Härteprüfung

In der Verpackungsindustrie ist der Qualitätsnachweis von grundlegender Bedeutung. Hierbei spielt besonders die Härteprüfung der Wellpappe eine wichtige Rolle. Sie dient zur Beurteilung der Eignung einer Wellpappe für spezifische Anwendungen.

Im Mittelpunkt steht die Frage, wie widerstandsfähig das Material gegenüber lokaler, konzentrierter Belastung ist. Gerade bei Transport, Umschlag und Lagerung wirken punktuelle Kräfte, Kantenquetschungen und Stöße auf die Decklagen. Eine systematische Härteprüfung liefert reproduzierbare Kennwerte, die das Verhalten bei solchen Beanspruchungen abbilden und damit eine technische Basis für die Auswahl, Auslegung und Qualitätssicherung bieten. Ergänzend unterstützt sie die Ursachenanalyse bei Schäden (z. B. Durchdrücker, Abdrücke, Oberflächenverletzungen) und ermöglicht eine präventive Auslegung von Verpackungen im Hinblick auf reale Belastungsszenarien entlang der Lieferkette.

Definition: Was versteht man unter Härteprüfung?

Härteprüfung bezeichnet in der Fachsprache einen standardisierten Test, der dazu dient, die Widerstandsfähigkeit eines Materials gegenüber mechanischer Einwirkung zu bestimmen. Hierbei spielt vor allem die Shore-Härte eine zentrale Rolle. Diese kennzeichnet die Elastizität beziehungsweise Härte von Materialien und wird mittels spezieller Härteprüfgeräte ermittelt.

In der Praxis der Wellpappe bezieht sich die Härteprüfung jedoch meist auf den Widerstand gegen eine definierte, lokale Eindrückung (Punkteindruck). Während die Shore-Härte vorwiegend für Elastomere und Kunststoffe eingesetzt wird, charakterisiert die Punkteindruck- beziehungsweise Punktlastprüfung die lokale Belastbarkeit von Decklagen und Wellenstruktur. Sie liefert Kenngrößen wie Eindringtiefe oder Gegenkraft unter festgelegten Prüfbedingungen und ergänzt Festigkeitswerte wie Kantenstauchwiderstand (ECT) oder Biege-/Flachstauchkennwerte. In der Beurteilung werden sowohl elastische als auch plastische Anteile der Verformung betrachtet, um das Rückstellverhalten unter wiederkehrenden Beanspruchungen sachgerecht einzuordnen.

Abgrenzung: Härte, Steifigkeit und Festigkeit

Härte beschreibt den Widerstand gegen lokale, plastische oder elastisch-plastische Verformung durch einen Prüfkörper. Steifigkeit bezieht sich auf den Widerstand gegen Durchbiegung bei flächiger Belastung, und Festigkeit auf die maximale Tragfähigkeit bis zum Versagen. In der Materialprüfung der Wellpappe ergänzen sich diese Größen: Die Härteprüfung liefert Aussagen zur Oberflächen- und Decklagenresistenz, während andere Prüfungen das globale Tragverhalten bewerten. Für eine belastbare Bewertung ist die Kombination der Kennwerte entscheidend, da lokale Eindrückempfindlichkeit und globale Tragfähigkeit unterschiedliche Versagensmechanismen adressieren.

Arten von Härteprüfungen in der Verpackungsindustrie

Diverse Härteprüfungen stehen für die Beurteilung von Materialien zur Verfügung. Zu den bekanntesten gehören die Shore-Härte und die Punktlastprüfung. Erstere misst die Eindrucktiefe eines standardisierten Prüfstempels und ist vor allem für Materialien wie Kunststoffe oder Elastomere geeignet. Die Punktlastprüfung hingegen ermittelt den Widerstand eines Materials gegenüber einer bestimmten Punktlast innerhalb einer festgelegten Zeit. Sie liefert wichtige Informationen zur Decklagenqualität und zur Wellenzusammensetzung von Wellpappe.

