3-D Forming of Paper Materials

• Paper materials have a long history of use as a packaging material, although traditional paper-based packaging is limited in its shape, complexity, and design. In order to better understand the deformation and failure mechanisms during 3-D forming, two experimental studies of paper materials have been conducted. Furthermore, constitutive modeling combined with explicit finite element modeling have been validated against numerous experimental setups and utilized to develop further understanding of 3-D forming processes.Two experimental studies were necessary to further investigate and model the 3-D formability of paper materials. The combined effect of moisture and temperature on the uniaxial mechanical properties of paper was investigated, providing new insights into how moisture and temperature affect both the elastic and plastic properties of paper materials. Furthermore, the in-plane, biaxial yield and failure surfaces were experimentally investigated in both stress and strain space, which gave an operating window for 3-D forming processes as well as input parameters for the constitutive models.The constitutive modeling of paper materials and explicit finite element modeling were directed towards two 3-D forming processes: deep drawing and hydroforming. The constitutive models were calibrated and validated against simple (typically uniaxial) mechanical tests, and the explicit finite element models (which utilize the developed constitutive models) were validated against 3-D forming experiments. Hand-made papers with fibers partially oxidized to dialcohol cellulose, which has greater extensibility than typical paper materials, was furthermore characterized, modeled, and 3-D formed as a demonstration of the potential of modified paper fiber products for 3-D forming applications.

• Papper har länge framgångsrikt använts som förpackningsmaterial, men traditionella pappers- och kartongförpackningar är begränsade i form och design. Två experimentella studier har utförts för att få bättre förståelse för deformations- och brottmekanismer under 3D formning. Resultat från konstitutivmodellering i kombination med explicit finit element modellering har validerats mot ett flertal experimentella uppställningar och använts för att utveckla bättre förståelse för 3D formningsprocesser.Två experimentella studier var nödvändiga för att ytterligare undersöka och modellera pappersmaterials 3D formbarhet. I den första undersöktes den kombinerade effekten av fukt och temperatur på pappers enaxliga mekaniska egenskaper, vilket gav nya insikter om hur fukt och temperatur påverkar både de elastiska och de plastiska egenskaperna hos papper. I den andra har biaxiella (i planet) flyt- och brottytor undersökts experimentellt i både spännings- samt töjningsrymden, vilket gav ett processfönster för 3D formningsmetoder samt ingångsparametrar för de konstitutiva ekvationerna.Konstitutiv modellering av pappersmateriel samt explicit finit element modellering riktades mot två 3D formningsprocesser: djupdragning och hydroformning. De konstitutiva modellerna kalibrerades och validerades mot enkla (oftast enaxliga) mekaniska experiment, och explicita finita elementmodeller (som utnyttjar de utvecklade konstitutiva modellerna) validerades mot 3D formningsexperiment. Handark med fibrer delvis oxiderade-reducerade till dialkohol cellulosa, som har större töjbarhet än andra pappersmateriel, har dessutom karakteriserats, modellerats, samt 3D formats som en demonstation av potentialen hos modifierade pappersfiberprodukter i 3D formning.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Materialteknik -- Pappers-, massa- och fiberteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Materials Engineering -- Paper, Pulp and Fiber Technology (hsv//eng)

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Maskinteknik -- Teknisk mekanik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Mechanical Engineering -- Applied Mechanics (hsv//eng)

Nyckelord

3-D forming

finite element method

constitutive model

moisture

temperature

biaxial

hydroforming

deep drawing

3D formning

finita elementmetoden

konstitutiv modell

fukt

temperatur

biaxiell

hydroformning

djupdragning

Hållfasthetslära

Solid Mechanics

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)