Mechanische Belastungstests

Bei der Entwicklung von Verpackungen aus Wellpappe spielt eine wichtige Rolle, wie diese sich unter verschiedenen mechanischen Belastungen verhalten. Ein zentraler Aspekt in der Prüfung von Wellpappen mit dem Ziel, hohe Qualität sicherzustellen, sind die mechanischen Belastungstests. Sie liefern belastbare Kenndaten zu Stabilität, Steifigkeit und Widerstand gegen typisches Beanspruchungsspektrum entlang der gesamten Lieferkette – von der Kompression im Stapel über Biegung und Schub bis zu Durchstoß, Sturz und Vibration. Darüber hinaus unterstützen sie die Ableitung geeigneter Sicherheitsbeiwerte, die Auswahl passender Wellpappenqualitäten und die Festlegung von Toleranzen für Fertigung und Logistik. Durch die Kombination aus Laborprüfungen und anwendungsnahen Tests lassen sich Schadensmechanismen (z. B. Knicken, Delamination, Kantenversagen) frühzeitig erkennen und konstruktiv adressieren.

Definition: Was versteht man unter mechanischen Belastungstests?

Unter mechanischen Belastungstests versteht man eine Reihe von Analysen, die auf ein Material, in diesem Fall Wellpappe, ausgeübt werden, um dessen Widerstandsfähigkeit und Stabilität unter verschiedenen Beanspruchungen zu prüfen. Häufige Beispiele für derartige Tests sind die Druckfestigkeit, Stoßfestigkeit, Kantenstauchwiderstand und die Durchstoßfestigkeit. In der Praxis unterscheiden Fachleute zwischen bauteilbezogenen Prüfungen (z. B. gesamte Schachtel im Stapeldruckversuch) und materialbezogenen Kennwerten (z. B. Kantenstauchwiderstand der Wellpappe). Die Tests werden in der Regel unter definierten Klimabedingungen durchgeführt, um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten, und dienen als Basis für Konstruktion, Qualitätssicherung und Risikoabschätzung. Ergänzend wird zwischen quasi-statischen Prüfungen (konstante oder langsam steigende Last) und dynamischen Prüfungen (Stoß, Vibration, Schock) unterschieden; beide liefern unterschiedliche, sich ergänzende Aussagen zur Tragfähigkeit, zum Verformungsverhalten und zur Dauerfestigkeit. Üblicherweise handelt es sich um zerstörende Verfahren; nicht destruktive Methoden (z. B. optische Messungen von Durchbiegung) können zur ergänzenden Zustandsbeurteilung beitragen.

Grundlegende Arten von mechanischen Belastungstests für Wellpappe

Um die Leistungsfähigkeit von Wellpappe umfassend zu beurteilen, werden verschiedene Arten von mechanischen Belastungstests durchgeführt. Einige der wichtigsten sind:

