Materialanalyse

Materialanalyse spielt eine zentrale Rolle im Bereich der Wellpappe-Verpackungen. Sie ermöglicht nicht nur eine detaillierte Einschätzung der Materialbeschaffenheit, sondern trägt auch zur Qualitätssicherung und Produktentwicklung bei. Darüber hinaus schafft sie die Grundlage für reproduzierbare Prüfergebnisse, normkonforme Spezifikationen und eine belastbare Dokumentation entlang der Wertschöpfungskette. Durch systematische Prüfungen werden Kennwerte ermittelt, die direkt auf Performance-Eigenschaften wie Kantenstauchwiderstand, Stapelfähigkeit, Feuchtebeständigkeit und Prozessstabilität einzahlen. In der Praxis unterstützt die Materialanalyse die Fehlersuche (z. B. bei Delaminationen oder unzureichender Klebung), erleichtert das Reverse Engineering bestehender Verpackungen und liefert belastbare Daten für die kontinuierliche Verbesserung (KVP) in Labor und Produktion.

Definition: Was versteht man unter Materialanalyse?

Unter Materialanalyse wird das systematische Untersuchen von Materialien verstanden. Es beinhaltet die Untersuchung der physikalischen Eigenschaften und der chemischen Zusammensetzung eines Materials. Ziel ist es, Aussagen über die Qualität und Verwendungsmöglichkeiten des Materials treffen zu können. Ergänzend umfasst die Materialanalyse die Unterscheidung zwischen zerstörungsfreien und zerstörenden Prüfverfahren, die Ermittlung von Kennwerten unter definierten Klimabedingungen sowie die Bewertung der Messunsicherheit, um Ergebnisse fachgerecht einordnen zu können.

Im Kontext von Wellpappe umfasst dies die Charakterisierung der verwendeten Papierqualitäten (Deck- und Wellenpapiere), des Klebstoffsystems, der Wellengeometrie sowie der Verarbeitungsqualität. Typische Fragestellungen sind: Erreichen die verwendeten Rohpapiere die geforderten Spezifikationen? Sind die Klebungen homogen und ausreichend? Wie wirkt sich Klimatisierung (Temperatur/relative Luftfeuchte) auf die Kennwerte aus? Ergänzend werden Produktionsparameter (z. B. Leimviskosität, Bahnlauf, Rillqualität) einbezogen, um Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge zwischen Werkstoff, Prozess und Verpackungsleistung valide abzuleiten.

• Zielgrößen: Festigkeit, Steifigkeit, Berst- und Durchstoßverhalten, Wasseraufnahme, Dimensionsstabilität
• Materialaspekte: Faserzusammensetzung, Grammatur, Dicke, Feuchtegehalt, Klebstoffqualität, Oberflächenbeschaffenheit
• Prozessbezug: Eignung für Rillen, Stanzen, Falten, Bedrucken und klimastabile Lagerung
• Anwendungsrelevanz: Stapel- und Transportbelastungen, Feuchtebelastungen in Logistikketten, Anforderungen an Lebensmittelkontakt
• Messsystemaspekte: Kalibrierung, Wiederholbarkeit, Vergleichbarkeit zwischen Laboren (Interlaborvergleich)

Analyseverfahren und Techniken

In der Materialprüfung von Wellpappe kommen unterschiedliche Analyseverfahren und Techniken zum Einsatz. Dazu gehören unter anderem die Mikroskopie, die Röntgenfluoreszenz-Spektrometrie (RFA) sowie Infrarot-Spektroskopie. Diese Verfahren liefern detaillierte Informationen über die chemische Zusammensetzung und die Struktur des Materials. Ergänzend werden Profilometrie, Kontaktwinkelmessungen (Oberflächenenergie), Farbmessungen und optische Dichteprüfungen genutzt, um Druck- und Beschichtungseigenschaften zu bewerten. Je nach Fragestellung werden Labor- und Linientests kombiniert, um sowohl Grundsatzfragen (Werkstoffcharakterisierung) als auch prozessnahe Themen (In-Prozess-Kontrollen) abzudecken.

