Digitale Plattform für das produktionsnahe Design von nachhaltigen Leichtbau-Verbundmaterialien auf Basis von Holzfasern (DiPl-HFC)

Abstract

Die papier- und kartonverarbeitende Industrie arbeitet nach wie vor überwiegend auf Erfahrungs- und Trial-and-Error-Basis, während vergleichbare Leichtbaumaterialien bereits umfassend digital simuliert werden. Für Papier- und Kartonverbundstoffe fehlt bislang ein integrierter Ansatz, der die stark variierenden Fasereigenschaften und deren Einfluss auf das Umformverhalten berücksichtigt. Zur Sicherung der Marktposition deutscher Unternehmen ist ein signifikanter Innovationssprung nötig, der die Ressourceneffizienz und das Leichtbaupotenzial von Papier und Karton signifikant erhöht. Das Projekt zielt darauf ab, mikrostrukturelle Fluktuationen sowie die Rezyklierbarkeit in simulationsgestützte Material- und Prozessmodelle zu integrieren, um CO₂‑Emissionen zu reduzieren und die Wettbewerbsfähigkeit zu stärken. Es werden neuartige Messverfahren zur Charakterisierung der Mikro- und Makrostruktur von Papier- und Kartonverbundmaterialien sowie mehrskalige Simulationsmodelle entwickelt, die diese Daten digital in die Prozesskette einbinden. Am Projektende steht ein Simulations- und Design-Framework zur Verfügung, das die Materialausnutzung erhöht, den Recyclinggrad steigert und die Prozesssteuerung für realistische Umformprozesse verifiziert hat. Die gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen eine nachhaltige Steigerung der Produktqualität bei gleichzeitig reduziertem Material- und Energieverbrauch und tragen damit entscheidend zu CO₂‑Einsparungen bei. Über die Verpackungsindustrie hinaus lassen sich die Verfahren auf andere Sektoren übertragen, wodurch neue, umweltfreundliche Leichtbaulösungen aus nachwachsenden Rohstoffen realisierbar werden. The paper and paperboard processing industry continues to operate primarily based on experience and trial and error, while comparable lightweight materials are already being extensively simulated digitally. To date, there has been no integrated approach for paper and paperboard composites that considers the widely varying fiber properties and their influence on forming behavior. To secure the market position of German companies, a significant leap in innovation is needed to substantially improve the resource efficiency and lightweight construction potential of paper and paperboard. The project aims to integrate microstructural fluctuations and recyclability into simulation-based material and process models to reduce CO₂ emissions and strengthen competitiveness. Novel measurement methods are being developed to characterize the micro- and macrostructure of paper and paperboard composite materials, along with multiscale simulation models that integrate this data digitally into the process chain. By the end of the project, a framework for simulation and design will be available that improves material utilization, increases the recycling rate, and has verified process control for realistic forming processes. The findings enable a sustainable improvement in product quality while reducing material and energy consumption, thereby making a significant contribution to CO₂ savings. Beyond the packaging industry, these processes can be applied to other sectors, making it possible to develop new, environmentally friendly lightweight construction solutions using renewable raw materials.