Stapelkräfte

Im dynamischen Umfeld der Verpackungsindustrie kommt dem Verständnis und der Kontrolle von Stapelkräften eine zentrale Bedeutung zu. Die genaue Kenntnis dieser mechanischen und zeitabhängigen Eigenschaften ist insbesondere im Sektor der Wellpappe relevant, da sie sich direkt auf Langlebigkeit, Lagerfähigkeit, Transportsicherheit und letztlich auf die Wirtschaftlichkeit der Verpackungslösungen auswirken. Stapelkräfte bestimmen Lastpfade in der Verpackung, beeinflussen die Stabilitätsreserven der Seitenwände und wirken auf Kanten, Flächen und Verschlüsse ein, wodurch die Auslegung von Kartonqualitäten und Konstruktionen maßgeblich geprägt wird.

Stapelbelastungen treten entlang der gesamten Lieferkette auf: beim Palettieren, während des Transports, in der Kommissionierung und bei der Langzeitlagerung. Sie wirken nicht nur vertikal, sondern werden durch Umgebungsbedingungen (z. B. Luftfeuchte, Temperatur) und durch die Zeitdauer (Kriechverhalten, Relaxation) maßgeblich beeinflusst. Eine systematische Betrachtung der Belastungsfälle, Sicherheitsreserven und Werkstoffkennwerte ist daher grundlegend, um Schäden am Packgut vorzubeugen. Ergänzend sind Lastverteilung, Auflageverhältnisse (Voll- vs. Teilauflage) und die Interaktion mit Paletten, Zwischenlagen und Umreifungen zu berücksichtigen.

Definition: Was versteht man unter Stapelkräften?

Unter Stapelkräften versteht man die Gesamtkraft, die sich aus dem Gewicht von aufeinander gestapelten Verpackungseinheiten, meist Kisten oder Kartons, bildet. Die Gesamtkraft ist proportional zur Masse der gestapelten Objekte, der Stapelhöhe und der Gravitationsbeschleunigung. Sie wirkt als vertikale Drucklast und führt über die Kontaktflächen zu Flächenpressungen; Versätze und ungleichmäßige Auflagen können lokale Spitzenlasten erzeugen. Diese Kräfte können die Stabilität des Verpackungsmaterials maßgeblich beeinflussen, insbesondere bei Wellpappe, da diese eine anisotrope, poröse Struktur aufweist und gegenüber Druckbelastungen sowie Knick- und Beulphänomenen empfindlich reagieren kann.

Im engeren Sinne beschreibt die Stapelkraft die vertikale Drucklast (Topload), die auf ein einzelnes Packstück einwirkt. Zu unterscheiden sind:

• Statische Stapelkräfte (z. B. ruhende Lagerung über Wochen oder Monate)
• Dynamische Stapelkräfte (z. B. Vibrationen, Brems- und Beschleunigungsvorgänge im Transport)

Beide Anteile wirken zusammen und beeinflussen die Tragfähigkeit von Kartonagen, Faltschachteln und Umverpackungen unterschiedlich. Statische Lasten führen überwiegend zu Zeitstandeffekten (Kriechen, Festigkeitsabfall), während dynamische Lasten Stoß- und Schwingbeanspruchungen verursachen, die zu kurzfristigen Spitzenlasten, Resonanzphänomenen und lokalen Verformungen führen können.

Zu den relevanten Material- und Konstruktionsaspekten zählen Wellensorte (z. B. B-, C-, E-Welle), Flächengewichte, Klebefestigkeit, Faserqualität sowie die Geometrie und die Stützlängen der Seitenwände. Auch Öffnungen, Handgriffe, Perforationen und Stanzkonturen verändern die lokale Steifigkeit und damit die Belastbarkeit. Die Faserlaufrichtung (MD/CD), die Ausrichtung der Welle, die Qualität der Verklebung der Deckschichten sowie die Beschichtung (z. B. Feuchteschutz) beeinflussen die Kantenstauchfestigkeit und somit die zulässige Topload wesentlich.

Anwendung und Bedeutung der Stapelkräfte in der Praxis

Eine realitätsnahe Einschätzung der Stapelkräfte ist in der Praxis essenziell, um das Risiko von Beschädigungen beim Stapeln und Lagern von Waren zu minimieren. Verpackungskonstrukteure müssen das Verhältnis der Kräfte, die auf die Packstücke wirken, sowie die Eigenschaften der Wellpappe verstehen, um Verpackungen zu entwickeln, die eine optimale Leistung unter Belastung gewährleisten können. Dazu gehören die Definition der zulässigen Stapelhöhen, die Prüfung unter klimatisierten Bedingungen und das Ermitteln geeigneter Sicherheitsfaktoren für unterschiedliche Einsatzszenarien.

