Kein Kreislauf ohne  passendes Produktdesign

„Ohne Additive keine Kreislaufwirtschaft“ – so prägnant fasste es kürzlich Dr. Oliver Reich von BASF auf der Fachtagung „Praxisforum Kunststoffrezyklate“ zusammen.

Um eine ausreichende und gleichbleibende Qualität der aufbereiteten Kunststoffabfälle sicherzustellen, werden die Zusatzstoffe dringend gebraucht. Sie gleichen Schäden an den Polymeren aus, die während der Verarbeitung, der Lebensdauer und auch dem Recyclingprozess selbst entstehen. In vielen Fällen sind die Kunststoffe ansonsten bereits nach wenigen oder gar nur einem Recyclingvorgang nicht mehr für hochwertige Produkte zu gebrauchen.

Die gleiche Aussage lässt sich jedoch auch für andere Technologien treffen, beispielsweise die polymergenaue Sortierung und eine schonende und effiziente Extrusion. Ohne sie ist ebenfalls keine Kreislaufwirtschaft denkbar. Dass mehrere Technologien und Produkte für die Umsetzung essenziell sind, schmälert übrigens nicht den Beitrag jeder einzelnen von ihnen. Es zeigt vielmehr, wie viele Komponenten ineinandergreifen müssen, um den Wechsel zu einem zirkulären Wirtschaftsmodell hinzubekommen. „Wir benötigen die gesamte Kunststofffamilie, um das erforderliche Recycling umzusetzen“, erklärte dazu ein anderer Teilnehmer der Fachtagung treffend.

Um die Kreislaufwirtschaft voranzubringen, sind viele verschiedene Technologien gefragt. Vergessen werden darf dabei aber eines nicht: die Produkte. Auch die Markenhersteller müssen stärker in die Recyclingfähigkeit ihrer Produkte investieren. Gut fasste das auf der Tagung Ton Emans, Präsident des Verbands der europäischen Kunststoffrecycler, zusammen: „Der größte Fortschritt beim Recycling kommt nicht von Innovationen bei den Recyclingtechnologien, sondern von Innovationen beim Produktdesign.“

Florian Streifinger [<a href="mailto:Florian.Streifinger@hanser.de">Florian.Streifinger@hanser.de</a>]

Editorial Streifinger

Streifinger, Florian

Tagungsbericht „Praxisforum Kunststoffrezyklate“

Immer mehr Unternehmen möchten Rezyklate für ihre Produkte verwenden. Einen Überblick über den aktuellen Stand und technische Lösungen dafür gab Ende März die Tagung „Praxisforum Kunststoffrezyklate“.

Immer mehr Unternehmen möchten Rezyklate für ihre Produkte verwenden. Häufig sind mit dem Einsatz jedoch noch große Schwierigkeiten verbunden. Und auch die Ausweitung des Recyclings auf weitere Bereiche und Branchen wirft neue Fragen auf. Einen Überblick über den aktuellen Stand und technische Lösungen dafür gab Ende März die Tagung „Praxisforum Kunststoffrezyklate“.

Das Recycling von Kunststoffabfällen wird mittlerweile sowohl von der Politik als auch der Industrie als wichtiger Bestandteil von Umweltschutz und einer höheren Nachhaltigkeit betrachtet. Deutliche Signale dafür sind Bestimmungen etwa der EU-Kommission, die das Recycling von Verpackungen steigern und den Rezyklateinsatz erhöhen sollen. Auch Industrievertreter wie der Verband der Kunststofferzeuger PlasticsEurope Deutschland betonen regelmäßig die Bedeutung der Kreislaufwirtschaft. Wille und Wunsch zu mehr Recycling sind somit da. Die Umsetzung gestaltet sich jedoch häufig schwierig. Es mangelt sowohl an der notwendigen Sammelinfrastruktur für Kunststoffabfälle, ausreichenden Aufbereitungskapazitäten, einem recyclinggemäßen Produktdesign als auch häufig noch an der Qualität der Rezyklate. Einen spannenden Einblick in die vorherrschenden Schwierigkeiten und mögliche Lösungsansätze für die Probleme zeigte das vom Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) am 24. März 2022 digital veranstaltete „Praxisforum Kunststoffrezyklate“.

Eine gute Zusammenfassung der gegenwärtigen Situation gab Tagungsleiter Professor Rudolf Pfaendner vom Fraunhofer LBF gleich in seinem Eröffnungsvortrag. Er wies auf das steigende Interesse der Verbraucher und somit auch der Hersteller nach einem verstärkten Einsatz von Recyclingmaterialien hin. Deshalb würden Rezyklate mittlerweile bei immer mehr Produkten verwendet. Gleichzeitig fehle es allerdings noch an einer ausreichenden Recyclinginfrastruktur. Das wachsende Interesse beschränkt sich Pfaendner zufolge nicht auf Europa, sondern sei ein globales Phänomen. Zwei Drittel der Patente im Recyclingbereich kämen mittlerweile aus China.

Eine besondere Lanze für Design for Recycling brach Ton Emans, Präsident des europäischen Verbands der Kunststoffrecycler Plastics Recyclers Europe. Ihm zufolge werden sich große Fortschritte beim Recycling nicht durch Innovationen bei Recyclingtechnologien ergeben, sondern vor allem durch ein entsprechendes Produktdesign. Er sieht deshalb auch die Hersteller von Kunststoffprodukten in der Pflicht, verstärkt die Recyclingfähigkeit ihrer Erzeugnisse in den Blick zu nehmen. „Unternehmen müssen sich deutlich stärker auf Design for Recycling konzentrieren, auch bei der Auswahl der verwendeten Polymere“, erklärte er. Um die Recyclingmengen zu erhöhen, sei außerdem eine verstärkte Harmonisierung und Standardisierung der Abfallsammlung in Europa notwendig.

Sind die Abfälle aufbereitet, spricht bisher häufig noch die zu geringe Qualität der erzeugten Rezyklate gegen den breiten Einsatz. Diese lässt sich jedoch durch die Zugabe von Additiven deutlich steigern. Welche Verbesserungen sich dabei bei den Polyolefinen Polypropylen (PP) und Polyethylen (PE) erreichen lassen, erklärte Dr. Oliver Reich von BASF. Bei dem Chemiekonzern hat man untersucht, wie sich das Molekulargewicht der Polymere durch mehrere Recyclingzyklen verändert und welche Auswirkungen sich dadurch auf die Eigenschaften der Rezyklate und deren Verarbeitbarkeit ergeben.