• Punkteindruck-/Punktlastprüfung (Wellpappe): Definierter Stempel (Durchmesser und Geometrie genormt) wird unter vorgegebenem Kraft-Zeit-Profil aufgesetzt. Erfasst werden Eindringtiefe, Rückfederung und/oder die dafür notwendige Kraft. Aussagekräftig für Decklagenfestigkeit, Klebung und Wellenunterstützung.
• Shore-Härte (A/D): Standard für Elastomere, Schäume und Kunststoffe, die in Polster- und Fixierlösungen eingesetzt werden. In der Kontextbetrachtung relevant, wenn Verbundsysteme mit weich-elastischen Komponenten beurteilt werden.
• Instrumentierte Indentation: Kraft-Weg-aufgelöste Messung mit Ableitung zusätzlicher Parameter (z. B. Kriech- oder Zeitabhängigkeit). Geeignet zur detaillierten Analyse von Einflusseffekten wie Feuchte oder Temperatur.
• Oberflächenhärte/Scratch/Pick-Resistenz: Prüfungen zur Beständigkeit der Decklage gegen Abrieb oder Abziehen von Fasern unter lokaler Beanspruchung; liefern ergänzende Informationen zur Oberflächenintegrität.

Verwandte, aber unterschiedliche Kennwerte

Prüfungen wie Flachstauchwiderstand, Kantenstauchwiderstand oder Biege-/Steifigkeitsmessungen sind keine Härteprüfungen im engeren Sinn, werden jedoch häufig gemeinsam betrachtet, um das Gesamtverhalten von Wellpappkonstruktionen einzuordnen. In der Praxis sind zudem Durchstoßprüfungen (z. B. nach ISO 3036) relevant, wenn punktuelle, schlagartige Beanspruchungen bewertet werden sollen.

Normen, Richtlinien und Terminologie

Für Wellpappe und Papierverbunde existieren anerkannte Normen und Leitfäden, die Begriffe, Prüfbedingungen und Auswertungen vereinheitlichen. Dazu zählen unter anderem ISO 2233 (Konditionierung), ISO 3035 (Flachstauchwiderstand), ISO 3037 (Kantenstauchwiderstand), ISO 3036 (Durchstoßwiderstand), ISO 12048 (Kistenstapelprüfung/BCT) sowie Normen zur Biegeeigenschaft. Für punktuelle Eindrückungen werden je nach Labor interne Arbeitsanweisungen eingesetzt, die sich an diesen Standards orientieren, insbesondere hinsichtlich Probenahme, Klimatisierung und Messbericht.

Wesentlich ist eine konsistente Terminologie: Eindrucktiefe (Shore) versus Eindringtiefe (Indentation), Gegenkraft bei definierter Eindringtiefe, Rückfederung, Haltezeit und Lastprofil. Einheitliche Definitionen verbessern die Vergleichbarkeit über Standorte und Zeiträume hinweg.

Warum die Härteprüfung von Wellpappe wichtig ist

Die Härteprüfung ermöglicht eine detaillierte Einstufung der Materialeigenschaften und liefert somit eine Grundlage für eine gezielte Materialauswahl. Sie trägt dazu bei, den bestmöglichen Werkstoff für verschiedene Anwendungsbereiche zu bestimmen. Die Ergebnisse sind keine Nebensächlichkeit, sondern ein wesentlicher Qualitätsindikator. Aufgrund ihrer Relevanz wird die Härteprüfung sowohl im Rahmen der Produktentwicklung als auch in der anschließenden Qualitätssicherung eingesetzt.

Typische Anwendungsfälle sind der Schutz empfindlicher Oberflächen vor Punktlasten (z. B. bei metallischen oder gläsernen Packgütern), die Verhinderung von Durchdrückern durch innere Bauteile, sowie die Bewertung des Verhaltens bei Stößen und Fallereignissen. Die Kennwerte unterstützen Entscheidungen zu Liner-Qualitäten, Wellenarten (E, B, C, BC etc.), Flächengewichten und Prozessparametern (Klebung, Feuchteführung). Zusätzlich dienen sie der Festlegung interner Spezifikationsfenster pro Produktfamilie, um Prozessfähigkeit und Reproduzierbarkeit über Aufträge und Chargen hinweg zu gewährleisten.

Für die Praxis bedeutsam sind strukturierte Prüfpläne: Eingangsprüfung von Halbfabrikaten (Rollenware, Zuschnitte), Prozesskontrolle an laufenden Aufträgen und Abnahmeprüfungen fertiger Zuschnitte. Ergänzend helfen trendbasierte Auswertungen, Schwankungen durch Feuchte, Rohstoffchargen oder Maschinenparameter zu erkennen und zu beherrschen. Für weiterführende Orientierung zu konkreten Lösungen im Alltag siehe weiterführende Informationen zu geeigneten Verpackungen auf Lager.

