT) und Box Compression bewerten Stauch- und Tragfähigkeit, nicht die Biegung.
• Flachstauchprüfung (FCT) prüft die Belastbarkeit der Wellstruktur in Dickenrichtung.
• Riss- und Weiterreißprüfungen erfassen die Neigung zu Rissinitiierung und -fortschritt unter Zugbelastung.
• Short-Span-Compression (SCT) dient der Beurteilung der Kurzspandruckfestigkeit der Liner und Flutingpapiere, steht jedoch nicht für das Biegeverhalten.

Praxisnahe Hinweise

• Immer beide Richtungen (MD/CD) prüfen und die Wellenorientierung dokumentieren.
• Rill- und Faltbereiche separat charakterisieren, da dort lokal andere Kennwerte gelten als in der Fläche.
• Klimabedingungen und Probengeometrie konstant halten, um Ergebnisse vergleichbar zu machen.
• Für Anwendungen mit Wiederverwendung zyklische Biegeprüfungen vorsehen, um Ermüdungseffekte zu bewerten.
• Messunsicherheit und Kalibrierintervalle der Prüfanlage dokumentieren; Vergleichsmessungen mit Referenzmaterialien einplanen.
• Bei auffälligem Springback Falzgeometrie, Rillspalt und Wellenprofil iterativ anpassen und mit kurzen Prüfzyklen absichern.

Normen, Kalibrierung und Dokumentation

Für die Vergleichbarkeit der Flexibilitätsprüfung sind standardisierte Verfahren und eine saubere Dokumentation entscheidend. Gängig sind methodische Anlehnungen an Normen der Papier- und Kartonprüfung (z. B. Verfahren zur statischen Biegesteifigkeit oder Taber-ähnliche Biegewiderstandsmessungen). Eine regelmäßige Kalibrierung der Kraft- und Wegsensorik, die Verifikation der Auflageabstände und die Kontrolle der Prüftemperatur und relativen Luftfeuchte sichern valide Ergebnisse. Der Prüfbericht sollte Probe, Orientierung (MD/CD), Wellenprofil, Klima, Geschwindigkeiten, Messbereiche, Statistiken (n, Mittelwert, Standardabweichung) und Abweichungen von Standardbedingungen eindeutig ausweisen.

Typische Fehlerquellen und Troubleshooting

Häufige Fehlerquellen sind unpräzise Zuschnitte, Gratbildung an den Kanten, unzureichende Klimatisierung, wechselnde Biegetempi oder ungenaue Nullpunktsetzung. Abhilfe schaffen standardisierte Schneidwerkzeuge, definierte Konditionierungszeiten, Prüfpläne mit konstanten Parametern und regelmäßige Funktionsprüfungen der Sensorik. Weicht die Rückfederung stark von Erwartungswerten ab, sollten Rillgeometrie, Feuchtegehalt und Materialaufbau gezielt variiert und die Effekte mit identischer Auswertelogik beurteilt werden.

Zusammenhang mit Konstruktion und Prozess

Die aus der Flexibilitätsprüfung abgeleiteten Kennwerte fließen direkt in die Auslegung von Zuschnitt, Rillbild und Faltfolge ein. In der Serienfertigung ermöglichen Grenzwerte für Biegesteifigkeit und Springback die prozessnahe Qualitätskontrolle, etwa beim Einrichten von Aufrichtern und Klebestationen. Durch Korrelation mit Reklamationsdaten (z. B. Risse an Falzkanten) lassen sich vorbeugende Maßnahmen priorisieren und Qualitäten zielgerichtet anpassen.

Zusammenfassung:

• Unter Flexibilitätsprüfung versteht man die Analyse und Bewertung von Materialien, wie beispielsweise Wellpappe, hinsichtlich ihrer Fähigkeit, Formveränderungen ohne Bruch zu widerstehen.
• Diese Prüfung ist relevant für Unternehmen, die Verpackungen aus Wellpappe suchen, da sie Aufschluss gibt über die Qualität und Langlebigkeit der jeweiligen Verpackungslösungen.
• Bei der Flexibilitätsprüfung werden verschiedene Aspekte bewertet, darunter die Fähigkeit des Materials zur Dehnung, seine Biegekapazität und sein Widerstand gegenüber mechanischen Beanspruchungen.
• Wesentliche Kennwerte sind Biegesteifigkeit, Rückfederung, minimaler Biegeradius und das Ermüdungsverhalten unter zyklischer Beanspruchung.
• Die Aussagekraft hängt von standardisierter Probenvorbereitung, klaren Prüfparametern und definierter Klimatisierung ab.
• Ergebnisse unterstützen Konstruktion, Materialauswahl und Prozesskontrolle und reduzieren fehlerbedingte Ausfälle in Transport und Lagerung.
• Eine konsistente Dokumentation, regelmäßige Kalibrierung und die Berücksichtigung von MD/CD sowie Wellenorientierung sichern die Vergleichbarkeit und Nutzbarkeit der Kennwerte in Entwicklung und Produktion.