Die Untersuchungen zeigten demnach, dass sowohl PP als auch PE auf eine Stabilisierung mittels Additiven angewiesen sind. Bei unstabilisiertem PP steigt etwa bereits nach wenigen Recyclingdurchläufen die Schmelzevolumenfließrate (engl. Melt Volume-flow Rate, MVR) deutlich an, wodurch das Material das notwendige Verarbeitungsfenster verlässt. Wird es hingegen mit Additiven stabilisiert, sind bis zu dreimal so viele Recyclingzyklen möglich, bis es nicht mehr verarbeitet werden kann. Eine Stabilisierung ist Reich zufolge jedoch kein Allheilmittel. Vor allem die Langzeittemperaturstabilität der zugegebenen Additive müsse beachtet werden. Ofenalterungsuntersuchungen bei BASF hätten ergeben, dass auch ausreichend stabilisierte Materialien über die Zeit degradieren. Die Wirkung der Additive nimmt ab. Wichtig ist dieser Punkt vor allem, wenn Polymere mehrere Recyclingzyklen durchlaufen sollen. Trotzdem verdeutlichen die Untersuchungen Reich zufolge einen entscheidenden Punkt: „Ohne Additive lässt sich keine Kreislaufwirtschaft erreichen!“

Die Bedeutung von Additiven zur Verbesserung der Qualität von Rezyklaten hob auch Dr. Matthias Bruch, Innovations- und Produktmanager für Kunststoffadditive bei Brüggemann, hervor. Ihm zufolge bereiten vor allem drei Punkte bei aufbereiteten Kunststoffen große Problem: die unterschiedlichen enthaltenen Additive und Füllstoffe, Verunreinigungen wie Spuren von Metallen, Sand und organischen Verbindungen, etwa Tinten und Klebstoffe, sowie Schäden aus dem Verarbeitungsprozess durch Oxidation oder Degradierung der Polymerketten. Um letztere zu beheben, hat Brüggemann eine Reparaturtechnologie für Rezyklate entwickelt.

Dabei handelt es sich um Additive, die durch die Verarbeitung der Polymere hervorgerufene Schäden ausgleichen. Das Unternehmen bietet sie gegenwärtig für PE und PP an. Analysen zeigen Bruch zufolge, dass sich etwa die Schmelzevolumenfließrate von damit additivierten Kunststoffen auch nach mehreren Extrusionszyklen nur geringfügig erhöht. Außerdem bleiben ihre Dehnfestigkeit und ihr E-Modul über einen deutlich längeren Zeitraum konstant. Auch Effekte von Temperaturalterung träten erst wesentlich später auf. Im Vergleich zu bisherigen Stabilisatoren steigern die Additive laut Bruch die Leistung von Rezyklaten teilweise bis auf das Doppelte.

Additive sind jedoch nicht nur hilfreich für das Recycling, sondern erweisen sich teilweise auch als Hemmschuh, wie Dr. Andreas Mäurer vom Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung (IVV) und Jörg Hamann vom Anlagenbauer EPC Engineering and Technology verdeutlichten. Das ist etwa der Fall bei Kunststoffprodukten, die sehr lange im Einsatz sind, zum Beispiel bei Bauteilen im Automobilbereich und dem Bausektor. Dämmplatten aus expandiertem Polystyrol (EPS) wurden beispielsweise in der Vergangenheit häufig mit Hexabromcyclododecan (HBCD) behandelt, um für einen ausreichenden Flammschutz zu sorgen. Seit 2013 ist der Einsatz des Additivs jedoch weitgehend verboten. Damit versetzte Kunststoffe können deshalb nicht einfach dem Recyclingstrom zugeführt werden.

Eine Möglichkeit, HBCD aus Dämmplatten zu entfernen, stellen lösungsmittelbasierte Recyclingverfahren dar. Dabei wird mithilfe eines Lösungsmittels das gewünschte Polymer aus dem Kunststoffabfall herausgelöst, anschließend gereinigt und ausgefällt. Die gewonnenen Kunststoffe können danach erneut zu Produkten verarbeitet werden. Da es nicht zu einer Depolymerisation der Polymere kommt, zählen lösungsmittelbasierte Verfahren zu den mechanischen Recyclingverfahren. Ein entsprechendes Verfahren für EPS haben das Fraunhofer IVV und das Unternehmen CreaCycle entwickelt.

Qualitätsprobleme bei recycelten Kunststoffen lassen sich mit Additiven beheben. BASF hat mit der IrgaCycle-Produktreihe Varianten dafür vorgestellt, mit denen sich unter anderem die Verarbeitbarkeit und die thermische Langzeitstabilität verbessern lassen.

KU 5-22_Rezyklattagung - Hauptartikel

Weitere Informationen unter <a href="http://www.lbf.fraunhofer.de/de/veranstaltungen/praxisforum-kunststoffrezyklate.html">www.lbf.fraunhofer.de/de/veranstaltungen/praxisforum-kunststoffrezyklate.html</a>

Recycling

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Additive

Kreislaufwirtschaft

Die Chemikalienverordnung REACH soll ein hohes Schutzniveau für die menschliche Gesundheit und die Umwelt sicherstellen. Viele der bisher verwendeten Stoffe zur Reinigung von Produktionsmitteln wurden dabei neu eingestuft.

Die Chemikalienverordnung REACH soll ein hohes Schutzniveau für die menschliche Gesundheit und die Umwelt sicherstellen. Viele der bisher verwendeten Stoffe zur Reinigung von Produktionsmitteln wurden dabei neu eingestuft. Unternehmen sind verpflichtet, mitarbeitergefährdende Produkte durch umwelt- und anwenderfreundliche Alternativen zu ersetzen. Färber & Schmid stellt eine Reihe von Ersatzprodukten vor, die die „Klassiker“ unter den Lösemitteln ersetzen können. Im ersten Teil der zweiteiligen Serie geht es vor allem um die Reinigung von Anlagen in der PUR-Verarbeitung.

