Es hängt von Dir selbst ab, ob Du das neue Jahr als Bremse oder als Motor benutzen willst. So soll es Henry Ford gesagt haben. Wir in der Kunststoffe-Redaktion setzen eindeutig auf den Motor.

Schließlich starten wir in ein K-Jahr – und die wirken seit Jahrzehnten wie eine Triebfeder für die Branche. Viele große Hersteller planen ihre Entwicklungszyklen genau deshalb in einem Drei-Jahres-Rhythmus. Und nachdem zwei sehr herausfordernde Jahre hinter uns liegen, sind die Erwartungen an den diesjährigen Messeherbst besonders groß. Die ersten „Save the Dates“ stehen schon in unseren Kalendern. Und wir Redakteure stehen in den Startlöchern, um Ihnen von den spannendsten Trends und neuen Entwicklungen zu berichten.

Eins der Hauptthemen der diesjährigen K-Messe ist die Kreislaufwirtschaft. Wir widmen diesem Thema ein eigenes Special in dieser Ausgabe. Schmankerl sind dabei sicherlich unsere exklusiven Interviews mit Tomra – darin geht es um den Einsatz von KI bei der Sortierung von Kunststoffverpackungen (ab Seite 26) – und mit PlasticsEurope-Geschäftsführer Ingemar Bühler zum chemischen Recycling (ab Seite 12).

Zum Neustart 2022 haben wir unser Heft an einigen Stellen  ein bisschen modernisiert. Fällt Ihnen etwas auf beim Durchblättern? Wir freuen uns über Feedback!

Susanne Schröder [<a href="mailto:Susanne.Schroeder@hanser.de">Susanne.Schroeder@hanser.de</a>]

PS: In der ersten Ausgabe unseres Podcasts „Kunststoff Dialog“ sprechen wir mit zwei Gästen übrigens auch über die Kreislaufwirtschaft. Ab Ende Januar zu finden auf allen üblichen Kanälen oder unter www.kunststoffe.de/podcast

Editorial Susanne

Schröder, Susanne

Interview mit Ingemar Bühler von PlasticsEurope Deutschland

„Über die richtige Recyclingmethode zu streiten, bringt uns nicht weiter“

Kunststoffe sprach mit Ingemar Bühler, Hauptgeschäftsführer PlasticsEurope Deutschland, über die Kritik und die Konkurrenz zwischen mechanischem und chemischem Recycling. Im Interview erklärt er außerdem, was darüber hinaus für eine erfolgreiche Kreislaufwirtschaft notwendig ist und wieso er Label für Kunststoffprodukte für sinnvoll erachtet.

Der Verband der Kunststofferzeuger, PlasticsEurope Deutschland, hat sich im letzten Jahr häufig für chemisches Recycling stark gemacht. Kritik an dieser Art der Abfallaufbereitung kommt jedoch nicht nur von Umweltverbänden, sondern auch aus der Kunststoffbranche selbst. Kunststoffe sprach mit Ingemar Bühler, Hauptgeschäftsführer des Verbands, über die Kritik und die Konkurrenz zwischen mechanischem und chemischem Recycling. Im Interview erklärt er außerdem, was darüber hinaus für eine erfolgreiche Kreislaufwirtschaft notwendig ist und wieso er Label für Kunststoffprodukte für sinnvoll erachtet.

Dass die Kreislaufwirtschaft eines der Zukunftsthemen der Kunststoffindustrie ist, darüber sind sich die meisten Branchenvertreter einig. Über die Umsetzung gibt es aber unterschiedliche Meinungen. Kontrovers diskutiert wird etwa das chemische Recycling. Der Verband der Kunststofferzeuger PlasticsEurope Deutschland setzt sich seit einiger Zeit stark für die chemische Aufbereitung von Kunststoffabfällen ein. Wir sprachen mit dem Hauptgeschäftsführer des Verbands, Ingemar Bühler, über die Gründe dafür und die Bilanz seines ersten Jahres.

Kunststoffe: Herr Bühler, Sie sind nun ein Jahr im Amt. Wie ist Ihre Bilanz nach den ersten zwölf Monaten?

Ingemar Bühler: Worauf ich stolz bin, sind vor allem zwei Sachen: Trotz der schwierigen Pandemiesituation konnte ich viele Personen aus der Branche kennenlernen, teilweise auch persönlich, sowohl Kunststoffhersteller, aber auch Unternehmer aus der Kunststoffverarbeitung und Verpackungs- und Maschinenhersteller. Ich bin sehr froh, dass das trotzdem geklappt hat. Außerdem ist es uns als Verband gelungen, unsere Kommunikationsaktivitäten deutlich weiterzuentwickeln. Wir sind sehr präsent in Fach- und Leitmedien, aber auch im Onlinebereich gewesen. Dadurch haben wir sehr viel mehr Menschen erreicht als in der Vergangenheit.

Kunststoffe: In den letzten Monaten ist der Eindruck entstanden, dass die Kunststoffverbände stärker zusammenarbeiten. War das ein Anliegen von Ihnen oder liegt es vor allem an dem angeschlagenen öffentlichen Ruf der Branche?

Bühler: Wir arbeiten wirklich enger zusammen und sind in einem ständigen Austausch. Das war in der Vergangenheit nicht der Fall. Mir ist das ein ganz wichtiges Anliegen. Die starke Kritik an der Kunststoffindustrie trägt außerdem ihren Teil dazu bei. Die Zusammenarbeit zwischen den Verbänden ist sehr wichtig, weil die Branche an sich sehr kleinteilig aufgestellt ist und in unterschiedlichen Bereichen der Wertschöpfungskette agiert. Die Transformation zur Kreislaufwirtschaft verändert das. Unternehmen, die sehr weit voneinander entfernt sind in der Kette, müssen nun als Partner agieren.

Kunststoffe: Die Verbände vertreten häufig andere Interessen. Das macht die Zusammenarbeit sicherlich schwierig.

Bühler: Absolut. Mich hat es dennoch überrascht, dass in der Vergangenheit Differenzen häufig sehr vehement und lautstark ausgetragen wurden. Dabei sind die von uns vertretenen Unternehmen eigentlich Kunden voneinander, die an einem langfristigen und vertrauten Verhältnis interessiert sind.

Kunststoffe: Sie haben im Oktober letzten Jahres zusammen mit den Recyclingverbänden BDE und bvse ein gemeinsames Positionspapier zur Kreislaufwirtschaft herausgegeben. In der Vergangenheit haben PlasticsEurope Deutschland und die beiden Verbände sehr unterschiedliche Positionen im Hinblick auf chemisches Recycling vertreten. Hat sich das geändert?

Bühler: Wir vertreten auch weiterhin unterschiedliche Positionen beim chemischen Recycling. Verändert hat sich meines Erachtens das Verständnis für die Perspektive des anderen. Aus Sicht der Recyclingfachleute handelt es sich bei den Verfahren nicht um Recycling, sondern um chemische Verwertung. Diese Sicht ist legitim und daran möchten wir uns auch nicht aufhängen. Entscheidend für uns ist ein möglichst hoher Verwertungsgrad von Kunststoffabfällen. Schwieriger ist hingegen eine zweite Dimension: Durch chemisches Recycling werden Kunststofferzeuger zum ersten Mal auch zu Recyclern. Dadurch fühlen sich manche Unternehmen bedroht. Dieser Punkt gilt allerdings auch umgekehrt. Durch mechanisches Recycling werden einige Wiederverwerter zu Kunststoffherstellern oder zumindest zu sehr engen Partnern der Erzeuger.

Kunststoffe: Mechanisches und chemisches Recycling stehen somit in Konkurrenz? In der Vergangenheit hat PlasticsEurope Deutschland bei beiden immer von komplementären Verfahren gesprochen.

Bühler: Der Eindruck der Konkurrenz entsteht leider in der Tat. Hinter solchen Diskussionen steht meines Erachtens oft die unternehmerische Angst, am Ende nicht mehr genügend Kunststoffabfälle für die Verarbeitung zu erhalten. Das ist verständlich, geht aber an den entscheidenden Punkten vorbei. Die Kunststoffindustrie hat die Aufgabe, CO2-neutral zu produzieren. Außerdem sitzen wir weltweit auf einem gigantischen Müllberg, der sehr viel Kunststoff enthält. Sich über chemisches und mechanisches Recycling zu streiten, bringt uns bei beiden Punkten nicht weiter. Wir müssen das große Bild im Blick haben. Eine erfolgreiche Kreislaufwirtschaft wird sich nicht zwischen chemischem und mechanischem Recycling entscheiden. Für mich sind dafür vier Technologien notwendig.

