Zugkraftprüfung

Die Zugkraftprüfung spielt im Bereich der Wellpappe-Verpackungen eine zentrale Rolle. Sie ermöglicht es, die Qualität und Stabilität des Materials präzise zu bestimmen, was für die Herstellung verlässlicher, robuster und funktionsgerechter Verpackungen unverzichtbar ist. Im Produktionsalltag liefert der Zugversuch belastbare Daten für Materialauswahl, Prozesslenkung und die Auslegung von Verpackungslösungen, etwa im Hinblick auf Transportsicherheit, Stapelstabilität und Effizienz in der Weiterverarbeitung.

Definition: Was versteht man unter Zugkraftprüfung?

Die Zugkraftprüfung ist ein standardisiertes Verfahren zur Bestimmung der Qualität und Stabilität von Materialien wie Wellpappe und deren Rohpapieren. Gemessen wird die maximale Kraft, die ein Material aufnehmen kann, bevor es reißt oder sich dauerhaft verformt. Das Verfahren ist auch als Zugfestigkeitsprüfung bekannt und wird in der Regel als uniaxialer Zugversuch mit einem speziellen Gerät, dem Zugkraftprüfgerät, durchgeführt. Typischerweise wird die Kraft auf die Probenbreite bezogen, um vergleichbare Kennwerte zu erhalten.

Im technischen Kontext umfasst die Zugkraftprüfung neben der reinen Zugfestigkeit häufig weitere Kennwerte wie Dehnung bei Bruch, Energieaufnahme im Zugversuch (TEA) und Steifigkeit. Diese Kennwerte geben Aufschluss über Belastbarkeit, Duktilität und das Verformungsverhalten von Papier, Karton und Wellpappen-Komponenten in Längs- (MD) und Quer- bzw. Querrichtung (CD). Ergänzend kann der Elastizitätsbereich (Anfangsmodul) betrachtet werden, um das Rückstell- und Federungsverhalten im elastischen Bereich besser zu charakterisieren.

Das Verfahren der Zugkraftprüfung

Jede Zugkraftprüfung beginnt mit der Vorbereitung der Probe. Diese wird auf eine bestimmte Größe zugeschnitten und dann in das Prüfgerät eingespannt. Die Maschine zieht anschließend mit definierter Geschwindigkeit an den Enden der Probe, bis diese reißt. Die während des Tests gemessene maximale Kraft wird als Zugfestigkeit bezeichnet. Insbesondere bei Wellpappe und deren Deck- bzw. Wellenpapieren ist die Zugfestigkeit in Längs- und Querrichtung relevant, da sie Informationen über die Qualität des Materials, seine Richtungsabhängigkeit und die Eignung für bestimmte Verpackungsanwendungen liefert.

Für reproduzierbare Ergebnisse sind die Konditionierung der Proben, die definierte Spannlänge, die Klemmkraft sowie die konstante Dehnungsgeschwindigkeit normativ festgelegt. Dazu gehören eine Klimatisierung vor der Prüfung (üblicherweise 23 °C und 50 % r. F.) und klar definierte Probengeometrien. Vertiefende Erläuterungen bieten weitere Informationen zu genormten Abmessungen der Proben. Ergänzend sind eine saubere Probenherstellung (glatte Kanten, rechtwinklige Zuschnitte) sowie die eindeutige Kennzeichnung von MD/CD entscheidend, um systematische Abweichungen zu vermeiden.

Typischer Prüfablauf im Überblick

• Probenvorbereitung: Zuschnitt von Streifen in MD und CD gemäß Normvorgaben, Vermeidung von Beschädigungen an Kanten und Oberflächen; Kennzeichnung der Faserrichtung.
• Konditionierung: Lagerung der Proben im Normklima bis zum Feuchtegleichgewicht; Vermeidung von Zugluft und lokalen Temperaturspitzen.
• Einspannen: Paralleles, rutschfreies Einspannen in geriffelten oder gummierten Klemmbacken, ohne die Welle zu quetschen (bei Wellpappen-Streifen); Zentrierung der Probe in der Lastebene.
• Prüfung: Zugversuch mit definierter Dehnungsgeschwindigkeit; kontinuierliche Aufzeichnung von Kraft und Verlängerung; optionales Setzen eines Vorzugs zur Stabilisierung des Nullpunkts.
• Auswertung: Ermittlung von Zugfestigkeit, Dehnung bei Bruch, Energieaufnahme (TEA) und ggf. Steifigkeitskennwerten aus der Spannungs-Dehnungs-Kurve; Plausibilitätsprüfung der Kurvenverläufe.

