Knickspannungs- und Faltenprüfung von Werkstoffen, insbesondere Karton und Wellpappe

Die Knickspannung bezeichnet die kritische Druckspannung, bei der ein Bauteil (z. B. eine Säule, Platte, Schale oder ein Paneel) plötzlich seine Stabilität verliert und sich seitlich verformt (knickt), anstatt sich axial weiter zusammenzudrücken. Dieses Versagensmuster tritt häufig bei Spannungen weit unterhalb der Streckgrenze oder Druckfestigkeit des Materials auf, insbesondere bei dünnen oder dünnwandigen Konstruktionen.

Bei dünnen Blechen oder Platten (die häufig in Verpackungsmaterialien verwendet werden) handelt es sich dabei um eine Auslenkung senkrecht zur Ebene unter Knick-, Druck-, Biege- oder kombinierten Belastungen.

Der Knicktest beurteilt die Fähigkeit eines Materials (insbesondere Karton oder Wellpappe), eine kontrollierte, dauerhafte Faltlinie ohne Risse oder übermäßige Beschädigung zu bilden. Durch das Knicken wird eine gezielte Schwachstelle für das Falten von Verpackungen (z. B. Kartons) geschaffen. Die wichtigsten Testverfahren sind:

• Messung der Faltensteifigkeit oder Rückstellkraft (z. B. der Kraft, mit der eine 90-Grad-Falte oder eine 15-Grad-Biegung gehalten wird).
• „BS 6965-1 Falteigenschaften von Kartonbögen - Verfahren zur Bestimmung der Faltrückstellung einer 90-Grad-Faltung“.

Falten erzeugen lokale Schwächen, geometrische Defekte oder eine verringerte Steifigkeit in komprimierten Platten oder Kästen, die ein Ausknicken auslösen oder dazu beitragen können.

Bei Verpackungen aus Wellpappe bilden sich Knicke an den Kanten und Deckeln der Kartons (z. B. herkömmliche Wellpappkartons). Diese Knicke wirken als anfängliche Defekte oder Scharnierlinien und reduzieren die kritische Knicklast der Seitenwände bei Druck von oben.

Untersuchungen an Wellpappenplatten haben Folgendes gezeigt:

• Die Paneele knicken im nachelastischen Bereich aufgrund orthotroper Eigenschaften ein (unterschiedliche Steifigkeit in mechanischer und transversaler Richtung).
• Faltenbildung führt zu Unsicherheiten hinsichtlich der Tragfähigkeit, indem sie die lokale Biegesteifigkeit verringert und ein früheres Knicken oder eine Nachknickverformung begünstigt.
• Insbesondere auf der konkaven Seite kommt es bei Biegung oder Kompression meist vor einem globalen Versagen zu lokalem Ausknicken der Auskleidungen (Oberflächen).

Experimentelle Plattenkompressionsversuche zeigen Last-Verschiebungs-Kurven mit einem deutlichen Knickverhalten: anfänglich lineares Verhalten, gefolgt von nichtlinearem Nachknickverhalten bis zum Materialversagen.

Analoge (traditionelle, stempelbasierte) und digitale Faltverfahren beeinflussen die Ergebnisse:

• Digitales Falten kann die Kantenstauchfestigkeit, die Scherfestigkeit, die Biegesteifigkeit und die Gesamtkompressionsfestigkeit der Box verändern.
• Zusätzliche oder schlecht ausgeführte Falten begünstigen das Ausknicken und verringern dadurch die Druckfestigkeit erheblich.

In einer detaillierten Studie an Wellplatten:

• Analytische Modelle schätzen die kritische Knicklast auf etwa 958 N, während Experimente etwa 814 N ergeben (aufgrund von Defekten wie Falten und nichtlinearem Papierverhalten).
• Das Verhalten nach dem Ausknicken passt sich den Kurven an, und das Versagen tritt in der Regel dann ein, wenn die Spannung in der inneren Auskleidung ihre Grenzen erreicht.

Die Faltqualität hängt auch mit der Schichttrennung während des Faltvorgangs zusammen, wodurch ein schichtartiges, knickartiges Verhalten im Faltbereich ermöglicht wird.

Gängige Tests, die Falten und Knicke in Verpackungen nachweisen, umfassen:

• Kantenstauchprüfung: Misst die Druckfestigkeit senkrecht zu den Rillen; sie wird durch Faltenbildung beeinflusst.
• Kastenkompressionstest: Bewertet das vollständige Ausknicken des Kastens unter Last; Falten verringern die Tragfähigkeit.
• Biegeversuche an Platten: Bei diesen Versuchen werden einfach gelagerte, genutete Platten zusammengedrückt, um die Auswirkungen von Verstauchungen und Faltenbildung zu untersuchen.
• Faltenrückstell-/Steifigkeitsprüfungen: Messen die Faltqualität und beeinflussen indirekt die Knickfestigkeit.

