Micro-mechanical modeling to improve paperboard properties
- Reference number
- FID24-0050
- Project leader
- Edelvik, Fredrik
- Start and end dates
- 250801-300731
- Amount granted
- 3 250 000 SEK
- Administrative organization
- Fraunhofer-Chalmers Centre
- Research area
- Computational Sciences and Applied Mathematics
Summary
The paper and packaging industry is a key player in the transition toward sustainability through the enhancement and innovation of fiber-based materials. As forest resources are both limited and highly valued, the shift toward sustainable forestry increasingly requires utilizing all parts of trees and a variety of tree species. To deepen understanding of the micro-scale properties of fiber-based materials, detailed computer simulations are essential. In addition to widely used continuum modeling, micro-mechanical modeling is particularly valuable as it incorporates individual fibers and bonds, the fundamental components of these materials. This project aims to advance the micro-mechanical modeling approach to investigate the out-of-plane properties of fiber-based materials. It will examine various modeling aspects, including fracture, plasticity, non-linearity, and time dependence, focusing on both mathematical models and numerical methods. These novel models will simulate out-of-plane responses such as tension, compression, shearing, and creasing. Experimental data will validate the methods. Ultimately, this research will produce refined models and new capabilities for simulating the critical out-of-plane properties of paper and packaging materials. There will be excellent opportunities to publish the findings in high quality journals and also implement the results in industry through the cooperation with Tetra Pak.
Popular science description
Skogsindustrin är avgörande för Sveriges ekonomiska framgång, miljömål och globala konkurrenskraft. Den är en nyckelbransch som inte bara driver nationell tillväxt utan också bidrar till en hållbar framtid. Sverige är världsledande inom vätske- och livsmedelskartong, mycket tack vare innovationer från företag som Tetra Pak. Även om plastförpackningar fortsatt är en konkurrent, erbjuder kartongmaterial stora fördelar när det gäller miljöpåverkan och återvinningsbarhet. För att stärka sin konkurrenskraft måste svenska företag inom kartongtillverkning och deras underleverantörer satsa på en innovativ, snabb och kostnadseffektiv produktutveckling. Detta kräver en djup förståelse för det komplexa sambandet mellan skogsråvara, pappersmaskin och slutproduktens egenskaper. Denna förståelse kan inte enbart bygga på erfarenhet och testning. Kartongens egenskaper är beroende av dess mikrostruktur, som kan beskrivas som ett nätverk av sammanlänkade fibrer. Därför finns stora potential i utveckling av matematiska metoder och algoritmer som möjliggör simulering, analys och optimering av både papperstillverkningen och produkternas egenskaper i datorn. Institutsdoktorandprojektet fokuserar på att simulera de mekaniska egenskaperna hos kartongmaterial. Vad händer till exempel med fibrer och bindningar i nätverket när kartongen böjs? Utmaningen är stor, bland annat på grund av de stora skillnaderna i skala mellan enskilda fibrer och hela kartongstrukturen. För att lösa detta krävs flerskalemetoder, där detaljer på mikronivå kan kopplas till egenskaper på makronivå. Projektets mål är att genomföra en matematisk analys av problemet, utveckla och implementera nya metoder och algoritmer samt validera resultaten genom experiment på verkliga kartongmaterial. Algoritmerna kommer att paketeras i mjukvara som gör det möjligt för processingenjörer att simulera hur exempelvis olika fibersammansättningar påverkar kartongens egenskaper. Detta ambitiösa projekt ligger helt i linje med den ökande digitaliseringen inom pappers- och förpackningsindustrin och bygger på en unik forskningsplattform. Ett framgångsrikt resultat kommer att minska produktutvecklingstiden och kostnaderna, höja produktkvaliteten och stärka konkurrenskraften för skogsbaserade produkter. Detta gynnar inte bara Sveriges industri utan även vår gemensamma miljö.