Bühler: Erforderlich sind mechanisches und chemisches Recycling, Carbon Capture Utilisation und Biomass Utilisation. Diese vier Verfahren sind notwendig, um die Kunststoffindustrie klimaneutral zu gestalten und Kunststoffe im Kreislauf zu führen. Für die Transformation ist außerdem eine große Menge an Energie notwendig. Die Industrie kann nur CO2-neutral produzieren, wenn alle Anlagen auf elektrischen Betrieb umgestellt werden und der Strom dafür aus regenerativen Quellen stammt. Das ist übrigens die einzige Stelle, an der thermische Verwertung zukünftig eventuell noch einen Platz hat. Um die Recyclingprozesse mit Energie zu versorgen. Ich sehe die kommende K als ganz wichtigen Meilenstein für diese Transformation. Bei der vergangenen Ausgabe 2019 wurde schon sehr viel über Kreislaufwirtschaft gesprochen. Jetzt müssen wir es machen. Die Transformation muss in den nächsten 25 Jahren abgeschlossen sein. Falls uns das nicht gelingt, wäre das ein fatales Scheitern.

Kunststoffe: Bisher sind die Anstrengungen für die Kreislaufwirtschaft sehr kleinteilig. Woher soll der umfassende Blick kommen?

Bühler: Grüne Energie, Recycling, Biomasse – alle diese Punkte sind für sich alleine genommen schon sehr große Themen. Wir benötigen deshalb zu allen eine nationale oder eine europäische Strategie. Dafür brauchen wir jeweils den Zusammenschluss von klugen Köpfen aus allen Sektoren, die den Wandel gemeinsam vorantreiben. Mit dem bisherigen Zuschieben des schwarzen Peters zwischen Politik, Unternehmen und Gesellschaft kommen wir nicht weiter. Alle Beteiligten müssen dabei über ihren jeweiligen Horizont hinausschauen. Das hat die Kunststoffindustrie beim Thema Marine Litter schmerzlich erfahren. Es reicht eben nicht, darauf zu verweisen, dass man die Produkte nur herstellt und nicht an deren Deponierung, noch dazu einer unversiegelten, beteiligt ist. Das ist für mich kein Argument. Eine weltweit agierende Branche mit Innovations- und Marktführern hat ein immenses kommunikatives und politisches Gewicht. Wenn man Lösungen auch außerhalb des eigenen Marktradius parat hat, dann muss man diese auch anbieten. Diese Denkweise hat der Kunststoffindustrie in den vergangenen Jahrzehnten leider oftmals gefehlt.

Kunststoffe: Neben dem Positionspapier mit BDE und bvse haben Sie zusammen mit dem VCI und der Dechema ein Empfehlungspapier speziell zum chemischen Recycling veröffentlicht. Sehen Sie dort besonderen Handlungsbedarf?

Bühler: Ja, den sehen wir. Chemisches Recycling steht auf der bundespolitischen und der europäischen Ebene in einer dunklen Ecke. Das liegt unter anderem daran, dass der Energie- und der Chemikalienverbrauch dafür deutlich höher sind als beim mechanischen Recycling. Viele haben nicht verstanden, dass sich trotz hohem Energieaufwand das chemische Recycling selbst trägt. Es besteht außerdem sowohl in der Politik als auch in weiten Teilen der Gesellschaft ein großer Vorbehalt gegenüber Chemie im Allgemeinen.

Kunststoffe: Vorbehalte bestehen auch gegenüber dem Massebilanzverfahren, dass in der Regel für die Angabe von Recyclinganteilen von chemisch verwerteten Kunststoffabfällen verwendet wird. Sehen Sie Möglichkeiten, um an dieser Stelle mehr Vertrauen zu schaffen?

Bühler: Wenn der genaue Rezyklatanteil in einem Produkt nicht feststeht, ist das für Verbraucher natürlich schwierig. Für die Industrie ist das Massebilanzverfahren allerdings sehr wichtig. Um es für den Verbraucher nachvollziehbarer zu machen, müssen wir diese sehr technischen und wissenschaftlichen Themen radikal simplifizieren. Dafür sind einfache Label notwendig, die Kunden eine bewusste Kaufentscheidung ermöglichen. Eine Möglichkeit sind beispielsweise dreistufige Ampelsysteme. Das gilt übrigens nicht nur für Rezyklatanteile, sondern auch für den CO2 -Footprint von Produkten. In diesem Punkt sind wir uns auch mit vielen anderen Kunststoffverbänden einig.

Kunststoffe: Gegen von Wirtschaftsverbänden und Unternehmen geschaffene Label wird häufig der Vorwurf „Greenwashing“ vorgebracht. Sind deshalb staatliche Label notwendig, um das Vertrauen der Verbraucher zu erhöhen?

Bühler: Das Vertrauen der Verbraucher in Behörden und staatliche Institutionen ist in Deutschland etwas stärker ausgeprägt als in die Wirtschaft. Von daher sollten es staatlich überprüfte Siegel sein. Viele der guten bestehenden Label wurden aber ursprünglich von der Wirtschaft angestoßen. Um das Vertrauen in solche Siegel zu stärken, ist es außerdem wichtig, auch Umwelt- und Verbraucherschutzverbände einzubeziehen.

KU 1-22_Intw.PED - Hauptartikel

Seit einem Jahr leitet Ingemar Bühler als Hauptgeschäftsführer die Geschicke von PlasticsEurope Deutschland. Bevor er am 1. Januar 2021 zum Verband der Kunststofferzeuger wechselte, arbeitete der 40-Jährige zwölf Jahre für den Bayer-Konzern. Bei den Leverkusenern war er in verschiedenen Positionen in der Öffentlichkeitsarbeit und der politischen Kommunikation tätig, zuletzt bei der Agrarsparte des Unternehmens als Head of Public Affairs & Sustainability. Bühler hat Politikwissenschaft und International Affairs an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und Wirtschaft an der Universität Oxford studiert.

„Der Wandel zur Kreislaufwirtschaft muss in den nächsten 25 Jahren  abgeschlossen sein. Ansonsten wäre das ein fatales Scheitern.“

„Es sind einfache Label über den Rezyklatanteil in Produkten nötig, die Kunden eine bewusste Kaufentscheidung  ermöglichen.“

Verbände, Institutionen, Messen

Dienstleistungen

Recycling

Umweltmanagement

Kunststoff-Recycling

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Kunststoff-Aufbereitung

Kreislaufwirtschaft

Formnext 2021: Erfolgreicher Re-Start als Präsenzmesse

Während der vier Messetage im November machte die Formnext 2021 die Metropole Frankfurt am Main wieder zum internationalen Innovationszentrum des weltweiten Additive Manufacturing und der modernen Industrieproduktion. Einige der Schwerpunkte auf Kunststoffseite waren die Fertigung großvolumiger Teile, die Verwendung von Spritzgießgranulat als Materialbasis und die Verarbeitung von Hochleistungskunststoffen.

Die Veranstalter zählten über 600 Aussteller aus 36 Ländern und fast 18 000 Besucher, davon rund die Hälfte aus dem Ausland. Um auf eine der wohl größten Produktoffensiven bei den Maschinenherstellern aufmerksam zu werden, musste man nicht lange suchen. Peter Alderath, Geschäftsführer DACH von Stratasys, fasste das erneuerte Portfolio im Gespräch mit Kunststoffe so zusammen: „Wir haben seit dem letzten Jahr unsere beiden bewährten Technologien PolyJet und FDM um die drei bisher noch fehlenden ergänzt: Stereolithographie, DLP und SAF.“

Im Einzelnen: Seit der Übernahme des Start-ups Origin vor rund einem Jahr hat Stratasys auch ein Standbein im schnell wachsenden Segment der Massenproduktion von Bauteilen mit einer Photopolymerplattform. Origins sogenannte P3-Technologie – das Kürzel steht für Programmable Photo Polymerization und ist eine Weiterentwicklung des Digital Light Processing (DLP) – härtet flüssige Photopolymere mit Licht aus. Mit dem 3D-Drucker Origin One können Anwender laut Alderath die Qualität von Spritzgussteilen und deren Oberflächenfinish mit hoher Genauigkeit und einer Vielzahl von Hochleistungsmaterialien erreichen. Nur wenig später erweiterte Stratasys mit der Übernahme der britischen RP Support (RPS) sein Angebot um Stereolithographieanlagen der Neo-Systemreihe, die drei Modelle in zwei Baugrößen beinhaltet.

Im April 2021 hatte Stratasys bereits den 3D-Drucker H350 vorgestellt, das erste System, das mit der SAF-Technologie (Selective Absorption Fusion), einem von Xaar 3D entwickelten Pulverbettschmelzverfahren, arbeitet. Dabei werden die Polymerpulverpartikel mit einem infrarotempfindlichen Fluid benetzt und anschließend bestrahlt, um in diskreten Schichten miteinander zu verschmelzen. Im H350 sind sogar ein Dutzend Bauteile verbaut, die mit dem SAF-Verfahren 3D-gedruckt wurden. Inzwischen hat Stratasys auch Xaar 3D übernommen.