• Druckfestigkeitstests: Sie messen die maximale Belastung, die ein Material aushalten kann, bevor es anfängt, sich zu verformen oder zu brechen. Typisch sind Stapeldruckversuche an kompletten Kartonagen (BCT), die die Tragfähigkeit im Lager- oder Palettenstapel abbilden. Wichtige Einflussgrößen sind die Geometrie (Höhe, Umfang), die Rillung, die Orientierung der Welle sowie die Belastungsgeschwindigkeit und die Parallelität der Druckplatten.
• Stoßfestigkeitstests: Sie beurteilen die Fähigkeit des Materials, plötzlichen Stößen oder Erschütterungen standzuhalten, wie sie während des Transports auftreten können. Dazu zählen Fallprüfungen aus definierten Höhen sowie Schockimpulse. Bewertet werden u. a. Beschleunigungsverläufe, Schadbilder an Rillkanten und mögliche Delaminationen; Wiederholprüfungen zeigen Ermüdungseffekte.
• Kantenstauchwiderstand: Dieser Test misst die Belastbarkeit der Kanten der Wellpappe gegen Quetschungen. Der Edge Crush Test (ECT) korreliert maßgeblich mit der möglichen Stapeltragfähigkeit von Kartonagen. Probenzuschnitt, Ausrichtung (Maschinen- vs. Querlinie) und Klimatisierung sind für die Vergleichbarkeit entscheidend.
• Durchstoßfestigkeitstests: Sie bewerten die Fähigkeit des Materials, einer Durchdringung durch scharfe Gegenstände oder Kanten standzuhalten. Die Ergebnisse sind besonders relevant bei spitzen oder kantenlastigen Packgütern. Zusätzlich wird die Energieaufnahme bis zum Versagen betrachtet, um die Schutzwirkung beim Eintreten lokaler Spitzenlasten zu beurteilen.
• Flachstauch- und Biegeprüfungen: Flachstauchtests (FCT) beurteilen die Widerstandsfähigkeit der Welle gegen lokale Quetschung, Biegeprüfungen ermitteln die Steifigkeit in Maschinen- und Querlinie. Diese Kennwerte sind wichtig für Verarbeitbarkeit, Stapelgeradheit und das Verhalten in automatisierten Förderanlagen.
• Reib- und Abriebprüfungen: Sie geben Auskunft über Oberflächeneigenschaften, die für Fördersysteme, Robotik-Greifer und die Stapelstabilität bedeutsam sind. Gemessen werden beispielsweise Gleitreibungskoeffizienten, die das Risiko von Stapelverschiebungen beeinflussen.
• Vibrationsprüfungen: Schwingungsprofile simulieren Transportvibrationen, um Ermüdung, Faltkantenrisse oder Klappendeformationen frühzeitig zu erkennen. Dabei kommen zufällige (random) und deterministische Profile zum Einsatz, die reale Routen und Fahrzeugtypen abbilden.
• Zusätzliche materialnahe Prüfungen: Papierbezogene Kennwerte wie Kurzspann-Druck (SCT), Rill- und Perforationszugfestigkeit sowie Berstdruck liefern Hinweise auf das Verhalten der einzelnen Lagen und die Stabilität von Rilllinien im Verbund.
• Klimazyklus- und Kriechversuche: Wechselnde Temperatur- und Feuchtebedingungen sowie Last-über-Zeit-Untersuchungen (Kriechen) bilden Langzeitbeanspruchungen ab und zeigen Festigkeitsabfall sowie Relaxationsverhalten unter realistischen Lagerbedingungen.

Relevante Prüfkennwerte und Normbezüge

In der industriellen Praxis haben sich Kennwerte wie ECT (Kantenstauch), BCT (Stapel- bzw. Box-Kompression), FCT (Flachstauch) und Puncture (Durchstoß) etabliert. Prüfungen erfolgen nach gängigen Normen (z. B. ISO, DIN oder TAPPI), die die Probenentnahme, Klimatisierung, Prüfrichtung und Auswertung festlegen. Die Vergleichbarkeit der Ergebnisse beruht auf definierter Konditionierung, üblicherweise bei 23 °C und 50 % relativer Luftfeuchte. Zwischen einzelnen Kennwerten bestehen empirische Zusammenhänge (z. B. ECT zu BCT), die in Auslegungsformeln und Regressionsmodellen genutzt werden, um Tragfähigkeit abzuschätzen und Materialeinsatz sachgerecht zu dimensionieren. Für belastbare Entscheidungen werden Kennwerte grundsätzlich mit Konfidenzintervallen dokumentiert und auf Los- sowie Chargenebene überwacht.

Einflussgrößen auf die Messwerte

• Materialaufbau: Wellenprofil (E, B, C, BC, EB), Grammaturen und Liner-/Wellenpapier beeinflussen ECT, BCT und Durchstoß signifikant. Asymmetrische Aufbauten wirken sich unterschiedlich in Maschinen- und Querlinie aus.
• Fasermix: Anteil von Primär- und Recyclingfasern wirkt auf Festigkeit, Steifigkeit und Feuchteresistenz. Additive und Leimrezepturen beeinflussen die Verbundqualität.
• Klebung und Verleimung: Homogene Verklebung der Welle mit den Deckschichten ist entscheidend für reproduzierbare Ergebnisse. Fehlverklebungen führen zu lokaler Instabilität und vorzeitigem Versagen.
• Feuchte und Klima: Erhöhte Feuchte reduziert Kompressions- und Durchstoßwerte; korrekte Klimatisierung ist daher verbindlich. Auch Temperaturwechsel bewirken Spannungen und können die Steifigkeit mindern.
• Geometrie und Zuschnitt: Rillung, Stanzungen und Öffnungshilfen beeinflussen Lastpfade und lokales Versagensverhalten. Kleine Radien an Rilllinien erhöhen die Kerbwirkung und reduzieren die Biegefestigkeit.
• Verarbeitungseinflüsse: Druckbilder, Lacke, Prägungen und Kaschierungen verändern Oberflächeneigenschaften, Reibwerte und lokale Steifigkeit. Mechanische Vorbelastungen aus der Konfektionierung (Überstauchung) können Messergebnisse verfälschen.
• Prüfaufbau: Plattenparallelität, Auflagefläche, Klemmung, Messgeschwindigkeit und Probenplanlage sind maßgeblich für die Wiederholbarkeit der Messwerte.