Gerade bei der Verarbeitung von Polyurethan oder Harzsystemen werden bewährte Lösemittel wie NMP (n-Methylpyrrolidon), NEP (n-Ethylpyrrolidon), DMF (Dimethylformamid) und Methylenchlorid immer noch vereinzelt eingesetzt, obwohl sie die Gesundheit der Mitarbeiter gefährden. Dabei spielen die Reinigung von Werkzeugformen bei der Herstellung von PUR-Formteilen und das Spülen von Dosierleitungen oder Misch- und Dosierköpfen in 2-Komponenten-Anlagen sowie das Reinigen von Vergussanlagen eine wesentliche Rolle. Aber auch bei der Herstellung von Kunststoffdispersionen und Klebstoffen sowie beim Entfernen dieser Substanzen kommen die Lösemittel zum Einsatz.

Steigende technische Anforderungen, verschärfte Umweltschutzauflagen sowie Gesetzgebungen und Vorschriften verlangen nach Problemlösungen. Meistens werden die nötigen Reinigungsarbeiten manuell, unter Verwendung von Pinsel, Bürste und ähnlichem Equipment, an geöffneten und vor allem beheizten Werkzeugformen oder in offenen Produktionsbehältnissen und Becken durchgeführt. Das Arbeitspersonal ist somit durch Einatmen, Geruch und möglichen Hautkontakt diesen Stoffen unmittelbar ausgesetzt. Arbeitsplatzhygienisch etwas weniger kritisch ist das Reinigen geschlossener Systeme, wie beispielsweise das Spülen von Misch- und Dosierköpfen. Trotzdem gelten auch hier die gleichen Restriktionen wie bei den „offenen“ Anwendungen. Durch die zunehmend verschärften Einstufungen und Kennzeichnungen der etablierten Lösemittel durch REACH sind viele Anwender und Verarbeiter auf der Suche nach funktionellen Alternativen.

Neben der technischen Funktion stehen meist eine geringstmögliche Giftigkeit, bestmögliche ökologische Eigenschaften sowie positive arbeitsplatzrelevante Faktoren im Vordergrund der Neuausrichtung. Färber & Schmid bietet eine Produktpalette an Reinigungsmitteln, die Alternativen zu den kritischen Stoffen darstellen (Tabelle).

Die neu entwickelten Produkte bieten ein vergleichbares Preis-Leistungsprofil wie etablierte Lösemittel. In vielen Fällen haben diese Produkte ihren ersten Praxistest schon bestanden. Im ersten Teil der Artikelserie geht es um den Ersatz von NMP, NEP und DMF.

Starke Lösekraft auch  ohne Einsatz von NMP

Ein Produktionsbetrieb, der Polyurethanschaum für zahlreiche Anwendungen im Bereich Automobil sowie Polyurethan-Elastomere im Heißgießverfahren herstellt, reinigte in der Vergangenheit sämtliche Werkzeugformen sowie Schlauchleitungen und Behälter für Prepolymere mit NMP. Geht es bei der Reinigung von Werkzeugformen in der Regel um das Entfernen von Trennmittelresten, welche sich in Verbindung mit ausgehärteten Isocyanaten und Polyolen unter Druck und Temperatur bei der Formteilherstellung meistens zu hartnäckigen Ablagerungen entwickeln, so kommt es beim Spülen von Schlauchleitungen und Behältern für Prepolymer darauf an, dass das Spülmittel eine hohe Lösekraft hat, jedoch die Isocyanat-funktionellen Massen nicht zum Ausreagieren anregt. Schon lange war man auf der Suche nach Alternativen, die nicht als reproduktionstoxisch eingestuft sind und welche die technischen Anforderungen in vergleichbarer Weise zu NMP erfüllen. Nach Schilderung der individuellen Anforderungen des Kunden wurden hier mit Resin-Clean EXP-10/70 und Resin-Clean EXP-10/100 zwei geeignete Produkte empfohlen. Bei Resin-Clean EXP-10/100 handelt es sich um einen aprotischen Reiniger, der nicht über freie OH-Gruppen verfügt und somit gut geeignet ist, um reaktive Vormischungen zu entfernen. Nach einem ersten Labortest wurden zeitnah Produktionsversuche unter realen Bedingungen durchgeführt. Nach erfolgreicher Testphase, Gutbefund und Freigabe werden nun mit den beiden Reinigern sämtliche Maschinen und Werkzeuge erfolgreich und zu vergleichbaren Kosten gereinigt, ohne dabei die Mitarbeiter zu gefährden.

Ein Resin-Clean-Bad in der Nacht reinigt Werkzeugteile auch ohne NEP

Ein Hersteller von Bauteilen für den Maschinenbau, den Sonderfahrzeugbau und die Fördertechnik aus eigenen Polyurethan-Elastomer-Rezepturen sowie aus Vulkollan war schon seit einiger Zeit auf der Suche nach einem geeigneten Ersatzprodukt für die Entfernung von hartnäckigen Trennmittelrückständen. Gerade beim Heißvergießen von Polyurethan-Elastomeren kommt es aufgrund der hohen Temperaturen zu sehr schwierig abzulösenden Trennmittelresten auf der Werkzeugoberfläche. In der Vergangenheit hatte man mit einem NEP-basierten Reiniger gearbeitet. Aufgrund der Reklassifizierung von NEP durch REACH hatte der bisherige Lieferant jedoch einen neuen NEP-freien Reiniger entwickelt und diesen als Alternative angeboten. Da man die Formen generell immer nach dem Produzieren im kalten Zustand reinigt und der neue Reiniger nicht an die Leistung des alten NEP-basierten Produktes herankam, war der Ruf innerhalb des Produktionsteams nach dem alten Produkt sehr laut. Aufgrund der nicht zufriedenstellenden Situation war der Kunde sehr schnell bereit, gemeinsam mit dem Anwendungsspezialisten von F&S einige Reiniger vor Ort zu testen. Nach wenigen Schnelltests wurden dann entsprechende Langzeittests durchgeführt. Aktuell setzt man den Reiniger Resin-Clean EXP-3/M-V2 ein, der gerade bei Raumtemperatur schon ein enorm hohes Lösevermögen aufweist. Der Kunde hat sich zum Einlegen der Werkzeugteile einen geeigneten Behälter angeschafft und lässt die Teile entsprechend über Nacht in dem Reinigerbad liegen. Wenn es schnell gehen muss, eignet sich der Reiniger auch zum effektiven manuellen Reinigen per Pinsel.