Prüfbedingungen und Durchführung in der Praxis

Reproduzierbare Ergebnisse setzen standardisierte Rahmenbedingungen voraus. Dazu zählen Klimatisierung (Temperatur und relative Luftfeuchte), Probenvorbereitung, Prüfgeschwindigkeit und definierte Stempelgeometrie.

1. Konditionierung: Prüflinge vorab unter standardisiertem Klima akklimatisieren (z. B. 23 °C/50 % r. F.) und Feuchtegleichgewicht sicherstellen.
2. Probenahme: Entnahme repräsentativer Proben in Maschinen- und Querrichtung; Ausschluss von Zonen mit sichtbaren Defekten oder Kantenbeschädigungen.
3. Gerätekontrolle: Kalibrierung/Justage des Härteprüfgeräts, Prüfung der Stempelgeometrie und Nullpunktkontrolle.
4. Prüfdurchführung: Aufbringen der Punktlast mit vorgegebener Geschwindigkeit und Haltezeit; Erfassung der Eindringtiefe beziehungsweise der Gegenkraft.
5. Dokumentation: Erfassung von Mittelwert, Streuung, Richtungsabhängigkeit (MD/CD), Klimazustand und Los-/Maschinendaten zur Nachverfolgbarkeit.

Messwerte und Interpretation

• Eindringtiefe (mm): Geringere Werte deuten auf höhere lokale Widerstandsfähigkeit hin.
• Kraft (N) bei definierter Eindringtiefe: Höhere Kräfte signalisieren robustere Decklagen und besseren Wellenverbund.
• Elastische Rückfederung (%): Anteil der reversiblen Verformung; relevant für wiederkehrende Belastungen.

Bewertungen erfolgen relativ zu internen Spezifikationen oder projektspezifischen Anforderungen. Zu berücksichtigen sind die Funktion im Einsatz (einfacher Versand, Mehrweg, Schwerlast) und die Wechselwirkung mit weiteren Kennwerten wie Kantenstauch- und Biegefestigkeit. Sinnvoll sind zudem Fähigkeitskennzahlen (z. B. Prozessstreuung, Stabilität über die Zeit) sowie Referenzproben zur kontinuierlichen Geräteüberwachung.

Einflussfaktoren auf das Prüfergebnis

• Feuchtegehalt und Klima: Erhöhte Feuchte vermindert typischerweise die lokale Widerstandsfähigkeit; Klimakontrolle ist daher essenziell.
• Rohstoff und Linerqualität: Flächengewicht, Faserzusammensetzung und Oberflächenleimung beeinflussen die Decklagenhärte.
• Wellengeometrie und Klebung: Wellenhöhe/-teilung und Qualität der Verklebung bestimmen die Stützfunktion unter Punktlast.
• Herstellparameter: Temperaturen, Pressung und Leimauftrag im Prozess wirken auf Verbund und Oberflächenintegrität.
• Richtungsabhängigkeit: Unterschiede zwischen Maschinen- und Querrichtung sind materialtypisch und sollten separat betrachtet werden.

Darüber hinaus beeinflussen Probenformat, Stempelradius, Auflagebedingungen (Unterstützung/Anpressfläche) und Prüfgeschwindigkeit die Ergebnisse. Eine klare Prüfmittelbeschreibung und wiederholbare Handhabung sind notwendig, um Messunsicherheit und Vergleichsfehler zu begrenzen.

Vor- und Nachteile von Härteprüfungen

Die Vorteile einer Härteprüfung liegen auf der Hand: Sie ermöglicht eine verlässliche Einschätzung der Produktqualität. Dadurch kann die Performance von Wellpapp-Verpackungen vorhergesagt und optimiert werden. Zudem ist sie vergleichsweise schnell und kosteneffizient durchzuführen.

Dennoch gibt es auch Nachteile: Härteprüfungen sind oft zerstörerische Tests. Das heißt, das Material kann nach der Prüfung nicht mehr verwendet werden. Zudem können die Ergebnisse je nach Prüfverfahren und Material variieren, was die Vergleichbarkeit der Messwerte erschwert.

• Zusätzliche Aspekte zu Vorteilen: Gute Eignung für Prozessmonitoring, geringe Probenvorbereitung, klare Trendanalysen möglich.
• Zusätzliche Aspekte zu Nachteilen: Geräte- und Stempelvarianten erschweren direkte Vergleichbarkeit; strenge Kalibrier- und Klimavorgaben notwendig, um Messunsicherheiten zu minimieren.