Anwendung der Ergebnisse mechanischer Belastungstests

Die Ergebnisse aus den Tests fließen in die Gestaltung und Auswahl von Wellpappen für verschiedene Anwendungen ein. Beispielsweise kann bei Verpackungen, die empfindliche oder schwere Waren schützen sollen, ein höherer Wert bei der Druckfestigkeit und Durchstoßfestigkeit erforderlich sein. Auf der anderen Seite könnten für leichte Waren mit geringem Risiko eines mechanischen Schadens weniger belastbare, aber kostengünstigere Wellpappen ausreichen. Zusätzlich legen Konstrukteurinnen und Konstrukteure Sicherheitsfaktoren fest, um Variationen in Klima, Lagerdauer und Transportprofilen abzudecken. In der Praxis werden Testdaten mit Logistikszenarien (Stapelhöhen, Palettenmuster, Kommissionierhäufigkeit) abgeglichen, um Tragfähigkeit, Schutzwirkung und Gewicht sinnvoll auszubalancieren. Ergänzend unterstützen Simulationsansätze (z. B. vereinfachte analytische Modelle für Kantenstauch und Stapeldruck) die Vorauswahl; Validierungen durch Musterbau und Serienbegleitprüfungen sichern die Übertragbarkeit auf reale Verpackungsprozesse.

Für eine belastbare Auslegung sind exakte Maße, Toleranzen und die Orientierung der Wellen ebenso relevant. Weiterführende Informationen zu präzise Abmessungen in der Verpackungsentwicklung unterstützen die Übertragung von Kennwerten in konkrete Konstruktionen. Ebenso wichtig sind definierte Prüfroutinen in der Wareneingangskontrolle, um Materialschwankungen zu erkennen und die Prozessfähigkeit (z. B. Cpk) abzusichern.

Von der Einzelkennzahl zur Systembetrachtung

• Übertragung: ECT-Werte werden über empirische Ansätze mit BCT und Stapeltragfähigkeit in Verbindung gebracht. Eine Plausibilisierung erfolgt über Bauteiltests an seriennahen Mustern, um Skaleneffekte und Rilllinien-Einflüsse zu berücksichtigen.
• Schnittstellen: Ergebnisse aus Stoß- und Vibrationsprüfungen werden mit Polster- und Fixierkonzepten kombiniert, um Gesamtwirkungen zu bewerten. Das Zusammenspiel von Innenausstattung, Verschlussart und Wellpappenqualität ist für den Transportschutz maßgeblich.
• Qualitätssteuerung: Stichprobenpläne und AQL-Kriterien definieren, wie oft und in welcher Tiefe Prüfungen entlang der Serie erfolgen. Trendanalysen und Regelkarten unterstützen die frühzeitige Abweichungserkennung.

Vor- und Nachteile von mechanischen Belastungstests

Mechanische Belastungstests bieten wertvolle Informationen über die Belastungsgrenzen und das Verhalten von Wellpappe unter verschiedenen Bedingungen. Sie ermöglichen Herstellern und Nutzern, fundierte Entscheidungen über die am besten geeignete Wellpappe für ihre spezifischen Bedürfnisse zu treffen. Ein möglicher Nachteil dieser Tests ist jedoch der Aufwand in Bezug auf Zeit und Kosten. Außerdem können sie, insbesondere bei Stoßfestigkeitstests, zum Ausschuss von Wellpappe führen. Trotzdem sind die Vorteile der Qualitätssicherung und optimierten Produktwahl meist überzeugend. Durch zielgerichtete Versuchspläne, die Nutzung repräsentativer Stichproben und die Kombination aus Labor- und Feldtests lässt sich der Aufwand effizient steuern und die Aussagekraft erhöhen.

