Durchführung einer Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulation der Luftströmung durch ein
Stück Verpackungspapier der Firma Mondi, um genauere Auskunft über den Weg des Fluids durch
die Papierstruktur zu erhalten.

Mittels Computertomographie werden Schichtbildaufnahmen eines Verpackungspapiers erstellt.
Durch diese „gescannte“ Geometrie wird der Luftstrom simuliert. Dabei wurden die Bedingungen
eines Gurley-Densometers als Randbedingungen verwendet.

 Zusätzlich zum Gurley-Densometer und der Quecksilberporosimetrie können durch die CFD Simulationen Informationen zur
Porenverteilung, Porosität, Durchlässigkeit, Fluidweglänge durch Porenkanäle, Eindringtiefe und
Tortuosität (Gewundenheit) in den Poren gewonnen werden. Mit diesem detaillierten Wissen, kann
die Pulpzusammensetzung oder Papierbildung optimiert werden.

Die Mondi AG ist ein weltweit führendes Unternehmen in der Papier- und Verpackungsindutrie. Besonders bei Verpackungspapieren ist die Fluiddurchlässigkeit ein entscheidender Faktor in der Nutzbarkeit, da einerseits der Inhalt nicht austreten sollte, andererseits bei vielen Befüllvorgängen Luft sehr wohl passieren muss. Ein besonders drastisches Beispiel stellen hier Sackpapiere dar. Der entscheidende Faktor ist hier die Porenverteilung im Papier sowie deren Zugänglichkeit für den Fluidtransport. Klassischerweise wird dies mittels Densometrie und Quecksilberporosimetrie untersucht.

Papierstück unter Mirkoskop mit Raster (blau), welcher
den mittels μCT untersuchten Bereich markiert

Porosität des Papiers über die gesamte untersuchte
Fläche

Für die Geometrieerstellung der Papierstruktur wurden Computertomographie-
Schichtbildaufnahmen eines Ausschnitts der zu untersuchenden Papierprobe mittels des Bildbearbeitungsprogramms Fiji in eine dreidimensionale Geometrie verwandelt. Diese wurde für die Simulation in Ansys Fluent vorbereitet. Als Randbedingungen wurden die Drücke verwendet, welche auch bei der Messung mit einem Gurley Densometer herrschen. Dies ermöglicht anschließend auch den Vergleich der Simulationsergebnisse mit den Messergebnissen.

Entwicklungsabteilungen unterschiedlicher Papierhersteller verwenden unterschiedliche Analysemethoden um einen Einblick in die Mikro und Makroebene ihres Papiers zu bekommen. Während Densometrie-Untersuchungen Standard in der Papierindustrie sind, und über weite
Strecken ausreichend gute Ergebnisse liefern, geben sie keinerlei Auskunft über die Beteiligung einzelner Poren oder Fluidbewegungen parallel zur Papieroberfläche. Statistische Aussagen zur Porengrößenverteilung können mittels Quecksilberporosimetrie generiert werden. Durch die CFD Simulationen können Informationen zur Porenverteilung, Porosität, Durchlässigkeit, Fluidweglänge durch Porenkanäle, Eindringtiefe und Tortuosität (Gewundenheit) in den Poren gewonnen werden. Dieser tiefe Einblick in die inneren Papierstrukturen und deren Relevanz im Fluidtransport kann wertvolle Informationen für zukünftige Entwicklungen in der Verpackungspapierentwicklung liefern.

Strömungsfeld durch das simulierte Papierstück