Ersatz für DMF: Neues Spülmittel  für Mischköpfe

Ein Unternehmen, das Dichtungen aller Art und PUR-Formteile aus Vulkollan und Baytec herstellt, hatte bis vor Kurzem seine Mischköpfe noch mit dem bedenklichen Lösemittel DMF gespült. Aufgrund toxikologischer Bedenken wurden mehrere Alternativen getestet – letztendlich fiel die Entscheidung auf das Resin-Clean HPT-PU 05. Da sich das Spülmittel langfristig bewährt hat und kennzeichnungsfrei ist, wird nun auch eine Anlage in einem neu erstellten Gebäude an einem weiteren Standort mit dem neuen Spülmittel ausgestattet.

Aus Mangel an funktionierenden Alternativen zu DMF wird dieses Lösemittel heutzutage, gerade im Bereich der Walzenreinigung in der Kaschierindustrie, immer noch eingesetzt. Da DMF sowohl als akut toxisch als auch als reproduktionstoxisch eingestuft ist, stellt es den Anwender vor erhebliche Probleme hinsichtlich des Mitarbeiter- und Umweltschutzes.

Gemeinsam mit einem Anwender und Lieferanten im Bereich der Textilindustrie hat Färber & Schmid eine Lösung für die Reinigung von Kaschierwalzen entwickelt. Da im Kaschierprozess die Klebstoffe oft sehr hohen thermischen Beanspruchungen ausgesetzt werden, können auf den Walzen sehr hartnäckige und eingebrannte Verunreinigungen entstehen. Die Aufgabenstellung des Kunden war, diese Verunreinigungen mit einem anwenderfreundlichen Produkt schon bei Raumtemperatur lösen und entfernen zu können.

Der hierfür entwickelte Spezialreiniger Solvetan erfüllt diese Bedingungen vollumfänglich und überzeugte den Kunden nach ausgiebigen Tests in der Praxis. Seitdem wird Solvetan zur Reinigung von Flammkaschierwalzen, aber auch zur Entfernung von flüssigen PUR-Klebstoffen im täglichen Produktionsprozess eingesetzt.

Das individuelle Lösemittel: Anpassung an Kundenanforderungen

Die aufgeführten Produkte aus den Praxisbeispielen und die in der Tabelle dargestellten Produkte stellen lediglich eine Auswahl mehrerer Möglichkeiten zum Lösen und Reinigen von PUR und anderen Kunststoffsystemen dar. Bei Bedarf können individuelle und kundenspezifische Produkte für gezielte Anwendungen entwickelt und hergestellt werden. Der Wettbewerbsvorteil kundenspezifischer Entwicklungsprodukte liegt in der Möglichkeit, bestimmte chemisch-physikalische Parameter frei einzustellen. Höchste Anforderungen bezüglich Toxikologie, Ökologie, Anwendungstechnik und Ökonomie können so individuell erfüllt werden. Die Reiniger können sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhten Temperaturen eingesetzt werden. Für sehr große Bauteile mit stehenden Werkzeugwänden, welche nicht eingelegt werden können, ist es möglich, auf verdickte (viskose) Reiniger und Löser zurückzugreifen, die an den Bauteilen haften und somit effizient wirken können. Über den Ersatz der benannten Lösemittel hinaus werden auch umweltfreundliche Alternativen zu Aceton und MEK angeboten.

Bild 1. Dieser Mischkopf in der PUR-Produktion wurde von DMF auf ein kennzeichnungsfreies Spülmittel umgestellt.

Tabelle. Im oberen Teil der Tabelle sind die bisher oft verwendeten Lösemittel aufgeführt, im unteren die neu entwickelten Ersatzprodukte.

Name - Hauptartikel

Dipl.-Ing. Holger Schlüter ist als Bereichsleiter bei der Färber & Schmid GmbH tätig.

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Im Teil zwei der Serie geht es um den Ersatz von Methylenchlorid, Aceton und das Entfernen von Isocyanat. Der Artikel erscheint in Ausgabe 6/2022.

Werkzeugreinigung, Kunststoffe

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung

Reinigung

Betriebsausrüstung / Betriebsmittel

Rezyklate neigen bei der Verarbeitung dazu, Maschinenelemente schneller zuzusetzen als Neuware. Schwing Technologies erzielt mit der thermischen Reinigung mittels Vakuum-Pyrolyse gute Ergebnisse.

Sei es beim Spritzgießen oder bei der Extrusion: Kunststoffreste, die sich während der Produktion an Schnecken, Werkzeugen oder Filtern festsetzen, beeinträchtigen die Effizienz der Anlagen. Rezyklate neigen bei der Verarbeitung dazu, Maschinenelemente schneller zuzusetzen als Neuware. Schwing Technologies erzielt mit der thermischen Reinigung mittels Vakuum-Pyrolyse gute Ergebnisse.

Das Schwierige daran, Kunststoffe zu entfernen? „Es klebt wie Kaugummi.“ Das ist die Kurzformel, mit der Virgilio Perez Guembe, Vertriebsleiter der Schwing Technologies GmbH, die Herausforderung beschreibt, erhärtete Kunststoffreste von zum Teil empfindlichen Oberflächen zu entfernen. Im Gespräch mit der Kunststoffe-Redaktion erklärt er, warum die Reinigung so wichtig ist – und welche Verfahren zum Einsatz kommen. Als Spezialist für Reinigungssysteme in der Kunststoffproduktion unterstützt der gebürtige Spanier seine internationale Kundschaft mit spezifischen Lösungen zur Aufbereitung polymerverunreinigter Werkzeuge und Maschinenteile.