Messgeräte, Kalibrierung und Datenqualität

Die Zuverlässigkeit der Messergebnisse hängt wesentlich von der Gerätetechnik und ihrer regelmäßigen Kalibrierung ab. Zentrale Komponenten sind ein rückführbar kalibrierter Kraftaufnehmer, ein präziser Wegaufnehmer, reproduzierbare Spannvorrichtungen sowie eine Prüfsoftware mit angemessener Abtastrate. Kalibrierintervalle, Funktionsprüfungen (z. B. über Referenzmaterialien) und dokumentierte Wartungen sichern die Vergleichbarkeit über Zeit, Chargen und Standorte hinweg.

Relevante Kennwerte und deren Bedeutung

• Zugfestigkeit: Maximale Kraft bezogen auf die Probenbreite; wichtig für die Bewertung der Belastbarkeit in MD/CD und als Basis für material- und prozessseitige Vergleiche.
• Dehnung bei Bruch: Prozentuale Verlängerung bis zum Versagen; Indikator für Duktilität, Stoßtoleranz und das Verhalten bei dynamischen Beanspruchungen.
• Tensile Energy Absorption (TEA): Fläche unter der Kraft-Dehnung-Kurve; beschreibt die Energie, die das Material bis zum Bruch aufnehmen kann und damit dessen Widerstandsfähigkeit gegen plötzliche Belastungen.
• Steifigkeit/Elastizitätsbereich: Ableitbar aus der Anfangssteigung der Kurve; relevant für das Rückstell- und Federungsverhalten sowie die Verarbeitbarkeit in Abpacklinien.
• Bruchbild und Kurvencharakteristik: Hinweise auf Materialinhomogenitäten, Kantenfehler, lokale Schwächungen oder Schlupf in den Klemmbacken.

Einflussfaktoren auf Messergebnisse

• Feuchte und Temperatur: Erhöhte Luftfeuchte reduziert typischerweise Zugfestigkeit und steigert Dehnung; normgerechte Klimatisierung ist entscheidend, inklusive stabiler Lagerbedingungen vor der Prüfung.
• Faserrichtung: MD-Werte unterscheiden sich systematisch von CD-Werten; die Richtungsabhängigkeit muss dokumentiert und bei Spezifikationen berücksichtigt werden.
• Rohpapierqualität: Faserlänge, Leimung, Recyclinganteil und Grammatur beeinflussen das Zugverhalten; Zuschlagstoffe und Herstellparameter wirken auf Steifigkeit und Energieaufnahme.
• Prüfparameter: Spannlänge, Klemmkraft, Prüfgeschwindigkeit, Probenbreite und Datenrate wirken direkt auf die Ergebnisse; Abweichungen sind in der Dokumentation festzuhalten.
• Probenfehler: Ausgefranste Kanten, Kerben, ungleichmäßige Breite oder Wellenquetschung führen zu verfälschten Ergebnissen; sorgfältige Vorbereitung minimiert diese Effekte.

Anwendung der Zugkraftprüfung in der Wellpappe-Industrie

Die Erkenntnisse aus Zugkraftprüfungen sind für die Wellpappe-Industrie von signifikanter Relevanz. Sie helfen, geeignete Materialien für spezifische Verpackungslösungen auszuwählen und die Stabilität entlang der Wertschöpfungskette abzusichern. Hochwertige Wellpappe, wie sie beispielsweise die WellStar-Packaging GmbH anbietet, zeichnet sich durch ausgewogene Zugfestigkeiten und Dehnungswerte aus, die die Basis für zuverlässige, stabile und belastbare Verpackungen bilden.