Aber auch in den anderen Bereichen gibt es Neues: Der FDM-Drucker F770 eignet sich besonders für große Bauteile, er hat laut Hersteller den längsten auf dem Markt erhältlichen voll beheizten Bauraum und ein großzügiges Bauvolumen von fast 0,4 Kubikmetern. Und mit Multimaterial-3D-Druckern wie dem J35 Pro und J55 Prime können Produktdesigner im PolyJet-Verfahren ultrarealistische Prototypen zum Beispiel von Verpackungen in einem einzigen Druckvorgang erstellen (Bild 1).

Materialspektrum erweitert: PEEK für die Medizintechnik

Mit dem für medizinische Einsatzzwecke besonders geeigneten PEEK (Polyetheretherketon) hat Arburg das Anwendungsspektrum für das Arburg Kunststoff-Freiformen (AKF) noch einmal erweitert. Auf der Formnext verarbeitete ein für Hochtemperatur-Anwendungen ausgelegter Freeformer 300-3X erstmals das Kunststoffgranulat „Vestakeep i2 G“ von Evonik zu individualisierten Schädelknochen-Implantaten (Bild 2). „Dass es sich dabei um ein medizinisch zugelassenes Original-Kunststoffgranulat für dauerhaft implantierbare Medizinprodukte handelt, stößt in der AM-Branche auf großes Interesse. Zudem ist dieser Werkstoff auch für technische Teile interessant“, so Martin Neff, Abteilungsleiter AKF bei Arburg.

Die Maschine ist speziell für die Verarbeitung von Hochtemperatur-Kunststoffen ausgelegt: Der Bauraum kann auf 200 °C beheizt werden, und ein optimiertes Temperaturmanagement sorgt für die erforderliche Kühlung des Systems, insbesondere der Achsantriebe, die den Bauteilträger hochpräzise auf 0,022 mm genau in x-, y- und z-Richtung positionieren. Für den Praxiseinsatz in der Medizintechnik ist der Freeformer auch deshalb prädestiniert, weil sich „die Prozessqualität zuverlässig dokumentieren und jedes Bauteil eindeutig rückverfolgen lässt“, so Neff. Mit der eigens für den Freeformer entwickelten App „ProcessLog“ des Kundenportals „arburgXworld“ lassen sich für alle Bauteile vielfältige Prozess- und Bauauftragsdaten übersichtlich grafisch darstellen. Um dies auf der Messe zu demonstrieren, erhielt jedes Bauteil ein Etikett mit QR-Code. Über den QR-Code können in „ProcessLog“ nicht nur Angaben zur Maschine, zu den verwendeten Materialien sowie zu Auftragsstart und -ende eingesehen werden, sondern zusätzlich die aufgezeichneten Prozessdaten über die komplette Bauzeit mit detaillierten Informationen zu Massedruck, Schneckenposition, Tropfenfrequenz und Austragsmenge.

Dass sich im AKF-Verfahren sogar Werkstoffe verarbeiten lassen, die der additiven Fertigung bislang nicht zugänglich waren, zeigte Arburg beispielhaft an einem Bauteil aus teilkristallinem PBT. Der Werkstoff ist flammhemmend und durchschlagfest und eignet sich für Elektronikgehäuse. In einem Gemeinschaftsprojekt mit Balluff und dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) produzierte ein Freeformer individualisierte Sensoren. Dazu wurde ein Gehäuse aus PBT additiv gefertigt und zwischendurch der Prozess unterbrochen, um manuell Spule, Platine und Stecker einzulegen und Leiterbahnen zu erzeugen.

Zum ersten Mal in Europa präsentierte das US-amerikanische Unternehmen Essentium seinen 3D-Drucker HSE 280i HT, das erste echte unabhängige Dual-Extrusionssystem (IDEX, Independent Dual Extruder), das für die Anforderungen in der industriellen Fertigung entwickelt wurde. Dr. Blake Teipel, CEO von Essentium, sagte dazu: „Während die meisten IDEX-Systeme über Druckköpfe verfügen, die in der X-Achse unabhängig, aber in der Y-Achse miteinander verbunden sind, ist der Essentium HSE 280i HT in beiden Achsen völlig unabhängig. Die Benutzer können fünf Druckmodi nutzen: Einzelkopfmodus, Support-Modus, Multimaterial-Modus, Kopiermodus und unabhängiger Modus.“ Das Bauvolumen beträgt im Multimaterial-Modus 595 x 495 x 600 mm, der Durchsatz – HSE steht für High Speed Extrusion – beträgt bis zu 200 g/h. Die Maschine eignet sich für funktionales Prototyping und die Serienproduktion mit technischen Hochleistungsfilamenten.

Mit dem HSE 240 HT Dual Extruder hat Essentium außerdem eine 3D-Druckplattform mit dualem Extrusionsdruckkopf für kleine und mittelgroße Produktionsstätten und Universitätslabore konzipiert (Bild 3). Sie verfügt über drei Druckmodi (Einzelkopf/Support/Multimaterial), mit denen hochpräzise Teile aus verschiedenen Materialien in einem Druckvorgang hergestellt werden können. Mit einem Bauvolumen von 430 x 350 x 375 mm bietet der 3D-Drucker Leistungsmerkmale wie Hochgeschwindigkeitsdruck, automatische Spulenumschaltung für lange Druckaufträge und eine interne Kamera für die Fernüberwachung. Außerdem verfügt er über eine Baukammer, die Temperaturen von bis zu 185 °C zulässt, und eine beheizte Düse, die bis zu 550 °C erreichen kann, um die mechanische Festigkeit der Fertigungsteile zu gewährleisten.

3D-Granulat-Drucker mit hohen Aufbauraten

Die AIM3D GmbH ist ein 2017 gegründetes Start-up als Ausgründung der Universität Rostock. Das Unternehmen stellt industrielle 3D-Drucker her, die nach dem CEM-Verfahren (Composite Extrusion Modeling) arbeiten. Dieses ermöglicht die Herstellung von Bauteilen aus verstärkten Thermoplasten, Metall und Keramik auf Basis von marktüblichem Spritzgießgranulat ohne Umrüstungsaufwand auf einer Multimaterial-3D-Druckanlage. In den beiden letztgenannten Fällen wird in den vom Metall- bzw. Keramik-Spritzgießen (MIM/CIM) bekannten Granulaten nur der Kunststoffanteil (Binder) aufgeschmolzen, um einen Grünling zu erzeugen. Die 3D-Drucker verfügen als Alleinstellungsmerkmal über einen patentierten CEM-Extruder, der nahezu jedes Spritzgießgranulat bis zu einem Durchmesser von 3 mm verarbeiten kann (Bild 4).

Nun hat das Unternehmen mit dem ExAM 510 einen 3D-Drucker für größere Bauräume, höhere Präzision und Baugeschwindigkeiten vorgestellt. Der neue Multimaterialdrucker ist eine Weiterentwicklung der kleineren Version ExAM 255 und kann bis zu drei Materialien – zwei Baumaterialien und ein Stützmaterial – parallel verarbeiten. Die deutlich gesteigerte Baugeschwindigkeit liegt, je nach Werkstoff, bei bis zu 250 cm³/h (bei Verwendung einer 0,4-mm-Düse). Clemens Lieberwirth, CTO bei AIM3D: „Diese Extruder-Klasse ermöglicht eine um bis zu Faktor 10 höhere Austragsrate als marktgängige Filament-Extruder. Durch den Einsatz von Linearmotoren und einem stabilen Mineralgussbett wird es möglich, auch bei hohen Geschwindigkeiten höchst präzise zu fahren und damit das Potenzial der Technologie zu erschließen.“

Der erweiterte Bauraum von 510 x 510 x 400 mm lässt sich bis zu 200 °C temperieren, um Spannungen im Bauteil zu reduzieren. Die beheizte Prozesskammer ermöglicht es auch, Hochleistungskunststoffe wie PEEK, PEI, PSU oder PPS mit und ohne Faserverstärkung als Granulat zu verarbeiten. Dies bedeutet einen enormen Kostenvorteil auf der Rohstoffseite. Am Beispiel von PEEK zeigt sich die hohe Wirtschaftlichkeit am deutlichsten: Liegt der PEEK-Filament-Preis bei ca. 700 EUR/kg auf konventionellen AM-Anlagen, kann die ExAM 510 auf PEEK-Granulat zurückgreifen, dessen Marktpreis von rund 50 EUR/kg eine Kostensenkung um den Faktor 14 bedeutet.