Rezyklate weisen bei der Verarbeitung oft eine niedrige Viskosität auf

„Durch den Einsatz recycelter Materialien entsteht zwangsläufig ein erhöhter Reinigungsbedarf von Filtern, Düsen und Blasköpfen. Beim Recycling verändern sich die Eigenschaften des Werkstoffs, dabei geht die Viskosität in der Regel runter und der Kunststoff setzt die Anlagen eher zu als ein neuwertiges Polymer“, so Guembe. Das Problem sind dabei Kohlenstoffreste, die sehr haftbar sind und sich „bis in die Poren“ festsetzen. An ihnen bleibt beim Produktionsprozess neues Material haften und bildet weiteren Kohlenstoff. Die Verunreinigung in den Maschinen ist ein eher schleichender Prozess. Die Anlagen laufen zwar weiter, die Kapazität wird aber oft nach unten geregelt, wenn Polymerreste an den Maschinenteilen anhaften. Nur eine saubere Anlage gewährleistet auf Dauer eine hohe Produktivität und Energieeffizienz.

Kunststoff-Entfernung:  Ein Verfahrensvergleich

Generell bieten sich unterschiedliche Verfahren an, um Kunststoffe von Maschinenteilen zu entfernen. Schwing Technologies kommt aufgrund eigener Erfahrungen und Forschungen im Technologiezentrum sowie Bewertungen des Fraunhofer IPK für die Reinigung von Spritzgießwerkzeugen zur folgenden Einschätzung:

<ul><li>Manuelle Reinigung: Kann mit Kratzer, Bürste oder Brenner im Betrieb erfolgen, führt aber oft zu Beschädigungen der Werkzeuge oder Anlagenteile. Das Reinigungsgut kann sich durch ungleichmäßige Hitzeeinwirkung verziehen, beschädigte Werkzeugoberflächen verringern die Produktionsqualität. Bestenfalls für sehr robuste Anlagenteile und nur für glatte Oberflächen geeignet.</li><li>Mechanische Reinigung: Erfolgt mit Trockeneis, Wasser oder Strahlmittel und ist umweltfreundlich und materialschonend. Trockeneis steht allerdings für hohe Betriebskosten und ist somit nicht immer wirtschaftlich. Andere Strahlverfahren-Varianten der mechanischen Reinigung hinterlassen häufig Strahlgutrückstände und Oberflächenschädigungen an Werkzeugen und Teilen.</li><li>Chemische Reinigung: Erfolgt mit Lösungsmittel oder Chemikalien und kann für bestimmte Verschmutzungen in der Nachbehandlung eingesetzt werden. Je nach Lösemittel gilt der Einsatz jedoch als umweltbelastend und ist zum Teil zeitintensiv und mit hohen Betriebskosten verbunden.</li><li>Thermische Reinigung: Umweltfreundliche, schnelle und wirtschaftliche Variante der Polymerentfernung. Erfolgt die thermische Reinigung unter Vakuum oder in einer Wirbelschicht, ist eine besonders schonende Teile-Reinigung möglich. Bei bestimmten empfindlichen und komplexen Werkzeugen wie Spinndüsen kann eine Nachbehandlung zum Beispiel mit Ultraschall erforderlich werden.</li></ul>

Die Entfernung von Kunststoffrückständen an Werkzeugen und langen Bauteilen erfolgt mit dem System Vacuclean in einer elektrisch beheizten Vakuum-Reinigungskammer. Die Temperaturmessung erfolgt direkt am Reinigungsgut, das zunächst langsam und besonders materialschonend aufgeheizt wird, wobei bereits ein Großteil der anhaftenden Polymere abschmilzt und ausfließt. Bei ca. 450 °C erfolgt die Zersetzung des restlichen Polymers, verbliebener Kohlenstoff wird abschließend durch Luftzugabe (Oxidation) beseitigt. Zum Betreiben des Vacuclean-Systems sind nur Strom und Wasser notwendig.

Schwing beschreibt dieses Verfahren als wirtschaftlich – und zwar ausdrücklich trotz der erforderlichen hohen Temperaturen. „Sicher sind die Energiepreise heute stark in der Diskussion. Aber verglichen mit den anderen Verfahren oder einer Anlage, die nicht produktiv arbeitet, sind wir sicher, dass sich die Pyrolyse für den Anwender rechnet“, so Guembe.

Fünf Tonnen schwere Werkstücke sind bis zu 40 Stunden im Vakuumofen

Wie lange die Werkstücke im Ofen behandelt werden, hängt von der Größe ab und variiert von mehreren Stunden bis hin zu 40 Stunden bei einem Werkstückgewicht von beispielsweise fünf Tonnen. Ein großer Vorteil der Pyrolyse liegt in der schonenden Art des Verfahrens. Guembe: „Bei vielen anderen Verfahren wird die Oberfläche des Werkstücks angegriffen. Viele Schnecken oder Spritzgießwerkzeuge sind beschichtet, da nur so die gewünschte Fließgeschwindigkeit des flüssigen Kunststoffs während der Produktion erreicht wird. Deshalb ist es wichtig, diese Beschichtung nicht zu beschädigen.“ Nach der Behandlung im Pyrolyseofen werden die Teile sauber entnommen. Lediglich sehr feine Siebe – in der Extrusion sind Maschenweiten von 20 µm keine Seltenheit – werden im Anschluss per Ultraschall nachbearbeitet.

Die Anwendungsbreite des Vacuclean-Systems ist groß: sie reicht von 10 g leichten Sieben bis zu 12 t schweren Extrusionswerkzeugen. Auch Heißkanalsysteme für Stoßfänger mit 2,5 m Länge sind kein Problem. Schwing berät Kunden nicht nur in Bezug auf die Ausführung der Anlage, sondern hilft auch bei der behördlichen Genehmigung. „Mit unserer Richtlinienkompetenz wissen wir, welche Regeln zu beachten sind. Schließlich steht der Betreiber einer Anlage in der Pflicht, alle Auflagen zum Beispiel für Abgaswerte einzuhalten“, sagt Guembe.

An seinem Hauptsitz im nordrhein-westfälischen Neukirchen-Vluyn stellt Schwing den Entwicklungsingenieuren und Verfahrenstechnikern seiner Kunden im Lab + Tech-Center ein komplettes Laboratorium und Prozesstechnikum für spezifische Tests und Versuchsreihen mit eigenen Werkzeugteilen und/oder Materialien zur Verfügung. Die Kunden und Interessenten sind eingeladen, ihre eigenen mit Polymer verschmutzten Teile und Werkzeuge mitzubringen. Mithilfe der Schwing-Verfahrenstechniker wird das optimale Reinigungsverfahren ermittelt.