In der Anwendung werden Stapelkräfte insbesondere bei folgenden Aufgabenstellungen berücksichtigt:

• Auslegung der Kartonqualität in Abhängigkeit von Lagenzahl, Packstückmasse und Lagerdauer
• Festlegung der Palettiermuster (Säulenstapelung vs. Verbundstapelung) und der Zwischenlagen
• Bewertung der Umgebungsbedingungen wie Luftfeuchtigkeit (Klimaklasse) und Temperatur
• Berücksichtigung von Transportprofilen mit Vibrationen und Stößen
• Dimensionierung von Umreifung, Stretchhaube und Abdeckplatte zur Lastverteilung
• Definition der zulässigen Stapelhöhe und der maximalen Last je Lage inklusive Toleranzen
• Einsatz von Kantenschutzwinkeln, rutschhemmenden Zwischenlagen und formschlüssigen Lagenbildern

Ein Praxisbeispiel: Wird ein Karton in der untersten Lage über längere Zeit durch mehrere darüberliegende Lagen belastet, reduziert Feuchteaufnahme die Druckfestigkeit des Materials. Ohne angemessenen Sicherheitsfaktor kann es zu Stauchung, Kantenknicken oder Deckel-Einbeulung kommen. Zusätzlich verstärken Teilauflagen, Palettenunebenheiten oder Versätze die lokale Belastung; Abdeckplatten mit ausreichender Biegesteifigkeit und gleichmäßiger Lastverteilung minimieren das Risiko.

Einflussgrößen im Überblick

Die resultierende Stapellast hängt maßgeblich ab von:

• Gewicht und Anzahl der Lagen und Packstücke
• Auflagefläche und Lastverteilung (durch Deckel, Zwischenlagen, Voll- vs. Teilauflage)
• Materialkennwerten (z. B. ECT, BCT) und der Konstruktion
• Klimaeinflüssen (relative Feuchte, Temperatur) und der Expositionsdauer (Kriechverhalten)
• Palettiermuster sowie Reibung und Formschluss zwischen den Packstücken
• Dynamischen Effekten aus Transport und Handling
• Faserlaufrichtung und Wellenorientierung (Ausrichtung der größten Tragfähigkeit in Stapelrichtung)
• Qualität der Fügestellen (Klebung/Heftung, Boden- und Deckelkonstruktion)

Diese Faktoren sind bei der Auslegung in Kombination zu bewerten.

Messung und Berechnung der Stapelkräfte

Die Messung und Berechnung der Stapelkräfte erfolgt über spezialisierte Prüfverfahren. Sie sind darauf ausgelegt, ein möglichst genaues Bild der realen Kräfte zu liefern, die auf eine Verpackung einwirken, wenn sie mit anderen Verpackungseinheiten gestapelt wird. Dabei wird unter anderem der Druckwiderstand der Wellpappe getestet. Ergänzend werden Konditionierungen (z. B. 23 °C/50 % r. F. oder 20 °C/65 % r. F.) durchgeführt, um definierte Vergleichsbedingungen sicherzustellen.

Relevante Prüfverfahren sind unter anderem:

• ECT (Edge Crush Test) zur Bestimmung der Kantenstauchfestigkeit des Wellpappkartons
• BCT (Box Compression Test) zur Ermittlung der maximalen Drucklast eines kompletten Kartons
• SCT/FCT für Kurz- bzw. Flachstauchprüfungen der Papiere
• Klimaprüfungen zur Bewertung der Festigkeit in definierten Feuchte-/Temperaturbedingungen
• Vibrations- und Stoßprüfungen (Sinus/Random, Falltests) zur Bewertung dynamischer Einflüsse auf die Stapelstabilität

Zur Auslegung werden aus den Materialkennwerten und den geplanten Einsatzbedingungen die zu erwartenden Stapellasten ermittelt und mit der Tragfähigkeit (z. B. BCT) verglichen. Häufig wird mit einem Sicherheitsfaktor gearbeitet, um Streuungen in Material und Einsatz zu berücksichtigen. Für die Vorauslegung wird oft eine vereinfachte Beziehung zwischen ECT und BCT herangezogen (z. B. McKee-Ansatz), die zusätzlich durch Reduktionsfaktoren für Klima, Dauer, Palettiermuster und Öffnungen korrigiert wird.

Berechnungsansätze und Sicherheitsfaktoren

Für Überschlagsrechnungen wird die zulässige Topload häufig aus dem BCT-Wert unter Berücksichtigung von Reduktionsfaktoren (Klima, Dauer, Palettiermuster, Öffnungen) abgeleitet. Langzeitbelastungen erfordern zusätzliche Abminderungen aufgrund von Kriechverhalten. In der Praxis hat es sich bewährt, Tragfähigkeit und zu erwartende Belastung so zu dimensionieren, dass auch ungünstige Lastfälle (z. B. Teilauflage, Versatz, Biegemomente) abgedeckt werden. Typische Sicherheitsfaktoren reichen – je nach Unsicherheiten in Transport, Lagerdauer und Klima – von konservativen bis moderaten Werten; sie sollten anhand von Prüfungen verifiziert werden und für definierte Szenarien dokumentiert sein.