Die klassischen Anwendungsgebiete für diese Werkstoffe finden sich in der Automobilindustrie, Medizintechnik oder Luft- und Raumfahrt, wo auch die Pilotkunden von AIM3D angesiedelt sind. Nach einer Beta-Phase mit Pilot-Verarbeitern soll die ExAM 510 nach Angaben des Herstellers zur Formnext 2022 serienreif sein.

Verbindung zwischen inkompatiblen Materialien

Eine erprobte Lösung für die additive Fertigung von hochbelasteten, großvolumigen Bauteilen ist auch das SEAM-Verfahren. Das „Screw Extrusion Additive Manufacturing“ zeichnet sich einerseits durch die Verwendung von Standardgranulat und andererseits durch hohe Durchsätze von mehr als 5 kg/h aus. Auf der Formnext präsentierte Yizumi erneut eine – wenn auch klein dimensionierte – Anwendung, die bereits auf der Fakuma zu sehen war: die Verarbeitung eines hochfesten Polyamids auf Basis von Rizinusöl, das mit 40 % wiederverwerteten Kohlefasern (PIR) verstärkt ist, auf einem Edelstahlblech (Titelbild), wobei eine feste Verbindung zwischen diesen normalerweise inkompatiblen Materialien dadurch erzeugt wurde, dass vor dem Start des Druckjobs mit einer Plasmabehandlung auf dem Blech eine hauchdünne Haftvermittlerschicht abgeschieden wird (siehe S. 21 in diesem Heft).

„Die mit dem SEAM-Verfahren erzielbaren Durchsätze und Materialeigenschaften machen, kombiniert mit einem bauteilgerechten Design, auch Stückzahlen jenseits der 10 000 in additiver Fertigungsweise möglich und bieten eine Alternative zum Spritzgießen“, erläuterte Dr. Nicolai Lammert, Head of Business Unit Additive Manufacturing bei Yizumi Deutschland. „Eine Skalierung über die Anlagenanzahl oder innerhalb einer Fertigungszelle über die Anzahl der Extruder und Düsen vervielfacht die Stückzahl pro Stunde bei geringen Investitionskosten.“

Ein echtes Beispiel für das „Large Format Additive Manufacturing“ (LFAM) zeigte der italienische Aussteller CMS (Costruzioni Macchine Speciali) mit der Herstellung eines über einen Meter langen Bauteils. Das zusammen mit dem Fraunhofer-Institut entwickelte hybride Fertigungssystem Kreator, das auf dem Messestand in etwa den Platz einer Garage beanspruchte, kombiniert dabei eine SEAM-Einheit (bis zu 7 kg/h Austrag) mit einer 5-Achsen-Fräsmaschine für die Nachbearbeitung.

Übrigens, mit Italien präsentierte sich erstmals ein europäisches Partnerland auf der Formnext. Einer der vielen Aussteller von dort mit einer bemerkenswerten Neuentwicklung im Reisegepäck war Roboze. Das Unternehmen stellte die nach eigenen Angaben größte Maschine mit einer beheizten Prozesskammer für die additive Verarbeitung von Verbundwerkstoffen und Hochleistungskunststoffen wie PEEK vor. Das neue Modell Argo 1000 verfügt über einen Bauraum von einem Kubikmeter Größe (1000 x 1000 x 1000 mm) und einen im Maschinenbett integrierten patentierten Trockner (Bild 5). Das leistungsfähige Steuerungssystem von B&R und die ebenfalls patentierte riemenlose Technologie von Roboze erhöhen die Druckgeschwindigkeit und bewirken eine sechsmal höhere Wiederholgenauigkeit als riemengetriebene Drucker. Die Drucktechnik erinnert damit an die Kinematik industrieller Werkzeugmaschinen.

Die hohen mechanischen Eigenschaften und die Maßtoleranz der hergestellten Teile sind das Ergebnis eines exakten Temperaturmanagements während des gesamten Prozesses. Das Material wird mit bis zu 450 °C extrudiert, während in der gesamten Prozesskammer eine homogene Temperatur von 180 °C herrscht. Dies wird durch einen konstanten Wärmestrom erreicht, der dadurch entsteht, dass ein an der Unterseite der Baustruktur angebrachter Kollektor die eingeleitete Luft ansaugt und sie nach dem Erwärmen durch die Löcher an den Seitenwänden wieder in die Kammer führt.

Die voll vernetzte Maschine auf Basis der B&R-Steuerung („Roboze Automate“) vereinfacht mit ihren Sensoren sowie Fernsteuerungs- und Diagnosefunktionen den gesamten Arbeitsablauf und die Erstellung von Berichten aus allen Phasen des Druckprozesses. Die Digitalisierung ermöglicht auch eine vorausschauende Wartung und eine ständige automatische Aktualisierung neuer Funktionen und Softwareparameter. „Der Argo 1000 wird ein Pionier bei Metallersatzanwendungen in anspruchsvollen Branchen wie Luft- und Raumfahrt sowie im Mobilitäts- und Energiesektor sein“, sagte Alessio Lorusso, Gründer und CEO von Roboze. Verkaufsstart soll im dritten Quartal 2022 sein – rechtzeitig zur nächsten Formnext. In diesem Jahr findet die Messe vom 15. bis 18. November statt.

Bild 2. Schädelknochen-Implantat aus PEEK. Die Stützstrukturen dahinter sind so locker aufgebaut, dass sie mechanisch abgelöst werden können.

Bild 3. Der HSE 240 HT Dual Extruder ist eine 3D-Druckplattform mit dualem Extrusionsdruckkopf.

Bild 4. Der neue CEM-E2-Extruder ist ein Multimaterialdruckkopf, der die Werkstoffe Metall, Kunststoff und Keramik drucken kann.

Bild 5. Die Argo 1000 ist die größte Maschine mit einer beheizten Prozesskammer für die additive Verarbeitung von Verbundwerkstoffen und Hochleistungskunststoffen.

Ein hochfestes carbonfaserverstärktes Polyamid wird auf ein plasmabehandeltes Edelstahlblech gedruckt.

Bild 1. Mit dem PolyJet-Druck können Designer hochtransparente, vollfarbige Verpackungen mit integrierten Grafiken und Etiketten in einem Druckvorgang erstellen.

Name - Hauptartikel

Doriat, Clemens, Dr.

Anlagen Additive Fertigung / 3D-Druck, Kunststoff

Anlagen für die Additive Fertigung

Anlagen für die Stereolithografie, Kunststoff

3D-Drucker (für FDM, FFF, etc.)

Anlagen Additive Fertigung / 3D-Druck, Metall

Additive Fertigung

Hochleistungskunststoffe

Kunststoff Werkstoffe

Thermoplaste

Atmosphärische Plasmatechnologie als Schlüssel zu mehr Ressourcenschonung

Der Einsatz von Rezyklaten konfrontiert Unternehmen bei der Verarbeitung, Verklebung, Bedruckung und Etikettierung der Materialien bzw. Bauteile mit neuen Anforderungen. Die atmosphärische Plasmatechnologie hat sich hier als Schlüsseltechnologie etabliert: Oft ermöglicht sie die Nutzung von Recycling-Kunststoffen überhaupt erst.

Der Einsatz von Rezyklaten konfrontiert Unternehmen bei der Verarbeitung, Verklebung, Bedruckung und Etikettierung der Materialien bzw. Bauteile mit neuen Anforderungen. Die atmosphärische Plasmatechnologie, auf die sich die Plasmatreat GmbH spezialisiert hat, hat sich hier als Schlüsseltechnologie etabliert: Oft ermöglicht sie die Nutzung von Recycling-Kunststoffen überhaupt erst – und erweist sich darüber hinaus als Mittel der Wahl auf dem Weg zu umweltfreundlicheren, ressourceneffizienteren Produktionsprozessen.

Ein verantwortungsvoller Umgang mit Ressourcen ist für immer mehr Betriebe ein ernsthaftes Unternehmensziel, das ganz oben auf der Agenda steht. In der Kunststoffverarbeitung spielt vor allem der Einsatz von Rezyklaten als Ergänzung und Alternative zu Neuware eine entscheidende Rolle im Engagement für Umwelt- und Klimaschutz. Mit der Umstellung auf Werkstoffe mit Anteilen aus Rezyklaten oder sogar auf reine Recycling-Kunststoffe stehen Unternehmen jedoch vor neuen Herausforderungen. Denn bei der Aufbereitung der Materialien für eine Wiederverwendung kommt es auf Sortenreinheit an: Ist diese sichergestellt, so lassen sich Kunststoffe im Allgemeinen gut wieder einschmelzen und noch einmal zur Herstellung unterschiedlichster Produkte einsetzen. „In vielen Fällen ist dies jedoch nicht vollständig möglich. Gerade Kunststoffe wie Polypropylen und Polyethylen lassen sich mit klassischen Methoden nicht sortenrein trennen, da sie sich chemisch nur geringfügig unterscheiden“, erklärt Dr. Alexander Knospe, Head of Innovations and Patents bei Plasmatreat. Doch schon geringfügige Veränderungen des Materials können den gesamten Verarbeitungsprozess beeinflussen.