Reinigung auch als Dienstleistung inklusive Hol- und Bringservice

In dem Fall, dass sich eine eigene Reinigungsanlage aus ökonomischen Gründen nicht lohnt, bietet Schwing an mehreren Standorten weltweit bedarfsoptimierte Reinigungsdienstleistungen einschließlich der dazu gehörigen logistischen Services. Mehr als 250 000 unterschiedliche Werkstücke werden jährlich nach hohen Qualitäts- und Umweltstandards gereinigt und wieder in den Produktionsprozess der Kunden integriert. Die Kunden kommen dabei aus den Bereichen Spritzgießen, Extrusion, der Lackiertechnik, der Masterbatchproduktion und der Faserindustrie. Susanne Schröder, Redaktion

Lochplatte einer Extrusionsanlage vor und nach der Pyrolysebehandlung.

Virgilio Perez Guembe, Vertriebsleiter der Schwing Technologies GmbH. 

Die Pyrolyseöfen sind in unterschiedlichen Ausführungen und Größen erhältlich. Dieses Vacuclean Compact-System ist für kleinformatige Teile bis 50 kg geeignet.

Heißkanalsystem im Vorher-Nachher-Vergleich. Gerade bei beschichteten Systemen ist eine schonende Reinigung wichtig.

Schwing Technologies GmbH <a href="http://www.schwing-technologies.com">www.schwing-technologies.com</a>

<a href="http://Rapid.Tech">Rapid.Tech</a> 3D 2022 in Erfurt

Das Event in der thüringischen Landeshauptstadt versteht sich als Branchentreffpunkt, der Herstellern und Anwendern eine Bühne gibt – am Messestand sowie im Rahmenprogramm. Das Konzept macht den 3D-Druck in allen Facetten seiner Anwendungsvielfalt begreifbar.

Seit ihren Anfängen hat die <a href="http://Rapid.Tech">Rapid.Tech</a> 3D einen besonderen Charme. Einer der Gründe dafür ist sicher der Veranstaltungsort Erfurt. Das Event in der thüringischen Landeshauptstadt versteht sich als Branchentreffpunkt, der Herstellern und Anwendern eine Bühne gibt – am Messestand sowie im Rahmenprogramm. Das Konzept macht den 3D-Druck in allen Facetten seiner Anwendungsvielfalt für die Besucher begreifbar.

Erst verschoben, dann digital und dennoch ein voller Erfolg: Die knapp 1050 registrierten Teilnehmer und Teilnehmerinnen der Rapid.Tech 3D 2021 bewiesen, dass sich die additive Fertigung auch virtuell erleben lässt. Trotz zahlreicher positiver Rückmeldungen soll die Fachmesse 2022 wieder als Präsenzevent stattfinden. Vom 17. -19. Mai zeigen Anbieter und Anwender in Erfurt die gesamte Bandbreite des Additive Manufacturing (AM).

 Die Schlüsseltechnologie ist aus vielen High-End-Branchen heute nicht mehr wegzudenken. Insbesondere in der Medizintechnik hat sich der 3D-Druck etabliert, das demonstriert in Erfurt unter anderem Spectroplast. Das Schweizer Start-up hat mit dem Silicone Additive Manufacturing (SAM) ein Verfahren entwickelt, das es ermöglicht, Silikon zu drucken statt es herkömmlich im Spritzgießverfahren zu verarbeiten. Individuelle Hörgeräte, maßgefertigte Prothesen oder anatomische Modelle sind nur ein kleiner Ausschnitt der Anwendungen, die das junge Unternehmen für die Medizin anbietet.

Bauteile oder ganze Produkte mithilfe des 3D-Drucks zu fertigen, klingt oft noch nach Zukunftsmusik – auch im Automobilbereich. Doch die Technik wird zunehmend eingesetzt und sorgt für eindrucksvolle Ergebnisse. Porsche beispielsweise ist es gelungen, erstmals das Gehäuse eines E-Antriebs komplett im 3D-Druck herzustellen. Die im additiven Laserschmelz-Verfahren produzierte Motor-Getriebe-Einheit hat alle Qualitäts- und Belastungsprüfungen problemlos bestanden. „Damit haben wir nachgewiesen, dass sich die additive Fertigung mit all ihren Vorteilen auch für größere und hochbelastete Komponenten eines Elektro-Sportwagens eignet“, sagt Falk Heilfort, Projektverantwortlicher in der Antriebsvorentwicklung bei Porsche. Er wird die Effekte und Erfahrungen daraus in einem Keynote-Vortrag zum <a href="http://Rapid.Tech">Rapid.Tech</a> 3D-Fachkongress am 17. Mai 2022 vorstellen.

Immer mehr Branchen erkennen und nutzen die Potenziale des Additive Manufacturing. Die Covid-19-Pandemie mit ihren negativen Auswirkungen auf globale Lieferketten hat diesen Trend noch beschleunigt. „Wir verzeichnen eine hohe Dynamik bei der Entwicklung von anwendungsreifen Werkstoffen und Verfahren“, sagt Dr. Simon Jahn vom ifw Jena Günter-Köhler-Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung. Er verantwortet die inhaltliche Ausrichtung des Forums „Neues aus der AM“. Daneben laden das AM in Bauwesen & Architektur; Automotive & Mobilität; Design; Luftfahrt; Medizin-, Zahn- und Orthopädietechnik; Software & Prozesse sowie Werkzeug-, Modell- und Formenbau ein. Stand und Perspektiven in Forschung und Bildung werden in den Foren 3D-Druck & Bildung sowie AM Wissenschaft präsentiert.

Beispielanwendungen: 3D-gedruckte anatomische Modelle aus Silikon.

Vorbericht Reapid.Tech 2022 - Hauptartikel

<a href="http://Rapid.Tech">Rapid.Tech</a> 3D 2022

Nach einer rein digitalen <a href="http://Rapid.Tech">Rapid.Tech</a> 3D 2021 freut sich die Messe Erfurt darauf, den einzigartigen Dreiklang aus Messe, Konferenz und Netzwerken vom 17. bis 19. Mai 2022 wieder als Präsenzveranstaltung auszurichten.

