von O. Baumann und S. Ernst*

Entwicklungsgeschichte Formiersiebe
Die ersten Synthetik-Siebe haben in ihrer jahrzehntelangen Entwicklungshistorie einige bahnbrechende Stufen durchlaufen. Zu Beginn wurde der Focus vordergründig auf die Laufzeit gelegt. Erst mit der Einführung 2,5-lagiger Designs war auch eine Steigerung des Fasersupports möglich und eine damit verbundene Verbesserung der papiermacherischen Eigenschaften von Formiersieben. Der letzte große Schritt war die Entwicklung der SSB-Siebe, denen eine Technologie zu Grunde liegt, die den Formiersiebmarkt nachhaltig beeinflusst hat. In Westeuropa hat diese Technologie in den letzten 10 Jahren ca. 80% des Marktes erobert. (Abb.1)

Abb. 1: Formiersiebentwicklung der letzten 30 Jahre

1.2. Marktanforderungen
Die Papierindustrie muss sich immer schneller immer anspruchsvolleren Rahmenbedingungen stellen: Gestiegene Produktionskosten sowie die weltweit steigende Nachfrage nach Zellstoff wirken sich auf die Rohmaterialkosten aus. Durch die zunehmende Nachfrage aus Asien - allen voran China - dürfte diese Entwicklung noch an Dynamik gewinnen. Die Energiepreise sind rasant angestiegen. Es wird erwartet, dass diese Entwicklung sich künftig noch verschärft. Energie bleibt weiterhin ein starker Kostentreiber, obwohl der Produktionsprozess in den letzten Jahren schon stark optimiert wurde (weniger Strom, weniger Wasser pro Tonne Papier). Der Druck auf die Papiermacher, Produktionsprozesse noch effizienter zu gestalten, steigt weiter. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Papierqualität. In beiden Bereichen hat die Bespannung einen erheblichen Einfluss.

* Oliver Baumann, XERIUM Technologies, Inc., Technical Director Forming Fabrics Stephan Ernst, HUYCK.WANGNER Europe, Product Manager Forming Fabrics

Die Papiersuspension besteht aus Fasern, Füllstoffen, chemischen Hilfsmitteln und Wasser. Das Formiersieb hat primär die Aufgabe zu entwässern und dabei ein initiales Blatt zu bilden, das im nachfolgenden Prozess des Blattaufbaus die Entwässerung und die Retentionseigenschaften reguliert (Abb. 2)

Abb. 2: Initialer Blattaufbau

Schon ein sehr dünnes Faservlies besitzt einen höheren Entwässerungswiderstand als das eingesetzte Sieb. Die Entwässerungsmenge wird damit hauptsächlich durch das Entwässerungsverhalten des Faservlieses bestimmt. Die Siebeigenschaften beeinflussen jedoch die sich bildenden Faservliese und deren Filtrationseigenschaften.

Aktuelle Formerkonzepte (Roll-Blade Former) versuchen aktiv in die initiale Blattbildung einzugreifen, wie die neuesten Entwicklungen der Shoe- und Counterblade-Positionierung zeigen. So wird der Abstand zwischen der Formierwalze und den Aktivitätsleisten immer kleiner, um die höhere Mobilität der Faser zur Formationsverbesserung auszunützen.

2.1. Definition der Entwicklungsziele
Die am Markt eingesetzten SSB-Siebe wurden in den letzten Jahren permanent weiterentwickelt und hinsichtlich Blattbildungseigenschaften ausgereizt. Ziel der neuen Formiersiebtechnologie EDC von Huyck.Wangner ist, die bestehende Limitation bei den Entwässerungseigenschaften und dem Fasersupport zu eliminieren.

Wie bereits beschrieben, wird die Leistungsfähigkeit eines Formiersiebes entscheidend durch sein Verhalten im Bereich der Initialentwässerung bestimmt. Mittels Abstraktion wurde der Fokus von der Gewebestruktur auf einen speziell geformten Entwässerungskanal gelegt, der in Verbindung mit der papierseitigen Topographie den Ausschlag für eine optimale Blattbildung gibt.

Daraus lassen sich folgende Eigenschaften für das optimal gebildete initiale Blatt ableiten:

• verbesserte Blattformation durch kontrollierte Entwässerung
• Retention Fein- und Füllstoffe
• offene Struktur für leichtere Entwässerung an allen Entwässerungselementen.