Hier kommt die Kompetenz von Plasmatreat ins Spiel: Das Unternehmen ist auf den Einsatz atmosphärischer Plasmatechnologie in der industriellen Fertigung spezialisiert. Tritt Plasma in Kontakt mit Materialien, so verändern sich deren Oberflächeneigenschaften, zum Beispiel von hydrophob zu hydrophil. Plasmatreat hat verschiedene Lösungen zur Oberflächenbehandlung entwickelt, die in kontrollierten und reproduzierbaren Prozessen für nahezu alle Materialien eingesetzt werden:

<ul><li>Bei der Feinstreinigung mit Openair-Plasma werden die Substrate von Verschmutzungen befreit.</li><li>Die Plasmaaktivierung erhöht die Oberflächenenergie und verbessert die spätere Haftung von Klebstoffen und Lacken.</li><li>Das Verfahren PlasmaPlus schafft durch Nanobeschichtung funktionalisierte Oberflächen mit definierten Eigenschaften, wie zum Beispiel eine Korrosionsschutzbeschichtung oder eine Haftvermittlerschicht.</li></ul>

Zahlreiche Branchen nutzen bereits für unterschiedlichste Prozesse die Wirkungskraft von Plasma. In der Verwendung von Recycling-Kunststoffen bekommt die Plasmatechnologie noch einmal eine besondere Bedeutung: Durch die nicht immer 100-prozentig sortenreine Trennung entstehen beim Recyclingprozess Kunststoffe, die (geringfügig) andere Eigenschaften aufweisen als Neuware, zum Beispiel in der Qualität der Oberfläche.

Dies wirkt sich negativ auf Prozesse wie das Verkleben, Bedrucken, Lackieren, Etikettieren, Auftragen von Dichtungen und mehr aus. „Plasmatreat bietet hier mit verschiedenen Plasmaanwendungen effiziente Lösungsmöglichkeiten. Diese vereinfachen die Weiterverarbeitung von Recycling-Kunststoffen, zum Beispiel durch gezielte Aktivierung des Kunststoffs oder durch die Aufbringung einer Nanoschicht, die die Oberfläche mit zusätzlichen Eigenschaften versieht. So erweitern wir die Einsatzmöglichkeiten von Rezyklaten, verbrauchen dabei selbst nur Strom und Druckluft und tragen so zu mehr Umwelt- und Klimaschutz bei“, erklärt Lukas Buske, Head of Plasma Applications bei Plasmatreat.

Makelloser, langzeitbeständiger UV-Digitaldruck auf Recycling-Bechern

Wie dies in der Praxis aussehen kann, veranschaulicht Plasmatreat unter anderem in Zusammenarbeit mit dem Spritzgießmaschinenhersteller Arburg: Auf der Digital Edition der Hannover Messe 2021 demonstrierte Arburg, wie sich ein frisch gespritzter Trinkbecher im Knitter-Look aus recyceltem Polypropylen (PP) im UV-Digitaldruck ohne den Einsatz zusätzlicher Haftvermittler bedrucken lässt. Der Recycling-Becher wird nach der Entnahme aus dem Spritzgießwerkzeug einer Openair-Plasmabehandlung unterzogen, die die Druckfläche wirksam aktiviert (Bild 1).

Die Plasmaaktivierung sorgt dafür, dass sich die Oberflächenenergie des unpolaren Kunststoffs deutlich erhöht. Dies ermöglicht eine vollflächige Benetzung der Druckfläche beim UV-Digitaldruck und schafft die Voraussetzung für eine gute Haftung der lösemittelfreien Druckfarben auf dem Untergrund, wie beispielsweise auf dem hier eingesetzten Recycling-PP (Bild 2). Das Ergebnis ist ein brillantes, scharfes Druckbild, das dauerhaft beständig gegen Abrieb und Feuchtigkeit ist.

In dem beschriebenen Projekt, das Arburg im Rahmen der R-Cycle-Initiative realisiert hat, ist dies nicht nur aus optischen, sondern auch aus praktischen Gründen von Bedeutung: Bei der Herstellung erhält der Recycling-Becher einen „digitalen Pass“ und wird mit DM-Codes bedruckt, die dank Plasmabehandlung auch nach längerer Nutzung gut lesbar sind. Über einen DMC sind die in der R-Cycle-Datenbank hinterlegten Materialinformationen für das Recycling abrufbar. Diese machen den Becher nach Verwendung wieder zum Wertstoff und unterstützen eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft.

Feste Verbindung im 3D-Druck von Metall und recyceltem Kunststoff

Ein weiteres Gemeinschaftsprojekt war dem 3D-Druck mit einem hochfesten nachhaltigen Kunststoff gewidmet. Auf der Fakuma 2021 präsentierten die beteiligten Unternehmen – Plasmatreat, der Kunststoffspezialist Akro-Plastic und Yizumi Germany, Hersteller von 3D-Druckern für industrielle Anwendungen – die Herstellung eines 3D-Bauteils aus einem biobasierten und carbonfaserverstärkten Polyamid auf einem Metallträger. Im Druckprozess diente ein mit einem plasmapolymerisierten Haftvermittler beschichtetes Edelstahlblech als Untergrund (Bild 3).

In diesem Fall kam die PlasmaPlus-Technologie von Plasmatreat zum Einsatz: Über einen speziellen Düsenkopf werden dem Plasma dabei je nach Anwendung spezifische Zusatzstoffe zugeführt; diese werden durch das Plasma angeregt. Ihre Reaktivität wird dabei signifikant erhöht. So können sich die Substanzen während der Plasmabeschichtung an der Materialoberfläche anlagern und fest anbinden.

Es entsteht eine Schicht mit funktionellen Oberflächeneigenschaften, die sich individuell auf den Prozess abstimmen lassen. In dem beschriebenen Beispiel wird auf dem Blech eine PT-Bond-Nanoschicht abgeschieden, die eine feste Verbindung zwischen dem Metallträger und der ersten Schicht der Kunststoffschmelze schafft, also zwischen normalerweise inkompatiblen Materialien. Anwender profitieren mit diesem Verfahren zukünftig von erweiterten Einsatzfeldern bei 3D-gedruckten Bauteilen und der Möglichkeit, verstärkt nachhaltige Materialien einzusetzen.

Automobilindustrie setzt auf Dashboards mit Recycling-Anteil

In der Automobilindustrie mit ihren hohen Qualitätsanforderungen und strengen Vorgaben an die Zulieferer ist die Verwendung von Recycling-Kunststoffen längst angekommen. Viele Hersteller geben in ihren Lastenheften konkrete Recyclingquoten vor. Die Zulieferer stehen vor der Herausforderung, diese Vorgaben prozesssicher umzusetzen. Hier hat sich die Plasmatechnologie bereits auf unterschiedliche Weise bewährt. In der Gestaltung des Innenraumdesigns verwenden schon zahlreiche Fahrzeughersteller zu einem gewissen Anteil Recycling-Materialien, so beispielsweise in der Produktion von Instrumententafeln aus Kunststoff.

Diverse Hersteller nutzen für die Oberflächenvorbehandlung die Plasmatechnologie von Plasmatreat: Die Vorbehandlung mit Plasma macht unpolare (Recycling-)Kunststoffe für Haftungsprozesse empfänglich und sorgt für eine feste Verbindung der unterschiedlichen, zum Teil sogar inkompatiblen Materialien, zum Beispiel bei der Kaschierung von Dashboards aus Recycling-Materialien mit pulvergesinterten Formhäuten aus Weichkunststoff (Bild 4).

Umweltfreundlichere Prozesse und Rohstoffeinsparungen

Doch nicht nur durch die verbesserte Nutzung von Recycling-Kunststoffen unterstützt die Plasmatechnologie die Industrie in ihren Anstrengungen für mehr Umwelt- und Klimaschutz. Sie hilft außerdem dabei, umweltbelastende Prozesse durch weniger schädliche zu ersetzen. So setzen renommierte Hersteller, zum Beispiel aus der Automobilbranche, die Plasmavorbehandlung als Alternative zur traditionell verwendeten Oberflächenbehandlung ein (Bild 5). Die Plasmatechnologie verhilft den Herstellern zu deutlichen CO2-Einsparungen: Während zum Beispiel die Beflammung mit Propan- oder auch Methangas erfolgt, werden Plasmadüsen mit Strom und Druckluft betrieben. Setzt man nun grüne Energie ein, so findet die Plasmabehandlung CO2-neutral statt. Doch selbst wenn ein konventioneller Strommix genutzt wird, beträgt die CO2-Bilanz bezogen auf die behandelte Fläche allenfalls ein Fünftel des Ausstoßes, der bei einer Beflammung anfällt. Lukas Buske ergänzt: „Die Plasmatechnologie macht auch umweltschädliche Chemikalien, wie zum Beispiel den sonst üblichen Primer-Einsatz beim Verkleben, überflüssig. Das verbessert die Umweltbilanz ebenfalls.“

Das Beispiel der Instrumententafel-Produktion zeigt darüber hinaus, dass Plasmatechnologie durch effizientere Prozesse und Rohstoffeinsparungen punkten kann. Der Prozess der Beflammung erfordert die Abdeckung aller Bereiche der Bauteile, an denen später keine Haftung erfolgen soll, mit thermisch stabilen Masken. Durch den Einsatz von Openair-Plasma (Titelbild) entfällt dieser Arbeitsschritt komplett, da der Plasmastrahl ortsselektiv arbeitet und millimetergenau der Bauteilgeometrie folgt.