<a href="http://www.rapidtech-3d.de">www.rapidtech-3d.de</a>

Verfahren für die additive Fertigung

3D-Drucker (für FDM, FFF, etc.)

Anlagen für die Additive Fertigung

Anlagen Additive Fertigung / 3D-Druck, Metall

Additive Fertigung

Rapid Prototyping

Rapid Manufacturing

Medizintechnik

Medizinprodukte

Investition in Lichttechnik reduziert Betriebskosten und Emissionen

Seit 2014 verbessern die Werit Kunststoffwerke kontinuierlich die Energiebilanz, jüngst durch die Umrüstung der alten Lichttechnik in drei Produktionshallen auf moderne LED-Beleuchtung. Den Zuschlag dafür erhielt LED Technics Germany.

Die Werit Kunststoffwerke produzieren Industrieverpackungen wie IBC-Container, Kanister Mehrweg-Transportverpackungen, Kunststoffpaletten sowie Industrie- und Heizöltanks an sechs Standorten in Europa, darunter am Stammsitz in Altenkirchen, in Buchholz und in Ottendorf-Okrilla. Die Container kommen in vielen Bereichen zum Einsatz, sind jedoch besonders in der chemischen und der Lebensmittelindustrie gefragt; dort herrschen besonders strenge Anforderungen an Sicherheit und Hygiene.

Nahezu alle Produkte sind wiederverwendbar und werden durch Rekonditionierung oder Recycling in den zweiten oder dritten Kreislauf gebracht. Überhaupt gibt es kaum Kunststoffabfälle im Unternehmen, ein großer Teil der recycelten Container werden eingemahlen, beigemischt und wiederverwertet. „Wir sind seit 2014 DIN ISO 50001-zertifiziert, seitdem optimieren wir unsere Ressourcen- und Energieeffizienz kontinuierlich“, sagt Volker Seifen, Energiemanagementbeauftragter bei Werit. Die wichtigste Kennzahl sei dabei der spezifische Energieverbrauch je verarbeitetem Kilogramm Kunststoff (kWh/kg PE). Diesen Wert reduzierte das Unternehmen in sieben Jahren um 12,5 Prozent und spart so allein am Stammwerk in Altenkrichen 9,2 Gigawattstunden ein.

Der Verpackungshersteller investierte anfangs in die Bereiche, die das höchste Einsparpotenzial boten, wie die Drucklufterzeugung. 2021 tauschte er schließlich eine Spritzgießmaschine und die Pumpen der Kaltwasseranlage aus, sanierte eine Montagemaschine und rüstetet jüngst die Beleuchtung in den Produktionshallen auf ein LED-System um. „Bei gut 6000 Stunden, die das Licht im Drei-Schicht-Betrieb brennt, gab es hier hohes Einsparpotenzial“, erzählt Seifen. Das habe auch die Lichtplanung und die Wirtschaftlichkeitsrechnung gezeigt, die LED Technics Germany (LTG) im Zuge des Angebotsprozesses vorlegte. Das Unternehmen aus Köln erhielt den Zuschlag für die LED-Umrüstung. Ausschlaggebend waren aber nicht nur die aufgestellte Berechnung und die Kosten. „Gut fanden wir außerdem, dass die bestehenden Tragevorrichtungen der alten Leuchten komplett weitergenutzt werden konnten und die neuen LED-Lichtbänder und -Hallenstrahler dadurch schnell zu montieren waren“, sagt Seifen.

Insgesamt 256 alte T8-Leuchten mit je 2x58 Watt demontierte LTG schließlich und ersetzte sie durch 86 neue LED-Lichtbandleuchten. Integrierte Tageslicht- und Anwesenheitssensoren optimieren den Energieverbrauch der Lichtquellen um weitere 20 Prozent. Trotz der insgesamt geringen Leuchtenzahl ist die Ausleuchtung nun deutlich besser, durchgängig 350 Lux im Montagebereich. Auch der jährliche Energiebedarf hat sich verbessert: 74 850 kWh spart Werit jetzt ein, das entspricht 39,7 Tonnen CO2 – allein in Altenkirchen.

Im Werk in Buchholz tauschte der Spezialist für Leuchtdioden alte Hochdruck-Quecksilberstrahler mit je 268 Watt Leistung eins-zu-eins gegen LED-Hallenstrahler mit je 110 Watt aus. Der Effekt: Einsparungen von 30 600 kWh und 16,2 Tonnen CO2. Am Standort Ottendorf, wo es drei Hallen umzurüsten galt, betrugen die Einsparungen sogar 102 500 kWh und 54,4 t Kohlenstoffdioxid.

Für die Maßnahmen im Stammwerk nahm das Unternehmen an einem branchenübergreifenden Förderprogramm der Investitions- und Strukturbank Rheinland-Pfalz (ISB) teil, die Vorhaben zur Steigerung der Energie- und/oder Ressourceneffizienz mit bis zu 25 Prozent bezuschusst und dabei feste Vorgaben zur CO2-Einsparung macht.

Für die LED-Umrüstung der Werke in Buchholz und Ottendorf hingegen beantragte Werit die staatliche Bundesförderung für energieeffiziente Gebäude (BEG). „Dass es diese Förderoption gibt, haben wir erst durch einen uns bekannten Energieberater erfahren“, erinnert sich Seifen. Seit Anfang 2021 wurden im BEG verschiedene Fördermaßnahmen gebündelt und auch für Sanierungsmaßnahmen an Nicht-Wohngebäuden aufgelegt. Bis zu 20 Prozent Direktzuschuss können Unternehmen für Einzelmaßnahmen an Gebäuden beantragen, darunter auch für die LED-Sanierung.

Durch die genannten Einsparungen liegen die Amortisationszeiten bei 2,5 beziehungsweise 1,7 Jahren – den BEG-Zuschuss noch nicht eingerechnet. „Die LED-Sanierung war zwar nur ein Baustein innerhalb unseres Energiemanagements, aber ein gewichtiger“, fasst Volker Seifen zusammen.