Praktische Einsatzfelder reichen vom Wareneingang (Rohpapierkontrolle) über die laufende Prozessüberwachung in der Wellpappenherstellung bis zur Produktentwicklung. Durch systematische Zugversuche lassen sich Materialschwankungen erkennen, Lieferantenqualitäten vergleichen und Sicherheitsreserven für nachgelagerte Belastungen (z. B. Kantenstauchwiderstand, Stapellasten) besser einschätzen. In der Entwicklung unterstützen Zugdaten die Balance zwischen Materialeffizienz (Grammatur), Verarbeitbarkeit und Performance im Einsatz.

• Qualitätssicherung: Verifizierung von Spezifikationen, Losfreigaben und Trendanalysen über Zeit.
• Materialvergleich: Auswahl geeigneter Rohpapiere für spezifische Beanspruchungsprofile und klimatische Bedingungen.
• Entwicklung: Optimierung von Rezepturen hinsichtlich Festigkeit-Dehnung-Balance, Ressourceneinsatz und Prozessfenstern.
• Fehleranalyse: Identifikation von Schwachstellen bei auffälligen Bruchbildern, lokalem Versagen oder abweichenden Kurvenverläufen.

Verknüpfung mit weiteren Prüfmethoden

Die Ergebnisse aus der Zugkraftprüfung ergänzen Prüfungen wie RCT/SCT (Ring-/Kurzsäulendruck), ECT (Kantenstauchwiderstand), FCT (Flächendruck) und BCT (Box Compression Test). Während der Zugversuch primär die papier- und richtungsabhängige Tragfähigkeit beschreibt, liefern Druck- und Stauchtests direkte Aussagen zur Kasten- und Stapelstabilität. In Kombination entsteht ein konsistentes Bild für die Auslegung und Validierung von Verpackungen unter realen Belastungen.

Vor- und Nachteile von Zugkraftprüfungen

Zugkraftprüfungen bieten zahlreiche Vorteile. Sie ermöglichen eine umfassende, reproduzierbare Beurteilung der Qualität und Stabilität von Wellpappe, was die Produktqualität und Funktionssicherheit direkt beeinflussen kann. Auf der anderen Seite kann das Verfahren zeitaufwendig sein und erfordert spezialisierte Ausrüstung sowie qualifiziertes Personal. Des Weiteren können die Ergebnisse durch Faktoren wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Probenpräparation beeinflusst werden; eine sorgfältige Standardisierung ist daher essenziell.

• Vorteile:
  • Objektive, quantifizierbare Kennwerte für Vergleich, Dokumentation und Freigabeentscheidungen.
  • Aussage zur Richtungsabhängigkeit (MD/CD), Energieaufnahme und Frühverhalten (Steifigkeit).
  • Basis für statistische Prozesskontrolle, Regelkarten und Normkonformität.
• Herausforderungen:
  • Empfindlichkeit gegenüber Klimaeinflüssen und Probenpräparation; konsequente Konditionierung ist erforderlich.
  • Erforderliche Gerätequalifizierung, regelmäßige Kalibrierung und Softwarevalidierung.
  • Begrenzte direkte Übertragbarkeit auf komplexe Lastkollektive; ergänzende Prüfungen (z. B. ECT, BCT) können sinnvoll sein.

Normen und Standards für Zugkraftprüfungen

Für die Durchführung von Zugkraftprüfungen existieren verschiedene Normen und Standards. Eine bekannte Norm ist beispielsweise die DIN EN ISO 1924-1. Sie definiert, wie Proben für die Zugkraftprüfung vorbereitet und getestet werden sollen, um vergleichbare Ergebnisse zu gewährleisten. Zahlreiche Materialprüfverfahren in der Industrie basieren auf dieser Norm, und es ist wichtig, dass Unternehmen diese Standards bei der Durchführung von Zugkraftprüfungen einhalten. Ergänzend regeln Normen zum Normklima die Konditionierung, was insbesondere für hygroskopische Faserstoffe bedeutsam ist.