Praktische Erfahrungen zeigen, dass sich bei einer genügend offenen Blattstruktur erhebliche Vorteile in der Gesamtentwässerung ergeben, wohingegen ein zu dichtes Blatt zu einer erhöhten Entwässerungsresistenz führt. Die Strömungsgeschwindigkeit auf der Papierseite des Formiersiebes hat einen signifikanten Einfluss sowohl auf die Porosität des initialen Faservlieses als auch auf die Mobilität der Fasern. Größere Fasermobilität schlägt sich in deutlichen Formationsverbesserungen nieder. Eine größere offene Fläche an der Papierseite führt zu einer niedrigeren Strömungsgeschwindigkeit und hält das initiale Blatt offen. Um die Entwässerung zu kontrollieren, ist es erforderlich die Laufseite des Siebes entsprechend zu schließen.

Kernziel der Entwicklung von EDC war, eine Technologie zur Verfügung zu stellen, deren Entwässerungskanäle den initialen Blattaufbau optimal kontrollieren und somit das Betriebsfenster der Papiermaschine erweitern.

2.2. Umsetzung in eine Siebstruktur
Beschreibung des optimalen Entwässerungskanals im Formiersieb:

• Da die meisten Fasern den Stoffauflauf längsorientiert verlassen, sollte der Entwässerungskanal an der Papierseite möglichst stark querorientiert sein.
• Eine große offene Fläche an der Papierseite ist essentiell hinsichtlich Entwässerungskapazität und Fein- sowie Füllstoffretention. Damit kann - bei gleichzeitig relativ geringer Fließgeschwindigkeit in der Blattbildungsebene - eine größere Wassermenge durch das Formiersieb treten. Diese schonende Entwässerung verbessert das Retentionsverhalten und reduziert gleichzeitig die Siebmarkierung.
• Zur Kontrolle dieses Flusses ist eine reduzierte offene Fläche auf der Laufseite nötig.
• Die Siebdicke, respektive die Entwässerungskanallänge in Z-Richtung muss für eine rasche Wasserabführung möglichst gering sein.
• Der Dickenverlust über die Sieblaufzeit soll möglichst gering sein, um eine konstante Leistung des Formiersiebes über den gesamten Lauf zu erzielen.

Die obige Beschreibung des perfekten Entwässerungskanals kann nur durch eine grundsätzliche Änderung in der Siebstruktur erreichet werden. EDC (Engineered Drainage Channels) Designs zeichnen sich deshalb durch eine spezielle Kettkonstruktion (Kette = Monofile in Maschinenrichtung) aus, die Offenheit and der Papierseite und Geschlossenheit auf der Laufseite garantiert. In Verbindung mit verschiedenen Schussverhältnissen werden die Entwässerungskanäle auf die entsprechenden Applikationen angepasst. Siebdicke und Freies Porenvolumen werden hierbei durch die Feinheit der eingesetzten Monofile beeinflusst. Das heißt, es sind mehrere verschiedene Kettkonstruktionen notwendig, um das gesamte Anwendungsspektrum abzudecken.

2.3. Simulationsergebnisse
Um den Entwässerungskanal sichtbar zu machen, wurden verschiedene Versuche gemacht bzw. unterschiedliche Verfahren eingesetzt. Am Anfang stand eine Computersimulation der Massenverteilung über die Gewebedicke eines Formiersiebes, welche deutliche Unterschiede zwischen verschiedenen Siebtypen aufzeigt. Dadurch wurde eindeutig erkennbar, welchen Einfluss der Kanal auf die Blattbildung haben muss (Abb.3). Wie hieraus ersichtlich, wird bei einem EDC-Design die Masse in Richtung Laufseite verlagert, im gezeigten Beispiel verändert sich der engste Querschnitt im Vergleich der beiden Designs erheblich. Das Ergebnis basiert auf einem speziell geformten Entwässerungskanal. Dieser Entwässerungskanal kann nachfolgend durch verschiedene Schussdichten beeinflusst werden. Mit der entwickelten Software kann jeder nur denkbare Kanal simuliert werden.

Abb. 3: Darstellung der Massenverteilung

Um nicht nur theoretische Zahlen und Daten über die Form des Entwässerungskanals zu erhalten, wurden Computertomographiebilder erstellt. Vorteil dieser Methodik ist, dass reale 3D-Bilder der Formiersiebe (Abb. 4) entstanden sind. Diese Bilder konnten dann als Basis für ein Entwässerungsmodell verwendet werden.

Abb. 4: 3D Computertomographie eines SSB-Siebes

Ziel des Entwässerungsmodells war, die unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten entlang des Entwässerungskanals darzustellen. Abb. 5 zeigt einen Vergleich der Fließgeschwindigkeiten auf der Blattbildungsebene zwischen einem SSB- und einem EDC-Design. An der SSB-Papierseite werden relativ hohe Geschwindigkeiten erreicht (= viele rote und gelbe Bereiche). Die EDC-Konstruktion hingegen zeigt deutlich geringere Fließgeschwindigkeiten (= viele blaue und grüne Bereiche). Für das EDC-Design bedeutet dies einen schonenderen und kontrollierteren Blattaufbau. Darüber hinaus wird auf Abb. 5 die starke Querorientierung und die große Freie Fläche an der Papierseite des EDC-Siebes sichtbar.

