Mikro-mekanisk modellering av kartongmaterial
- Diarienummer
- FID24-0050
- Projektledare
- Edelvik, Fredrik
- Start- och slutdatum
- 250801-300731
- Beviljat belopp
- 3 250 000 kr
- Förvaltande organisation
- Fraunhofer-Chalmers Centre
- Forskningsområde
- Beräkningvetenskap och tillämpad matematik
Summary
Pappers- och massaindustrin har potential att vara ledande i den hållbara utvecklingen eftersom dess produkter är baserade på förnybara råvaror. Genom att förbättra nuvarande pappersbaserade material och utveckla nya innovativa material kan skogens biprodukter vid timmerproduktion utnyttjas till fullo. För att åstadkomma detta är simuleringsverktyg en viktig del av utvecklingen. Dagens metodik grundar sig på kontinuummodeller, men förbättrad beräkningshårdvara och framsteg inom numeriska algoritmer har möjliggjort alternativa metoder som baseras på mikromekaniska modeller vilka inkluderar produkternas komponenter: enskilda fibrer och dess bindningar. Detta projekt syftar till att utöka existerande mikromekaniska modeller för att möjliggöra studier av papprets egenskaper i tjockleksriktningen, där modellering av enskilda fibrer är direkt avgörande. Flera modellaspekter kommer studeras: sprickbildning, brott, plasticitet, icke-linjäritet och tidsberoende. Detta görs genom avancerad matematisk modellering och utveckling av numeriska metoder. Metoderna kommer användas för simulering av töjning, kompression, skjuvning och bigning och detta kommer valideras mot experiment. Projektets forskning kommer resultera i modeller som kan användas för att undersöka kritiska egenskaper hos fiberbaserade material. Resultaten kommer publiceras i väl ansedda journaler och nå industriell nytta genom samarbetet med Tetra Pak.
Populärvetenskaplig beskrivning
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.