Darüber hinaus entsteht bei der Plasmabehandlung nur sehr wenig Wärme. Dadurch bleiben die behandelten Bauteile auch dann formstabil und unbeschädigt, wenn sie insgesamt dünnwandiger ausgelegt werden. Von den dadurch möglichen Materialeinsparungen profitieren Umwelt und Hersteller zusätzlich. Besonders die Automobilindustrie in ihrem Bestreben nach Leichtbau kann so – mit gewichtsoptimierten und gleichzeitig belastungsfähigen Bauteilen – das Gesamtgewicht der Fahrzeuge und damit den Kraftstoffverbrauch verringern.

Plasmatechnologie treibt nachhaltige Entwicklungen voran

Die vorgestellten Beispiele belegen, wie die Plasmatechnologie Unternehmen nicht nur mit leistungsfähigen und effizienten Prozessen unterstützt, sondern auch in ihrem Bemühen um Ressourcenschonung. Die heutigen Möglichkeiten der Plasmatechnologie stellen allerdings nur einen Anfang dar – bei Plasmatreat und in mehreren Forschungseinrichtungen stehen weitere Projekte in den Startlöchern, die ebenfalls zu Serienlösungen werden sollen.

Der Head of Innovations and Patents, Dr. Alexander Knospe, führt mit seinem Ausblick auf den Ausgangspunkt dieses Artikels, die Recycling-Kunststoffe, zurück: „Aufgrund der großen eingesetzten Kunststoffmengen spielen im werkstofflichen Recycling vor allem Polypropylen und Polyethylen eine wichtige Rolle. Wie beschrieben, ist eine sortenreine Trennung bei der Wiederverwertung aufgrund der ähnlichen Materialeigenschaften herausfordernd und teilweise nicht wirtschaftlich. Es werden heute bis zu 10 Gew.-% kostenintensive Additive hinzugefügt, damit die Vermischung der Materialien im Extruder gewährleistet ist und akzeptable Materialeigenschaften erzielt werden – damit recycelt man zwar den wertvollen Werkstoff, fügt dafür jedoch Stoffe hinzu, bei deren Herstellung CO2-Emissionen angefallen sind und die den Materialpreis deutlich steigern.“

Aktuelle Forschungen, die am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen im Rahmen des AiF-Projekts „Schmelzefunktionalisierung“ durchgeführt werden, sollen dies zukünftig überflüssig machen. Eine Funktionalisierung der Kunststoffschmelze mithilfe von Atmosphärendruck-Plasma direkt im Extruder könnte die Verträglichkeit der Materialien durch Einbau funktioneller Gruppen in die Polymerketten erhöhen. Knospe abschließend dazu: „Dann müssten in Zukunft beispielsweise Mischungen aus PE- und PP-Folien nicht mehr mit großem Aufwand separiert werden.“

Beim Einsatz von Openair-Plasma arbeitet der Plasmastrahl ortsselektiv und folgt millimetergenau der Bauteilgeometrie. Bei der Plasmabehandlung entsteht nur sehr wenig Wärme, sodass die behandelten Bauteile formstabil bleiben.

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Bild 2. Eine hohe Oberflächenenergie ist entscheidend für die Benetzung der Druckfarbe beim UV-Digitaldruck und schafft die Voraussetzung für eine gute Haftung der lösemittelfreien Druckfarben.

Bild 1. Der im Spritzgießverfahren gefertigte Recycling-Becher wird mit Openair-Plasma behandelt, um die Oberflächenenergie des unpolaren Kunststoffs zu erhöhen.

Bild 3. Durch die Haftvermittlerschicht, die mittels PlasmaPlus-Verfahren auf den Metallträger aufgebracht wird, hält der aus einem carbonfaserverstärkten Polyamid gefertigte Stiftehalter auf dem Untergrund.

Bild 4. Die Vorbehandlung mit Plasma macht unpolare Kunststoffe für Haftungsprozesse empfänglich und sorgt für eine feste Verbindung der unterschiedlichen, zum Teil sogar inkompatiblen Materialien, zum Beispiel bei der Kaschierung von Dashboards aus Recycling-Materialien mit pulvergesinterten Formhäuten aus Weichkunststoff.

Bild 5. Die Aktivierung der Oberfläche mit Plasmatechnologie erhöht die Oberflächenenergie  und verbessert die Haftung von Klebstoffen und Lacken, auch bei Kunststoffteilen, die aus Rezyklat hergestellt sind.

Plasmatreat - Hauptartikel

Anne-Laureen Lauven ist Leiterin Marketing der Plasmatreat GmbH, Steinhagen; al.lauven@plasmatreat.com

Die Plasmatreat GmbH ist international führend in der Entwicklung und Herstellung von atmosphärischen Plasmasystemen zur Vorbehandlung von Materialoberflächen. Ob Kunststoff, Metall, Glas oder Papier – durch den industriellen Einsatz von Plasmatechnologie werden die Eigenschaften der Oberfläche zugunsten der Prozessanforderungen modifiziert. Die Openair-Plasma-Technologie wird in automatisierten und kontinuierlichen Fertigungsprozessen in nahezu allen Branchen eingesetzt. Beispiele hierfür sind die Automobil-, Elektronik-, Transport-, Verpackungs-, Konsumgüter- oder Textilindustrie, aber auch in der Medizintechnik und im Bereich erneuerbare Energien werden die Technologie-, Kosten- und Umweltvorteile der Plasmatechnologie genutzt.

Die Plasmatreat-Gruppe verfügt über Technologiezentren in Deutschland, den USA, Kanada, China und Japan und ist mit ihrem weltweiten Vertriebs- und Servicenetzwerk in über 30 Ländern mit Tochtergesellschaften und Vertriebspartnern vertreten.

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Kunststoff-Rezyklat

Glykolische Depolymerisierung versus mechanisches Bottle-to-Bottle-Recycling

Gängige Anlagen fürs PET-Recycling setzen auf Einschneckenextruder, deren maximale Durchsätze bei zweieinhalb Tonnen pro Stunde liegen. KraussMaffei forscht seit 2004 an einem Verfahren, bei dem diese Mengen mithilfe von Glykol und dem Einsatz eines Doppelschneckenextruders deutlich erhöht werden. Bei der derzeit hohen Nachfrage nach rPET-Materialien gewinnt die Technologie zunehmend an Bedeutung.

Das wohl bekannteste Verfahren im Bereich des Kunststoffrecyclings ist die Rückführung und Neuproduktion von PET-Flaschen. Dieser Prozess, bei dem aussortierte PET Flaschen gewaschen, eingeschmolzen, gefiltert und nach dem Granulieren als Basisstoff neuer PET-Flaschen dienen, ist seit vielen Jahren eines der wenigen Recyclingverfahren, das als etabliert bezeichnet werden darf. Allgemein wird bei PET heute schon eine weltweite Wiederverwendungsquote von über 30 % erreicht.

Durch das wachsende Interesse an Recyclingkunststoffen haben sich nun auch die Anforderungen an Materialmengen und Qualität deutlich erhöht. Die gängigen Verfahren in diesem Bereich unter dem Einsatz von Einschneckensystemen erreichen dabei Durchsätze von maximal 2,5 t pro Stunde und Maschine. Aus dieser Situation heraus, sowie der Möglichkeit, Polymerstrukturen neu aufzubauen und damit die Qualität von Neuware zu erreichen, erlangt der glykolitische Abbau für PET-Materialien immer größere Aufmerksamkeit. KraussMaffei hat für solche Verfahren bereits im Jahr 2004 die ersten Anlagen in Betrieb genommen. In jüngster Zeit hat das Interesse an diesem Verfahren stark zugenommen.