• DIN EN ISO 1924-1/-2: Bestimmung von Zugfestigkeit, Dehnung und TEA unter definierten Bedingungen; Festlegung von Prüfgeschwindigkeit und Spannlänge.
• DIN EN ISO 187: Normklima zur Konditionierung von Papier, Karton und Pappe; Vorgaben für Temperatur und relative Luftfeuchte.
• TAPPI T 494: Alternative Prüfmethode, insbesondere im nordamerikanischen Raum verbreitet; vergleichbare Kennwerte bei abweichenden Details in der Durchführung.

Ergänzend gelten interne Werksnormen und Prüfpläne, die Prüfgeschwindigkeit, Probenanzahl je Richtung und Akzeptanzkriterien (z. B. Mittelwert, Standardabweichung, Cp/Cpk) festlegen, um die Vergleichbarkeit über Zeit und Chargen sicherzustellen. Eine transparente Dokumentation ermöglicht Rückverfolgbarkeit und unterstützt Audits.

Häufige Fehlerquellen und Troubleshooting

Abweichende Kurvenverläufe, ungewöhnliche Bruchbilder oder hohe Streuungen weisen auf methodische Ursachen hin. Typische Auslöser sind unzureichende Klimatisierung, Schlupf in Klemmbacken, nicht zentrierte Proben oder ungleichmäßige Probenbreiten. Abhilfe schaffen standardisierte Zuschnittwerkzeuge, regelmäßige Wartung der Spannvorrichtungen, Prüfvorlagen zur Zentrierung und die Kontrolle der Prüfgeschwindigkeit. Vergleichsmessungen mit Referenzpapieren dienen als zusätzliche Plausibilitätsprüfung.

Zusammenarbeit mit Experten für Zugkraftprüfungen

Die erfolgreich durchgeführte Zugkraftprüfung erfordert nicht nur das richtige Equipment, sondern auch Fachkenntnisse und Erfahrung. Daher ist es sinnvoll, bei der Durchführung von Zugkraftprüfungen mit Experten zusammenzuarbeiten. Es gibt Firmen, die sich auf die Durchführung von Materialprüfungen spezialisiert haben und ihre Dienstleistungen Unternehmen aus der Wellpappe-Industrie anbieten. Die enge Abstimmung zwischen Labor, Produktion und Entwicklung führt zu konsistenten Methoden und belastbaren Kennzahlen.

Externe Prüflabore unterstützen bei Methodenvalidierung, Geräteabgleich, Grenzwertdefinition und Ursachenanalysen. In Kombination mit internen QS-Routinen entsteht eine belastbare Datenbasis, die Entscheidungen in Beschaffung, Produktion und Entwicklung fundiert absichert. Standardisierte Prüfberichte mit Kurvenanhängen und statistischer Auswertung erleichtern den Vergleich über Standorte und Zeiträume.

Zusammenfassung:

• Die Zugkraftprüfung ist ein essentielles Verfahren zur Ermittlung von Qualitätsmerkmalen bei Materialien wie Wellpappe, besonders in Bezug auf ihre Festigkeit und Belastbarkeit.
• Diese Prüfung führt zu wertvollen Erkenntnissen für Unternehmen, die Verpackungen aus Wellpappe benötigen, da sie aufzeigt, wie hoch die Zugkraft des Materials ist, bevor es reißt oder bricht, und wie sich MD/CD unterscheiden.
• Mit Hilfe der Zugkraftprüfung können Hersteller von Verpackungen die beste Balance zwischen Haltbarkeit und Ressourceneinsatz finden, indem sie die Festigkeit, Dehnung und Energieaufnahme bewerten und so konsistente Qualitätsstandards gewährleisten.
• Normgerechte Probenvorbereitung, Klimatisierung und Auswertung (MD/CD) sind grundlegend, um vergleichbare und belastbare Ergebnisse zu erhalten; dokumentierte Kalibrierung erhöht die Datengüte.
• Neben Zugfestigkeit liefern Dehnung, TEA und Steifigkeitskennwerte zusätzliche Informationen zum Verformungs- und Energieaufnahmeverhalten; Bruchbilder ergänzen die Beurteilung.
• Die Ergebnisse sind ein zentrales Werkzeug für Qualitätssicherung, Materialvergleich, Prozessoptimierung und die Verknüpfung mit weiteren Prüfungen (z. B. ECT, BCT) in der Wellpappe-Industrie.