Mechanische Prüfungen und relevante Kennwerte

• ECT (Edge Crush Test, ISO 3037): Kantenstauchwiderstand der Wellpappe als Indikator für Stapelbelastbarkeit.
• BCT (Box Compression Test, ISO 12048): Druckfestigkeit fertiger Kartonagen im Stapel; abhängig von ECT, Geometrie und Klima.
• Berstfestigkeit (z. B. ISO 2759): Widerstand gegen berstende Belastungen; relevant für Stoßbeanspruchungen.
• Durchstoßarbeit (Pendeldurchstoß): Energieaufnahmefähigkeit bei schlagartiger Beanspruchung.
• Grammatur (ISO 536) und Dicke (ISO 3034): Basisdaten für Flächengewicht und Materialdicke.
• Feuchtegehalt (ISO 287) und Klimabeständigkeit: Einfluss auf Festigkeiten und Verarbeitbarkeit.
• Cobb-Test (ISO 535): Wasseraufnahme des Materials; wichtig für Feuchteschutz.
• SCT (ISO 9895), RCT (ISO 12192), CMT (ISO 7263): Papierbezogene Festigkeitskennwerte der Liner und des Wellenpapiers.
• FCT (Flat Crush Test, ISO 3035): Ebenstauchwiderstand zur Beurteilung der Wellenstabilität gegen Flächenlasten.
• Biegestetigkeit (z. B. ISO 5628/5629): Bewertung der Steifigkeit, relevant für Falt-, Rill- und Maschinengängigkeit.
• Zugfestigkeit und Dehnung (ISO 1924): Beschreibung der Papiermechanik in Maschinen- und Querrichtung.

Optische und mikroskopische Verfahren

• Licht- und Stereomikroskopie: Beurteilung von Wellenprofil, Klebstoffbrücken, Faserorientierung und Oberflächenfehlern.
• Rasterelektronenmikroskopie (REM): Hochauflösende Analyse von Bruchflächen, Faserverbund und Klebstoffverteilung.
• Bildanalyse: Quantifizierung von Porosität, Homogenität der Klebungen und Defekten.
• 3D-Profilometrie/Konfokale Verfahren: Messung der Topografie für Rilltiefe, Rauheit und Abriebverhalten.

Chemische und physikalische Analytik

• FTIR/IR-Spektroskopie: Identifikation von Klebstoffklassen, Additiven und Beschichtungen.
• Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA): Screening auf anorganische Bestandteile (z. B. Füllstoffe, Schwermetalle aus Druckfarben).
• Aschegehalt: Abschätzung von Füllstoffanteilen und mineralischen Rückständen.
• pH-Wert (z. B. ISO 6588): Relevanz für Klebstoffreaktionen, Druckfarbenstabilität und Papieralterung.
• Oberflächenenergie/Kontaktwinkel: Aussage zur Benetzbarkeit für Klebung und Beschichtung.

Probenvorbereitung und Normen

Für valide Ergebnisse sind Konditionierung und Probenahme entscheidend. Prüfkörper werden üblicherweise bei 23 °C und 50 % relativer Luftfeuchte konditioniert (normiertes Prüfklima). Ebenso relevant sind standardisierte Abmessungen der Probekörper gemäß ISO 187 sowie definierte Probenorientierungen (Maschinen- vs. Querrichtung). In der Umsetzung bedeutet dies: repräsentative Probenahme entlang der Bahn, eindeutig gekennzeichnete Probenlage, gratfreie Zuschnitte und ausreichend große Stichprobenumfänge. Ergänzend sind die jeweils prüfspezifischen Normen (z. B. ISO 3037, ISO 3035, ISO 2759) maßgeblich für Geometrie, Geschwindigkeit, Vorbehandlung und Auswertung.