• Vorteile: Objektive Kennzahlen, Vergleichbarkeit über Normen, Reduktion von Transportschäden, datenbasierte Konstruktion, dokumentierte Nachvollziehbarkeit. Zudem ermöglichen sie die kontinuierliche Verbesserung durch Kennzahlenbildung und Benchmarking.
• Nachteile: Zerstörende Prüfungen erzeugen Ausschuss; Laborbedingungen bilden reale Umgebungen nur bedingt ab; zusätzliche Prüfzeit im Entwicklungsprozess. Falsche Probenvorbereitung oder Abweichungen vom Normklima können die Ergebnisse verfälschen.
• Abmilderung: Praxisnahe Prüfprofile, vorausschauende Versuchspläne und die Kombination von Labor- mit Feldtests erhöhen die Aussagekraft bei vertretbarem Aufwand. Digitale Datenerfassung und standardisierte Berichte verbessern die Vergleichbarkeit über Standorte hinweg.

Prüfbedingungen, Auswertung und typische Fehlerquellen

Sorgfältige Probenvorbereitung (Schnittkanten, Ausrichtung zur Welle), standardisierte Konditionierung und eine ausreichende Stichprobengröße sind entscheidend für belastbare Aussagen. Bei der Auswertung werden Mittelwerte, Standardabweichungen und Konfidenzintervalle betrachtet, um Schwankungen zu erfassen. Häufige Fehlerquellen sind unzureichend konditionierte Proben, falsche Prüfrichtung, beschädigte Probenkanten oder eine nicht dokumentierte Klimaschwankung während der Messung. Zusätzlich sind Messgeschwindigkeit, Auflagerbedingungen und Plattenparallelität zu prüfen; bei Abweichungen drohen systematische Messfehler. Eine nachvollziehbare Dokumentation von Chargen, Maschinenparametern und Kalibrierzuständen ist Grundvoraussetzung für die Vergleichbarkeit.

Beispielszenarien aus der Praxis

• Schwere Güter mit punktuellen Lasten: Erhöhte Durchstoß- und Kantenstauchwerte, ggf. mehrwellige Aufbauten und robuste Rillungen. Ergänzend sind verstärkte Kanten- und Flächenzonen sowie angepasste Palettenmuster sinnvoll.
• Leichte, volumenstabile Güter: Fokus auf optimiertes Verhältnis aus BCT zu Eigengewicht für effizientes Materialdesign. Gewichtsreduktion wird durch gezielte Auswahl von Wellenprofilen und Linerqualitäten unterstützt.
• Feuchtesensible Lieferketten: Berücksichtigung klimabedingter Reduktion der Festigkeit und Anpassung der Sicherheitsfaktoren. Klimazyklusprüfungen und geeignete Innenausstattungen stabilisieren die Leistung.
• Hohe Umschlaghäufigkeit: Kombination aus Vibrations- und Sturzprüfungen zur Bewertung von Ermüdung und Kantenabrieb. Reibwert-Optimierung reduziert Schlupf und stabilisiert Stapel in der Intralogistik.
• E-Commerce und Mehrwegkreisläufe: Wiederholte Öffnungs- und Schließvorgänge sowie Rücksendungen erfordern belastbare Rilllinien und Klappenbereiche; Dauerbelastungsprüfungen zeigen Schwachstellen im System.
• Gefährdungsarme, aber formkritische Güter: Fokus auf Biegesteifigkeit und Dimensionsstabilität, um Verformungen zu minimieren und die Maßhaltigkeit bei automatisierter Konfektionierung sicherzustellen.

Zusammenfassung:

• Mechanische Belastungstests sind zentrale Prüfmethoden zur Bestimmung der Qualität und Stabilität von Wellpappe-Verpackungen.
• In diesen Tests wird die Tragfähigkeit, Flexibilität und Abriebfestigkeit der Verpackungsmaterialien unter verschiedenen Bedingungen überprüft.
• Diese Art von Test hilft Unternehmen, die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit ihrer Produkte während des gesamten Logistikprozesses zu gewährleisten.
• Kennwerte wie ECT, BCT, FCT und Durchstoß bilden die Basis für Konstruktion, Qualitätssicherung und Risikoabschätzung.
• Normgerechte Prüfbedingungen und eine sorgfältige Auswertung sind Voraussetzung für übertragbare, praxisnahe Ergebnisse.
• Die Verknüpfung von Einzelkennwerten mit systemischen Betrachtungen (Verpackung, Innenausstattung, Logistik) ermöglicht eine zielgerichtete, materialsparende Auslegung.
• Konsequente Dokumentation, Klimakontrolle und Prüfmittelüberwachung sichern Vergleichbarkeit und unterstützen die kontinuierliche Verbesserung in Entwicklung und Serie.