Wechselwirkungen zwischen Beulen und Faltenbildung sind auch bei Automobilbeschichtungen von Bedeutung. Beispielsweise werden Beulspannungs-/Faltenprüfungen gemäß Normen wie der „EN 4214 Luftfahrtserie – Aluminiumlegierung AL-P7010-T651“ (Standardvarianten für die Haftung unter Verformung) durchgeführt.

Generell hilft das Verständnis der Knickspannung, die Leistungsfähigkeit von Verpackungen vorherzusagen, während Faltenprüfungen ein zuverlässiges Falten gewährleisten. Unzureichende Faltenbildung beschleunigt das Versagen durch Knicken beim Stapeln und Handhaben in der Praxis und verringert die Stabilität des Kartons, indem sie die Durchbiegung der Seitenwände oder lokale Ungleichgewichte in der Auskleidung begünstigt.

Die Prüfung auf Knickfestigkeit ist von extrem hoher Bedeutung, da Knicken eine sehr gefährliche und heimtückische Verletzungsart darstellt.

• Es geschieht plötzlich.
• Dies geschieht bei einer Spannung, die weit unterhalb der normalen Festigkeit des Materials (Streckgrenze / Druckfestigkeit) liegt.
• Sobald das Knicken einsetzt, verliert die Konstruktion fast ihre gesamte Tragfähigkeit sehr schnell.
• Selbst eine sehr geringe zusätzliche Belastung nach dem Ausknicken kann zu großen, unvorhersehbaren Verformungen führen.

Die wichtigsten Gründe für die Durchführung von Verstauchungstests sind folgende:

• Sicherheit verhindert katastrophale, plötzliche Einstürze. Wird sie ignoriert, führt dies in der Realität zum Einsturz von Gebäuden, Brücken, Türmen, Kränen und Regalen. Besonders kritisch ist sie im Bauwesen und im Hoch- und Tiefbau.
• Der Ausfall tritt deutlich früher ein als erwartet. Wird er ignoriert, bricht die Säule in der Praxis bereits bei 20–40 % ihrer Materialfestigkeit. Typische kritische Bereiche sind Säulen, Stützen, dünne Wände und Paneele.
• Die Analyse normaler Spannungen kann Knicken nicht erkennen. Wird dies ignoriert, führt dies in der Praxis – trotz geringer Abweichung in der linearen statischen Analyse – dennoch zum Knicken. Typische Anwendungsbereiche sind praktisch alle dünnen Druckelemente.
• Es gibt nur sehr wenige Warnzeichen vor einem Versagen. Werden diese ignoriert, führt dies in der Praxis dazu, dass es vor dem Zusammenbruch zu keiner nennenswerten bleibenden Verformung kommt. Typische Anwendungsbereiche, in denen dies kritisch ist, sind die Luft- und Raumfahrt, Fahrzeugchassis und Lagerregale.
• Dies ist besonders wichtig für dünne, lange und hohe Konstruktionen. Wird dieser Aspekt vernachlässigt, führt dies in der Praxis dazu, dass die Gefahr mit zunehmender Länge, Dünne und Höhe der Konstruktion steigt. Typische Anwendungsbereiche sind Türme, Masten, lange Ausleger, dünne Schalen und Platten.
• Dies ist bei Verpackungen (insbesondere Kartons) von entscheidender Bedeutung. Wird es vernachlässigt, führt dies in der Praxis dazu, dass Kartons beim Stapeln zusammenbrechen und Produkte beschädigt werden. Typische Anwendungsbereiche, in denen dies kritisch ist, sind Wellpappkartons, Palettenstapelung und verkaufsfertige Verpackungen.
• Es spart erhebliche Kosten. Ihn zu ignorieren hätte reale Konsequenzen und würde sowohl Über- als auch Unterdimensionierung verhindern. Typische Anwendungsbereiche sind alle Branchen (Luftfahrt, Automobilindustrie, Verpackungsindustrie, Bauwesen).

Seit vielen Jahren versteht unser Unternehmen mit seinen kompetenten und erfahrenen Mitarbeitern die Bedürfnisse seiner Kunden, bietet ihnen die benötigten fortschrittlichen Prüfdienstleistungen und unterstützt sie beim Aufbau, der Implementierung und der Optimierung von Managementsystemen. In diesem Rahmen bieten wir Unternehmen auch Knick- und Biegeprüfungen an.