Dateninterpretation und Statistik

• Stichprobenumfang und Ausreißerbehandlung gemäß festgelegten Akzeptanzkriterien.
• Statistische Prozesskontrolle (SPC): Laufende Überwachung von Kennwerten für frühzeitige Korrekturen.
• Kennwert-Korrelationen: Verknüpfung von Papier- und Wellpappwerten (z. B. SCT → ECT → BCT).
• Messsystemanalyse (MSA/Gage R&R): Beurteilung von Wiederhol- und Vergleichbarkeit des Messsystems.
• Prozessfähigkeit: Kennzahlen wie Cp/Cpk für die Einhaltung von Toleranzen und Spezifikationen.
• Modellbildung: Nutzung von Regressionsmodellen (z. B. McKee-Gleichung) zur Abschätzung von BCT aus ECT und Geometrie.

Praxisbeispiele und Anwendungsszenarien

In der industriellen Anwendung werden Materialanalysen häufig eingesetzt, um konkrete Problemstellungen effizient zu lösen. Beispiele umfassen das Absinken des BCT bei erhöhter Luftfeuchte, ungleichmäßige Klebstoffverteilung mit nachfolgender Delamination oder Wellenbruch bei zu scharfen Rillungen. Auch Druckbildstörungen (z. B. Mottling) lassen sich durch Analyse von Porosität und Oberflächenenergie ursächlich bewerten. Typische Maßnahmen reichen von der Anpassung der Papiergrammaturen über die Optimierung der Klebstoffviskosität bis zur Modifikation des Wellenprofils (E, B, C, BC) in Abhängigkeit von Schutzbedarf und Logistikanforderungen.

Grenzen und Fehlerquellen der Materialanalyse

Wie jede Prüfdisziplin unterliegt auch die Materialanalyse Grenzen. Ergebnisse können durch unzureichende Konditionierung, kleine Stichproben oder nicht repräsentative Probenahmen verzerrt werden. Klimaschwankungen, Geräte-Drift, Bedienereinfluss sowie falsche Probenorientierung sind typische Fehlerquellen. Eine klare Prüfplanung, regelmäßige Kalibrierung, Blind- und Doppelbestimmungen sowie Interlaborvergleiche erhöhen die Aussagekraft und schaffen belastbare Entscheidungsgrundlagen.

Dokumentation und Rückverfolgbarkeit

Eine vollständige Dokumentation umfasst Probenherkunft, Zeitstempel, Klimadaten, Prüfmittel-Identifikation, Kalibrierstatus, Normbezug und Auswerteparameter. Prüfberichte mit statistischen Kennzahlen (Mittelwert, Standardabweichung, Konfidenzintervallen) sowie Bilddokumentation (Mikroskopie, Profilometrie) unterstützen die Nachvollziehbarkeit. In der Wertschöpfungskette erleichtern eindeutige Chargenkennzeichnung, Wareneingangsprüfungen und Freigabeprotokolle die Rückverfolgbarkeit und sichern verlässliche Qualität über Produktions- und Lagerstufen hinweg.

Auswirkungen der Materialanalyse auf die Produktion

Durch die Materialanalyse lassen sich Rückschlüsse über die Eignung eines Materials für die Produktion ziehen. Sie beeinflusst somit die Auswahl der Rohmaterialien und trägt zur Qualitätssicherung bei. Das Wissen um die Materialeigenschaften hilft auch bei der Weiterentwicklung von Verpackungslösungen. Zusätzlich verbessert ein strukturiertes Prüfkonzept die Abstimmung zwischen Papierhersteller, Wellpappenwerk und Weiterverarbeitung und ermöglicht ein zielgerichtetes Änderungsmanagement.

Konkrete Auswirkungen zeigen sich in der Spezifikation geeigneter Papierqualitäten (Recycling- vs. Primärfaseranteil, Grammatur), der Wahl des Wellenprofils (E, B, C, BC), der Optimierung des Klebstoffsystems (Viskosität, Auftrag, Trocknung) sowie der Festlegung von Prozessparametern bei der Wellpappenherstellung und Weiterverarbeitung (Rillen, Stanzen, Falzen, Bedrucken). Ergebnisse fließen zudem in Lastenhefte, Wareneingangsprüfungen und Freigabeprozesse ein. Darüber hinaus werden mit Hilfe von Versuchsplänen (DoE) Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge effizient untersucht, um robuste Prozessfenster und stabile Verpackungsleistungen auch unter variierenden Klimabedingungen zu erreichen.