Die Modellierung der Entwässerungskanäle mittels Computertomographie zeigt Abb. 6. Auf dieser Basis wurde die Fließgeschwindigkeit mit einem 3D-Strömungsmodell durch den gesamten Siebkörper simuliert. Abb. 7 zeigt die insgesamt geringere Entwässerungsgeschwindigkeit über den gesamten Querschnitt bei EDC-Designs und belegt somit das "sanftere" Entwässerungsverhalten.

Abb. 5: Maschenorientierung und Entwässerungs- geschwindigkeit

Abb.6: EDC Entwässerungskanal

Abb. 7: Fließgeschwindigkeiten über den Siebquerschnitt

3.1. Anwendungsspektrum
Durch die Möglichkeit, verschiedene Monofil-Stärken und -Dichten zu kombinieren, entstehen keinerlei Limitationen hinsichtlich der Anwendungsoptionen. Grundsätzlich kann diese Technologie auf allen Papiermaschinentypen und Papiersorten eingesetzt werden. Zurzeit liegt der Fokus mit mittleren bis hohen Kettfeinheiten auf dem Segment der graphischen Papiere.

3.2. Erste Praxisergebnisse
Eine Theorie ist immer nur so gut wie der praktische Nachweis gelingt. EDC-Designs wurden bereits auf verschiedenen Papiermaschinen mit unterschiedlichen Papiersorten erfolgreich erprobt. Die Ergebnisse bestätigen die theoretische Zielsetzung, da sie gleichzeitig eine erhöhte Entwässerungsleistung mit zusätzlicher Effizienzsteigerung und verbesserter Papierqualität brachten.

Im Einzelnen wurden folgende Resultate dokumentiert

• Gapformer für LWC: Energieeinsparungen in der Stoffaufbereitung mit geringerwertigem Rohstoff bei gleich hoher Papierqualität
• Gapformer für LWC: Geschwindigkeitssteigerung je nach Sorte um bis zu 4%, zusätzliche Tonnage
• Gapformer für Zeitung: Höherer Trockengehalt am Pick-up, verbesserte Effizienz, zusätzliche Tonnage
• Hybridformer für LWC: Geschwindigkeitssteigerung je nach Sorte um bis zu 7%, zusätzliche Tonnage
• Hybridformer für Streichrohstoff: Effizienzsteigerung und Geschwindigkeitssteigerung je nach Sorte um bis zu 9% bei gleichzeitig verbesserter Papierqualität (Abb.8)
• Langsieb für Dekor: Verbesserte Titandioxid-Retention um mehr als 3%, was eine erhebliche Kosteneinsparung darstellt.

Insgesamt deuten die bislang erzielten Ergebnisse eindeutig auf eine schonendere Initialentwässerung hin, die zu einer optimierten Blattstruktur führt.

Abb. 9: Blattbildungseigenschaften im Vergleich

Die ersten Ergebnisse zeigen auch, dass die Entwässerungsleistung nicht alleine ausschlaggebender Parameter für PM-Effizienz und Papierqualität ist. Entscheidend ist vielmehr, die Entwässerung auf die anwendungsspezifischen Anforderungen abzustimmen, sprich alle Einflussfaktoren für die optimale Blattbildung auszubalancieren. EDC bietet hierbei die Möglichkeit, den Blattaufbau grundsätzlich zu verändern. Das Ergebnis ist ein erweitertes Betriebsfenster der PM ohne Limitationen in der Papierqualität. Damit läutet EDC eine neue Generation von Formiersieben ein, die bestehende Barrieren überwinden und neue Möglichkeiten der Prozessoptimierung eröffnen (Abb. 9).

Zusammengefasst ergeben sich folgende Vorteile:

• Schonende Initialblattbildung für beste Formation und geringste Porosität
  • höherer FSI im Vergleich zu allen konventionellen SSB-Sieben
  • größte offene Fläche (SOA) auf der Papierseite
  • optimale Entwässerungskontrolle durch speziell konstruierte Entwässerungskanäle
• Retentionseigenschaften
  • erhöhte mechanische Retention (Fasern) durch gesteigerte Schusszahl auf der Papierseite (FSI)
  • Verbesserte hydrodynamische Retention (Fein- und Füllstoffe) durch reduzierte max. Fließgeschwindigkeit des Wassers in der Blattbildungsebene (hohe SOA auf PS, reduzierte SOA auf LS)
• Profilqualität
  • höhere Biegesteifigkeit als vergleichbare Standard-SSBs: optimale Querprofile.