Normative Rahmenbedingungen

Je nach Branche kommen spezifische Prüfpläne und Normen zum Einsatz. Wichtig ist die Definition reproduzierbarer Bedingungen (Klimatisierung, Probengröße, Belastungsgeschwindigkeit), damit Prüfergebnisse belastbar und zwischen Lieferanten und Anwendern vergleichbar sind. Üblich sind normierte Konditionierungen, definierte Prüfgeschwindigkeiten im Druckversuch und standardisierte Vibrationsprofile. Zudem können branchenspezifische Prüfprogramme für Transportprofile, Lagerzeiten und Feuchteklassen herangezogen werden, um realitätsnahe Einsatzfälle abzubilden.

Vor- und Nachteile der Stapelkräfte

Die Anwendung von Stapelkräften hat sowohl Vor- als auch Nachteile. Ein Vorteil ist die Optimierung der Lagerfläche durch Stapelung der Packstücke. Ein weiterer Nutzen liegt in der Erhöhung der Transporteffizienz, da mit einem gut geplanten Stapelmuster mehr Waren auf derselben Fläche befördert werden können. Nachteilig können die Auswirkungen auf die Struktur der Wellpappe sein, wenn die Stapelkräfte die Druckfestigkeit des Materials übersteigen. Dies kann zu Beschädigungen führen, welche die Sicherheit des Inhalts gefährden und die ästhetische Präsentation beeinträchtigen. Zudem können bei unzureichender Lastverteilung lokale Einbeulungen, Deckeldeformationen und Kantenschäden auftreten, die das Wiederverwendungsverhalten und die Prozesssicherheit beeinträchtigen.

• Vorteile: bessere Raumausnutzung, höhere Packdichte, stabilere Paletteneinheiten bei geeigneter Lagenbildung
• Nachteile: Risiko von Stauchungen, Kantenknicken, Deckeldeformationen, insbesondere bei hoher Luftfeuchte oder langen Lagerzeiten
• Konsequenzen bei Fehlplanung: Produktschäden, Reklamationen, erhöhte Kosten durch Nacharbeit und Ausschuss
• Weitere Aspekte: potenziell höherer Materialeinsatz bei sehr hohen Stapellasten, notwendige Qualitätskontrollen und laufende Überprüfung der Klimaklassen

Optimierung in der Praxis

Empfehlenswert sind Säulenstapelung für maximale Tragfähigkeit (geringe Versätze), ausreichend steife Zwischenlagen, Abdeckplatten zur Lastverteilung und eine sachgerechte Umreifung oder Stretchfixierung. Die Palettenwahl und das Palettiermuster haben direkten Einfluss auf die Lastpfade und damit auf die zulässige Stapelhöhe. Dabei hilft es, Belastungsgrenzen auf der Europalette richtig berücksichtigen, um punktuelle Überlastungen zu vermeiden. Zusätzlich sollten Faserlaufrichtung und Wellenausrichtung so gewählt werden, dass die Kantenstauchfestigkeit in Stapelrichtung maximiert wird; Kantenschutzwinkel, rutschhemmende Lagen und formschlüssige Lagenbilder stabilisieren die Einheit weiter. Regelmäßige Stichprobenprüfungen (BCT/ECT) unter realistischen Klimabedingungen sichern die Prozessfähigkeit ab.

Zusätzliche Praxisleitfäden

Für wiederkehrende Verpackungsaufgaben empfiehlt sich ein abgestufter Leitfaden: Einsatzbedingungen definieren (Transportprofil, Lagerdauer, Klima), Materialkennwerte erfassen (ECT, BCT, Flächengewichte), Reduktionsfaktoren festlegen (Feuchte, Dauer, Palettiermuster), Berechnung der Stapellast durchführen, Sicherheitsfaktoren anwenden, Prototypen prüfen und das Ergebnis dokumentieren. Diese Vorgehensweise erhöht die Reproduzierbarkeit und erleichtert die Kommunikation zwischen Entwicklung, Qualitätssicherung und Logistik.

Zusammenfassung:

• Stapelkräfte bezeichnen die Belastbarkeit von Verpackungsmaterialien wie Wellpappe, wenn sie übereinander gestapelt und gelagert werden.
• Die Ermittlung dieser Kräfte ist entscheidend für die Sicherheit und Stabilität von sorgfältig gestapelten Verpackungseinheiten während des Transports und der Lagerung.
• Wellpappe als Verpackungsmaterial muss Schutz, Stabilität und Widerstandsfähigkeit gegenüber Stapelkräften bieten, um die Gewährleistung der Produktsicherheit zu sichern.
• Relevante Prüfgrößen sind insbesondere ECT und BCT; Klimabedingungen und Lagerdauer sind bei der Auslegung zu berücksichtigen.
• Durch geeignete Lagenbildung, Zwischenlagen und Lastverteilung lässt sich die zulässige Stapelhöhe erhöhen, ohne das Packgut zu gefährden.
• Ein angemessener Sicherheitsfaktor und die Beachtung von Feuchte- und Temperatureinflüssen minimieren das Risiko von Verformungen und Beschädigungen.
• Die Kombination aus Berechnung (z. B. vereinfachte BCT-Abschätzung), Klimaprüfung und praxisnahen Transporttests liefert belastbare Aussagen zur Stapelstabilität.
• Dokumentierte Prüfpläne und reproduzierbare Bedingungen schaffen Transparenz und Vergleichbarkeit über die gesamte Lieferkette.