• Rohmaterialauswahl: Zielgenaue Spezifikationen reduzieren Schwankungen und Ausschuss.
• Prozessfenster: Stabilere Produktion durch abgestimmte Temperaturen, Feuchten und Liniengeschwindigkeiten.
• Produktdesign: Abgleich von Schutzbedarf, Flächengewicht und Kosten durch belastbare Kennwerte.
• Konformität: Nachweis der Erfüllung von Normen und kundenseitigen Qualitätsanforderungen.
• Lebensmittelrelevanz: Berücksichtigung migrationsrelevanter Aspekte (z. B. Feuchte, Zusatzstoffe, Beschichtungen) bei Lebensmittelverpackungen.

Vor- und Nachteile von Materialanalyse

Ein großer Vorteil der Materialanalyse besteht in der Möglichkeit, die Qualität und Eignung eines Materials objektiv zu beurteilen. Sie ermöglicht die frühzeitige Erkennung von möglichen Materialfehlern und trägt so zur Vermeidung von Produktionsausfällen bei. Ein Nachteil der Materialanalyse ist der zeitliche und finanzielle Aufwand, der für die Untersuchung anfallen kann. Insbesondere bei der Verwendung von Hochtechnologiegeräten können die Kosten für Analysen und Tests signifikant sein. Durch eine risikobasierte Prüfplanung und standardisierte Workflows lassen sich jedoch Prüfaufwand und Aussagekraft bedarfsgerecht ausbalancieren.

• Vorteile: Risikominimierung, erhöhte Prozesssicherheit, datenbasierte Entscheidungen, Nachvollziehbarkeit durch Prüfberichte.
• Weitere Vorteile: Ressourceneffizienz durch zielgerichtete Materialwahl, Reduktion von Reklamationen, bessere Planbarkeit.
• Nachteile: Teilweise zerstörende Prüfungen, zusätzlicher Schulungs- und Dokumentationsaufwand, Bedarf an qualitätssicherer Probenahme.
• Abwägung: Der Nutzen steigt mit der Relevanz der Kennwerte für den Einsatzzweck; Umfang und Tiefe sollten zur Fragestellung passen.
• Grenzen: Messunsicherheit und Klimasensitivität erfordern klare Toleranzen und konsistente Prüfbedingungen.

Zusammenfassung:

• Die Materialanalyse ist essentiell um die Qualität und Eignung der Wellpappe für die Verpackungsindustrie zu überprüfen.
• Diese Analysen prüfen Kennwerte wie Festigkeit, Dichte und Wasseraufnahme, die entscheidend sind für die Haltbarkeit und Leistung der Verpackungen.
• Mit der Materialanalyse lassen sich potenzielle Schwachpunkte in der Verpackungsstruktur frühzeitig identifizieren und korrigieren.
• Normgerechte Probenahme und Klimatisierung sind Voraussetzung für vergleichbare, belastbare Prüfergebnisse.
• Mechanische, optische und chemische Verfahren ergänzen sich, um Struktur, Zusammensetzung und Performance ganzheitlich zu bewerten.
• Produktionsrelevanz: Ergebnisse unterstützen Materialauswahl, Prozessoptimierung und die Absicherung definierter Qualitätsziele.
• Kosten-Nutzen-Abgleich: Der Prüfaufwand sollte an den Einsatzzweck und das geforderte Sicherheitsniveau angepasst werden.
• Datenqualität: Reproduzierbarkeit, Messsystemanalyse und statistische Auswertung erhöhen die Verlässlichkeit der Entscheidungen.
• Praxisnähe: Die Berücksichtigung realer Klimabelastungen und logistischer Beanspruchungen verbessert die Aussagekraft für den Einsatzfall.