Die Technologie punktet mit Nachhaltigkeit – unabhängig von allen Preisen

Der Trend wurde in den vergangenen Jahren zusätzlich durch rückläufige Preise für PET-Neuware beeinflusst, was nur den Einsatz von Großmaschinen rentabel machte. Während der Preis für PET-Neuwaren vor 2010 eher zunahm, und somit rPET auch aus ökonomischen Aspekten bereits bei geringen Mengen wettbewerbsfähig sein konnte, hat sich diese Situation seither stark verändert. Nun setzen die PET-Polymerhersteller aber auch aus Gründen der Nachhaltigkeit auf den Einsatz von rPET. Und dort werden beim glykolitischen Abbau im selben Prozess gleich mehrere Tonnen rPET in das Verfahren eingespeist, sodass Doppelschneckenextruder weiter in den Fokus rücken.

Der Prozess von KraussMaffei beginnt mit der Dosierung, von der aus das Material an den Doppelschneckenextruder übergeben wird. Dort werden die gewaschenen und getrockneten Flakes aufgeschmolzen, homogenisiert und über einen Vakuum-Entgasungsdom von anhaftender Feuchtigkeit und etwaigen niedrig siedende Kontaminationen befreit. Darauf folgend wird in das Verfahrensteil flüssiges Glykol eingespritzt und homogen eingemischt. Die entstehende chemische Reaktion spaltet und kürzt die Polymerketten, wodurch Oligomere entstehen. So wird aus der PET-Flaschenfraktion mit einem IV-Wert von 0,7 bis 0,8 dl/g eine niedrigviskose Schmelze. Die Viskosität kann kontrolliert abgesenkt werden, wobei in der Regel ein IV-Wert zwischen 0,5 und 0,2 dl/g für die nachfolgenden Prozesse benötigt wird. An dieser Stelle zeigt sich die große Stärke des Prozesses. Je niedriger die Viskosität, desto feinere Filter können im nächsten Schritt eingesetzt werden. Filter mit einer Feinheit von 60 µm oder kleiner sorgen dafür, dass auch sehr kleine Störstoffe aus der Schmelze entfernt werden. Im Prozess der petrochemischen Großindustrie für die PET-Herstellung wird im Anschluss daran die niedrigviskose Rezyklatschmelze parallel zum Materialstrom des Reaktors für Neuware in einen Endreaktor eingespeist. Dort wird dann dieses Inputmaterial zu langkettigen Polymerem mit dem gewünschten IV-Wert repolymerisiert.

Die Erreichung eines IV-Wertes von 0,2 dl/g stellt hohe Ansprüche an Maschine und Prozess. Die Dichtungen und Spiele des Extruders, von Schmelzepumpen und Filtern müssen hierauf entsprechend angepasst werden. KraussMaffei realisiert dies durch sehr geringe Fertigungstoleranzen in der Qualität „made in Germany“.

Aufgrund der Anforderung des Marktes, möglichst feine Filterstufen nutzen zu können, wurden in den Laboren von KraussMaffei viele Versuche gefahren, um einen IV-Wert von 0,2 dl/g und niedriger zu erreichen. Neben einer geringstmöglichen Viskosität war die Zielsetzung, keine Additive zu nutzen, um eine hohe Schmelzequalität ohne Fremdstoffe zu erreichen. Die Zugabe von hohen Glykolmengen ist nicht trivial, da im Labor keine Reaktoren als Nachfolge zur Verfügung stehen um das Material zu repolymerisieren und eine Regranulierung somit nicht möglich ist. In den Versuchen konnte eine Viskosität von 0,15 dl/g erreicht werden und die Schmelze von einer Zahnradpumpen abgefördert werden. Dabei wurde nachgewiesen, dass diese Viskosität mit 2 bis 3 % Glykol erreicht werden kann und eine weitere Zugabe von Glykol diese weder verringert noch erhöht.

Bei all diesen Versuchen gilt es zu beachten, dass beim Umgang mit Ethylen-Glykol-Mengen aufgrund des Flamm- und Siedepunktes ein besonderes Augenmerk auf die Atex-Schutzmaßnahmen gerichtet werden muss. Zum einen können Undichtigkeiten in der Glykolzugabe zu Entflammung oder zur Deflagration führen, wenn diese sich an heißen Oberflächen des Extruders entzünden beziehungsweise verdampfen und anschließend entzünden. Zum anderen können auch die aus der Schmelze austretenden Glykoldämpfe sich entzünden oder eine Deflagration auslösen. Diese Dampfentwicklung ist besonders bei einem höheren Anteil von Glykol (> 5 %) zu beobachten.

Durch die geringe Viskosität können noch feinere Filter verwendet werden. Dies kann die Qualität der Schmelze weiter erhöhen und somit den Recycling-Anteil im Endprodukt erhöhen. Durch die Zugabe von Additiven oder neue Verfahren könnte die Viskosität noch weiter abgesenkt werden, um noch feinere Filter zu verwenden, die unter Umständen sogar gröbere Farbpigmente entfernen könnten. Offensichtlich wird, dass Doppelschneckenextruder mit solchen Prozessen eine sehr gute Alternative gegenüber gängigen Prozessen darstellen. Die hohen Durchsätze und Qualitäten, die KraussMaffei hierbei mit seinen Anlagen erzielt, werden diesen Wandel weiter verstärken.

Das Schema verdeutlicht die Funktionsweise des Doppelschneckenextruders bei der rPET-Gewinnung, bei dem es auf eine exakte Dosierung, Extrusion und Filterung des Glykolgemischs ankommt.

Franz-Xaver Keilbach ist seit 2020 Application Owner Circular Economy/Recycling

Daniel Prizinitzki ist seit 2017 Process Engineer Compounding bei KraussMaffei

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Extrusionsanlagen

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Interview zum Einsatz von künstlicher Intelligenz in der Abfallsortierung

„KI besitzt großes Potenzial für die  Sortierung von Lebensmittelverpackungen“

Die Sortierung spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufbereitung von Kunststoffabfällen. Eine Möglichkeit, diese zu verbessern, stellen Systeme dar, die auf künstlicher Intelligenz beruhen. Der Sortieranlagenhersteller Tomra hat etwa in letzter Zeit entsprechende Technologien vorgestellt. Über diese sprach Kunststoffe mit Felix Flemming und Valerio Sama von Tomra.

Die Sortierung spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufbereitung von Kunststoffabfällen. Eine Möglichkeit, diese zu verbessern, stellen Systeme dar, die auf künstlicher Intelligenz beruhen. Der Sortieranlagenhersteller Tomra hat etwa in letzter Zeit entsprechende Technologien vorgestellt. Über diese sprach Kunststoffe mit Felix Flemming und Valerio Sama von Tomra. Im Interview erklären sie, welche Fortschritte sich damit erzielen lassen, wie wichtig dafür die Digitalisierung ist und welche Verbesserungen das für Lebensmittelverpackungen bedeutet.

Künstliche Intelligenz (KI) ist kein Hype mehr, sondern kommt bereits an verschiedenen Stellen zum Einsatz. Auch der Sortierspezialist Tomra verwendet sie in einigen seiner Systeme. Sie soll dabei helfen, die Sortierleistung der Anlagen zu verbessern und somit die Menge an recycelbaren Kunststoffen zu erhöhen. Wir sprachen mit Felix Flemming, Senior Vice President und Head of Digital bei Tomra Sorting, und Valerio Sama, Vice President und Head Of Product Management Recycling bei Tomra Sorting, über die Vorteile von KI für die Sortierung.

Kunststoffe: Tomra hat mit GAIN und Deep Laiser zwei auf KI basierende Systeme entwickelt. Was verbirgt sich dahinter?

Valerio Sama: Bei Deep Laiser handelt es sich um eine Weiterentwicklung unserer Laser-Object-Detection-Technologie. Diese Technik ist in die neueste Generation unseres Sortiersystems Autosort integriert und erfüllt drei wesentliche Funktionen. Erstens können wir damit Limitierungen der klassischen Nahinfrarotsensoren (NIR, Anm. d. Red.) ausgleichen, etwa die Erkennung von mit Ruß eingefärbten, schwarzen Kunststoffen. Dafür erfassen wir über einen Laser zusätzliche Informationen von den Abfällen. Durch diese Technik ist es zweitens auch möglich, überlappende Objekte zu erkennen und diese virtuell zu trennen. Wir nennen das Smart Segmentation. Für die dritte Funktion wird die Lasertechnik mit Deep Learning kombiniert. Dadurch lassen sich Systeme auf bestimmte Objekte trainieren. Diese sind anschließend erkenn- und sortierbar.

Sama: Bei GAIN handelt es sich um eine reine Deep-Learning-Technologie. Dabei trainieren wir ein neuronales Netzwerk mit von einer Kamera aufgezeichneten Bildern. Auch diese Technik dient dazu, Limitierungen der klassischen Sensortechnik auszugleichen. Ein gutes Beispiel dafür sind PE-Silikon-Kartuschen. Mit üblichen Sortiersystemen lassen sich nur unterschiedliche Polymere voneinander trennen, aber nicht PE von PE. Das trainierte Kamerasystem erkennt nun aber die Kartuschenform und kann diese dann ebenfalls separieren.

