Multi-scale modeling of paper
- Reference number
- FID17-0006
- Start and end dates
- 190101-231231
- Amount granted
- 2 500 000 SEK
- Administrative organization
- Fraunhofer-Chalmers Centre
- Research area
- Computational Sciences and Applied Mathematics
Summary
To strengthen their market position, it is absolutely necessary for companies in the Swedish paper and packaging industry to have an innovative, fast and cost-effective product development. In the Innovative Simulation of Paper (ISOP) project a novel virtual computer-based paper model has been developed that makes it possible to analyze and optimize the processing of the paper as well as quality with respect to paper composition. An important extension is to develop novel methods and algorithms that are able to predict the mechanical properties of paper on the macro-scale based on input from detailed paper forming simulations on the microscale. The goal of this research institute PhD student proposal is to perform a rigorous mathematical analysis of the problem, develop and implement a state-of-the-art multi-scale method, and to validate the results with experiments on single ply and multi-ply paperboard material generated at Packaging GreenHouse. An existing simulation framework together with a multi-scale method, which is able to handle complex network configurations, gives unique possibilities to take on this challenging problem. If successful there is potential to significantly reduce product development time and cost, and to improve the product quality, and thereby increase the competitiveness of recyclable forest-based products to the benefit of our Swedish industry, and not the least, our environment.
Popular science description
Skogsindustrin spelar en stor roll för den svenska ekonomin och står för mellan 9 och 12 procent av vår export, försäljning, och förädlingsvärde, samt antal anställda. Vätske- och livsmedels-kartong är ett område där Sverige är världsledande tack vare Tetra Pak. Marknaden har haft en spektakulär tillväxt och trenden förväntas bara öka de kommande åren. Även om plastförpackningar fortfarande är en konkurrent så har kartongmaterial avgörande fördelar avseende miljöpåverkan och återvinningsbarhet. För att stärka sin konkurrenskraft är det helt nödvändigt för dom svenska företagen som tillverkar papperskartong, och deras underleverantörer, att ha en innovativ, snabb och kostnadseffektiv produktutveckling. Detta kräver en djup förståelse för det komplexa sambandet mellan skogsråvara, pappersmaskin och produktens egenskaper. En sådan förståelse kan inte enbart baseras på erfarenhet och testning. Produktegenskaperna beror på kartongens mikrostruktur, som kan beskrivas som ett nätverk av sammanlänkade fibrer. Stora framsteg kan därför åstadkommas om matematiska metoder och algoritmer utvecklas som gör det möjligt att i datorn simulera, analysera och optimera, både papperstillverkningen och produktens egenskaper. Institutsdoktorandprojektet fokuserar på simulering av de mekaniska egenskaperna hos kartongmaterialet. Vad händer till exempel med fibrer och bindningar i nätverket när en kartong böjs? Det är en stor utmaning att simulera bland annat på grund av den stora skillnaden i skala mellan den enskilda fibern och kartongen, så kallade flerskalemetoder behöver därför användas. Målet med projektet är att göra en matematisk analys av problemet, utveckla och implementera nya metoder och algoritmer, samt att validera simuleringsresultaten med experiment på verkliga kartongmaterial. Algoritmerna kommer att förpackas i mjukvara där processingenjören kan simulera hur till exempel olika pappersmassa eller inställningar i pappersmaskinen påverkar kartongens egenskaper. Målet är ambitiöst men ligger väl i linje med den ökade digitaliseringen inom pappers och förpackningsindustrin, och det finns en unik plattform att utgå ifrån. Ett lyckat projekt bidrar till att minska produktutvecklingstid och kostnader, och förbättra produktkvaliteten. Därigenom ökar konkurrenskraften för produkter baserade på skogsråvara till nytta för Sverige och inte minst vår gemensamma miljö.