Als Ausgleich empfiehlt sich eine interne Referenzkurve pro Materialklasse sowie periodische Ringversuche zwischen Laboren, um die Datenbasis zu harmonisieren und die Vergleichbarkeit zu erhöhen.

Praxisbeispiele und Einsatzszenarien

• Empfindliche Güter: Beurteilung, ob lokale Druckstellen vermieden werden können (z. B. Elektronik mit hervorstehenden Bauteilen).
• Schwere Inhalte: Bewertung der Decklagenresistenz gegen punktuelle Auflager (z. B. metallische Komponenten mit kleinen Aufstandsflächen).
• Mehrweg-/Retourenprozesse: Einschätzung der Beständigkeit gegen wiederholte Punktbelastungen und daraus resultierende Dauerbeanspruchung.

Weitere typische Fälle sind die Auslegung von Verpackungen für kombinierte Beanspruchungen (z. B. Punktlast plus Vibration), die Prüfung von Mustern im Entwicklungsstadium gegenüber Serienmaterial sowie die Bewertung von Einflussgrößen wie bedruckte versus unbedruckte Decklagen, Beschichtungen oder Imprägnierungen.

Prüfmittelmanagement und Qualitätssicherung

Ein wirksames Prüfmittelmanagement umfasst Kalibrierintervalle, Prüfmittelfähigkeitsnachweise, eine nachvollziehbare Wartungshistorie und die Schulung der Prüfenden. Checklisten zur Geräteeinstellung (Nullpunkt, Kraftmesskette, Stempelzustand) reduzieren Bedienfehler. Digitale Erfassungssysteme mit Plausibilitätsprüfungen und automatisierten Klimadaten ergänzen die Dokumentation und unterstützen Audits.

Datenauswertung, Grenzwerte und Berichterstellung

Für belastbare Entscheidungen sind geeignete Kennzahlen und Darstellungsformen erforderlich: Lage- und Streuungsmaße, Kontrollkarten, Vergleich von Maschinen- versus Querrichtung und Korrelationen zu ECT/FCT/BCT. Grenzwerte werden produktspezifisch definiert, häufig als Kombination aus Mindestkraft bei definierter Eindringtiefe und maximal zulässiger Eindringtiefe. Berichte sollten Prüfumfang, Normbezug, Klima, Probenlos, Messunsicherheit und Abweichungen vom Standard eindeutig ausweisen.

Nachhaltigkeits- und Ressourcenaspekte

Gezielte Härteprüfungen helfen, Materialeinsatz bedarfsgerecht zu dimensionieren. Durch das Abgleichen der lokalen Resistenz mit den realen Beanspruchungen kann Überdimensionierung vermieden und gleichzeitig Produktschutz sichergestellt werden. Dies unterstützt eine effiziente Nutzung von Fasern, reduziert Ausschuss und trägt zu stabilen Prozessen in der Verpackungsherstellung bei.

Zusammenfassung:

• Eine Härteprüfung stellt sicher, dass Verpackungen aus Wellpappe stark genug sind, um den Inhalt zu schützen und den Transportbedingungen standzuhalten.
• Dieser Prüfprozess ermittelt die Beständigkeit und Widerstandsfähigkeit der Verpackung gegenüber verschiedenen Beanspruchungen, insbesondere Druck und Stoßbelastungen.
• Die Durchführung einer soliden Härteprüfung ist absolut entscheidend für Unternehmen, die Verpackungen aus Wellpappe suchen, um Kosten durch Beschädigungen zu vermeiden und die Zufriedenheit ihrer Kunden zu gewährleisten.
• Reproduzierbarkeit: Standardisierte Konditionierung, definierte Stempelgeometrie und dokumentierte Prüfabläufe sind Voraussetzung für vergleichbare Ergebnisse.
• Interpretation im Kontext: Härtekennwerte sollten stets gemeinsam mit Festigkeits- und Steifigkeitsdaten betrachtet werden, um eine stimmige Materialauswahl zu treffen.
• Prozessnutzung: Härteprüfungen eignen sich für Wareneingang, Inprozesskontrolle und Abnahme, um Schwankungen frühzeitig zu erkennen und zielgerichtet gegenzusteuern.