Kunststoffe: Die KI wird somit eingesetzt, um bestehende Systeme zu verbessern, und nicht, um sie zu ersetzen?

Felix Flemming: Exakt. Mit Deep Learning können bestehende Sensorsysteme verbessert werden, um die Sortierleistung zu erhöhen. Die Leistung besteht darin, die Daten der Sensorik mit denen der Bilderkennung zu kombinieren. Darin liegt das große Potenzial.

Kunststoffe: Neuronale Netze müssen trainiert werden, damit sie ihre Funktion erfüllen können. Bieten Sie die Netze bereits trainiert an oder muss das der Anwender vor Ort machen?

Sama: Der Kunde erhält natürlich das fertige neuronale Netz, das speziell auf sein Problem zugeschnitten ist. Dafür haben wir ein eigenes Team aufgestellt, das die Systeme für die jeweilige Applikation vorbereitet. Gerade im Kunststoffbereich ist das jedoch ein kontinuierlicher Prozess. Verpackungen zum Beispiel verändern sich sehr häufig. Deshalb muss das Netz im Feld ständig weiter optimiert werden.

Kunststoffe: Verpackungen unterscheiden sich auch stark in verschiedenen Ländern und Regionen. Berücksichtigen Sie das bei den trainierten Netzen?

Flemming: Das tun wir. Verpackungen unterscheiden sich in der Tat stark zwischen verschiedenen Ländern. Deshalb muss man entweder einen ganzen Baukasten an Netzen vorrätig haben oder die Grundlagen trainieren, Flaschen bestimmter Marken sind etwa weltweit weitestgehend einheitlich, und anschließend die regionalen Besonderheiten hinzufügen.

Kunststoffe: Für welche Regionen bieten Sie entsprechende Netze an?

Sama: Wir fokussieren uns auf Europa. Die Basis lässt sich aber weltweit anwenden. Je nach Bedarf nehmen wir dann entsprechende Anpassungen am neuronalen Netzwerk vor.

Flemming: An dieser Stelle greifen KI und Digitalisierung ineinander. Es ist nicht das Ziel, die Netze physisch vor Ort zu warten, sondern sie aus der Ferne weiterzuentwickeln. Dafür nutzen wir digitale Technologien.

Kunststoffe: Sie greifen für die Erstellung und Verbesserung der Netze somit auf im aktiven Betrieb gesammelte Daten zurück?

Flemming: Exakt. Natürlich mit den Einschränkungen, die aufgrund des Datenschutzes bestehen. Wir stellen sicher, dass keine Daten von einem Kunden zu einem anderen wandern und auch nicht bestimmten Kunden zuordenbar sind. Notwendig ist außerdem das Einverständnis des Kunden. Falls ein Unternehmen darauf besteht, dass seine Daten die eigene Anlage nicht verlassen, dann respektieren wir das natürlich. Allerdings profitieren Unternehmen in diesem Fall auch nicht von den Vorteilen, die durch das Nachtrainieren der Netze entstehen, da wir die dafür als Basis notwendigen Daten von ihnen nicht erhalten. Das ist ein Geben und Nehmen.

Kunststoffe: Eröffnet KI auch neue Anwendungen, bei denen die Sortierung bisher nicht möglich war?

Sama: Bei der Sortierung von Lebensmittel- und Nicht-Lebensmittelverpackungen bestanden bisher Grenzen. Auch KI wird dabei keine hundertprozentige Trennung ermöglichen. Ich sehe aber großes Potenzial, dass sich durch die Technologie in diesem Bereich sehr gute Ergebnisse erzielen lassen. Für die Nutzung von recycelten Kunststoffen in Lebensmittelverpackungen bestehen zwar noch einige gesetzliche Hürden, das Interesse von Kundenseite an der entsprechenden Sortiertechnologie ist dennoch groß.

Kunststoffe: Sie haben die Digitalisierung angesprochen. Wie kann diese die Errichtung der Kreislaufwirtschaft voranbringen?

Flemming: Digitalisierung ist nicht die einzige, aber dennoch eine der notwendigen Voraussetzungen für eine erfolgreiche Kreislaufwirtschaft. Eine stabile Kreislaufwirtschaft benötigt Transparenz darüber, welche Materialien an welchen Orten verfügbar sind. Unternehmen müssen wissen, wo sie Material erhalten, welche Qualität dieses besitzt und an wen sie es verkaufen können. Dabei wird Digitalisierung massiv helfen.

Kunststoffe: Wie könnte das in der Praxis aussehen?

Flemming: Sortieranlagen erfassen dafür etwa, welche Polymere aktuell und in welcher Qualität vorhanden sind, und geben diese Daten dann an Plattformen weiter. Unternehmen erfahren dadurch sehr schnell, welche Recyclingmaterialien sie gegenwärtig einkaufen können. Dafür kommt es sehr stark auf Schnittstellen an, die die Kommunikation und den sicheren Datenaustausch zwischen den verschiedenen Maschinen, Anlagen, IT-Systemen und Teilnehmern ermöglichen.

Kunststoffe: Mit Tomra Insight bieten Sie ein digitales Tool für Sortieranlagen an. Inwieweit lässt sich damit die Sortierleistung verbessern?

Flemming: Tomra Insight erzeugt Mehrwert in vier Bereichen. Es reduziert Anlagenstillstände durch Predictive Maintenance, das ist der Klassiker der Internet-of-Things-Welt. Damit einher geht eine Erhöhung des Durchsatzes. Die Betreiber können aber auch die Sortierleistung erhöhen, indem sie die Anlagen besser einstellen. Es werden außerdem Kosten gespart, indem Daten direkt online zur Verfügung stehen, und ebenfalls Handbücher und Ersatzteilinformationen. Besonders im Fokus steht auch die Qualität des Materials. Unsere Anlagen sammeln beständig Daten über die Güte der durchgesetzten Kunststoffabfälle. Die erfassten Daten sind natürlich nicht vergleichbar mit Labormessungen. Betreiber erhalten aber dennoch einen kontinuierlichen Überblick darüber, welche Kunststoffe ihre Anlagen durchlaufen und zum Beispiel wie viele Störstoffe enthalten sind. Tomra Insight hilft außerdem im Besonderen bei der Optimierung der Anlagen. Recyclinganlagen sind sehr komplexe Systeme, mit vielen verschiedenen Einzelkomponenten. Das Tool macht die verschiedenen Prozesse und Maschinenleistungen transparent und ermöglicht auf diese Weise erst eine ganzheitliche Optimierung.

Kunststoffe: Gibt es Pläne, dafür ebenfalls KI einzusetzen?

Flemming: Die gibt es. Zum Teil nutzen wir das bereits, allerdings noch nicht für automatisierte Prozesse. Beispiele dafür sind etwa die Anomalieerkennung in Materialströmen oder Analysen von Durchsätzen über einen bestimmten Zeitraum hinweg. In ausgewählten Fällen erhalten Kunden auch bereits mögliche Ursachen für Probleme aufgezeigt. Soweit sind wir aktuell schon. Tomra Insight, wie es heute am Markt ist, ist der Start dieser Reise. Wir fügen kontinuierlich, etwa im Dreiwochenrhythmus, Verbesserungen oder neue Funktionen hinzu.

Kunststoffe: Verschiedene Initiativen, etwa HolyGrail, möchten die Sortierung von Kunststoffabfällen mittels digitaler Wasserzeichen umsetzen. Werden damit die von Ihnen hergestellten Sensorsysteme obsolet?

Sama: Sensoren sind auch für diese Technologien weiterhin notwendig, nur eben solche, die die Wasserzeichen erkennen. Auch Sortiereinheiten werden nach wie vor benötigt. Bis alle Produkte mit Wasserzeichen ausgestattet sind, werden außerdem noch Jahrzehnte vergehen. Und man darf auch nicht die Produkte vergessen, die bereits im Umlauf sind. Diese landen ebenfalls in den Abfallströmen und müssen sortiert werden. Wir sehen die Sortierung mittels digitaler Wasserzeichen somit nicht als Konkurrenz.

Flemming: In diesem Bereich tut sich aktuell sehr viel. Wir rechnen aber nicht mit einer schnellen Einführung. Es geht schließlich nicht nur darum, Produkte mit diesen Wasserzeichen auszustatten, sondern auch die Recyclinganlagen müssen über die entsprechende Sensortechnologie verfügen.

Kunststoffe: Stichwort Design for Recycling: Wie sollten Kunststoffprodukte umgesetzt werden, damit sie sich besonders gut sortieren lassen?