Die Werit Kunststoffwerke entschieden sich für das Stammwerk in Altenkirchen für ein LED-Lichtband und sparen seitdem knapp 75 000 kWh pro Jahr ein.

Smarte Unterstützung: Integrierte Sensoren optimieren den Energieverbrauch der LEDs zusätzlich.

Obwohl jetzt weniger Leuchten für die Helligkeit sorgen, ist die Ausleuchtung deutlich besser.

LED Technics Germany steht für pragmatische Lichtlösungen für Industrie und Gewerbe. Seit 2009 entwickelt und produziert das Kölner Unternehmen eigene LED-Leuchten und -Systeme, mit dem Ziel, die Energiewende für den Mittelstand einfach und finanzierbar zu machen. www.led-technics-germany.de

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Vorhersage der Oberflächenqualität von Kunststoffbauteilen mit Hochglanzoberflächen

Das gekonnte Zusammenspiel von Bewertungs- und Analysemöglichkeiten bei der Prozesssimulation, die eine Auslegung des optimalen Temperiersystems und einen Vergleich alternativer Herstellungsverfahren einschließt, ebnet den Weg hin zu einem effizienten Produktentwicklungs- und Produktionsprozess.

Das gekonnte Zusammenspiel von Bewertungs- und Analysemöglichkeiten bei der Prozesssimulation, die eine Auslegung des optimalen Temperiersystems und einen Vergleich alternativer Herstellungsverfahren einschließt, ebnet den Weg hin zu einem effizienten Produktentwicklungs- und Produktionsprozess. Bereits zu Projektbeginn können so Investitionen abgewogen und qualifiziert sowie technische, ökonomische oder ökologische Anforderungen berücksichtigt werden, wie das Beispiel eines Bauteils mit Hochglanzoberfläche zeigt.

Ob im Automobilbau, der Möbelindustrie oder der Unterhaltungselektronik – Produkte in Hochglanzoptik sind gefragt, garantieren Aufmerksamkeit, Kundenakzeptanz und sichern somit Marktanteile. Kunststoff, oft als Billigwerkstoff abqualifiziert, hat sich mittlerweile zu einem Lifestyle-Werkstoff gewandelt, begleitet von höchsten Ansprüchen an die Oberflächenqualität, die stetig neuen Anforderungen unterliegen. Zusätzlich beeinflussen diesen Wandlungsprozess weitere Aspekte, die es ebenso zu berücksichtigen gilt, wie beispielsweise ökonomische Faktoren oder notwendige Maßnahmen zur Reduzierung des CO2 -Fußabdrucks. Eine Schlüsselrolle bei der Gewährleistung einer gewünschten Produktqualität spielt ein abgestimmtes Zusammenwirken zwischen Analyse- und Bewertungsmöglichkeiten, die sich aus der Prozesssimulation ergeben, sowie die Beachtung und Umsetzung der daraus gewonnenen Erkenntnisse mit dem Ziel, die Verfahrenstechnik zu verbessern. So lassen sich im Vorhinein Herstellungsverfahren zielführend bewerten und das geeignete Anwendungsspektrum definieren.

Unbestritten birgt das Spritzgießen von Kunststoffbauteilen mit Hochglanzoberflächen zahlreiche Herausforderungen. So können unter anderem eine unzureichende Oberflächenqualität des Werkzeugeinsatzes, ungeeignetes Material oder falsche Prozessparameter zu einer minderwertigen Oberflächenqualität führen [1, 2]. Um dennoch den gewünschten Hochglanz zu erzielen, können Oberflächen unter bestimmten Voraussetzungen mit einem nachfolgenden Lackierprozess veredelt werden [3]. Allerdings verursachen dann die Energiekosten für den Lackierprozess mit 5 bis 15 % einen maßgeblichen Anteil an den gesamten Herstellkosten des Bauteils [4]. Angesichts des steigenden Bedarfs nach effizienteren Produktionsmethoden sowie der Anforderung, möglichst niedrige Herstellkosten mit einer hohen Produktqualität zu verbinden, sind alternative Prozesse gefragt [3].

Kosten und Nutzen der variothermen Temperierung abwägen

Die drei Faktoren, die die Qualität von Hochglanzoberflächen während des Spritzgießprozesses wesentlich beeinflussen, sind die Einspritzgeschwindigkeit, der Nachdruck sowie die Werkzeugtemperatur, wobei letztere die größten Auswirkungen hat [5]. Bei hoher Werkzeugtemperatur lassen sich nahezu ideale Hochglanzoberflächen herstellen. Um dabei überhöhten Zykluszeiten durch lange Kühlzeiten vorzubeugen, bieten variotherme Temperierverfahren eine praktikable Alternative zur Herstellung von Bauteilen mit Hochglanzoberflächen [5]. In diesem Zusammenhang empfiehlt sich die frühzeitige Vorhersage der Bauteilqualität durch Simulation, idealerweise bereits in der Phase des Produktdesigns, um ungeplante Kosten oder Bauteildefekte zu vermeiden [6].

In enger Zusammenarbeit haben die Contura MTC GmbH und die SimpaTec GmbH bei der Auslegung eines Herstellungsprozesses für ein Bauteil mit Hochglanzoberfläche den Einsatz einer konventionellen und einer variothermen Temperierung miteinander verglichen. In beiden Prozessen kam dasselbe Spritzgießwerkzeug mit konturnaher Kühlung zum Einsatz (Titelbild). Bei der Entwicklung und Herstellung des Werkzeugs waren die Premec S.p.A., Toolax sowie Contura MTC maßgeblich beteiligt. Durch das maßgeschneiderte Temperiersystem wird ein starker Einfluss auf die Werkzeugwandtemperatur ermöglicht (Bild 1).

Hochglanzoberfläche –  mit Einschränkung

Im Rahmen des Vergleichs wurde sowohl die jeweilige Oberflächenqualität des Bauteils bewertet als auch eine Kosten- und Energieabschätzung beider Herstellungsverfahren unter Berücksichtigung eines eventuell zusätzlich notwendigen Lackierprozesses durchgeführt. Mithilfe der Prozesssimulation wurde geprüft, ob sich die Oberflächenqualität des Spritzgussteils bereits in einer frühen Phase der Bauteilauslegung vorhersagen lässt, um eventuell anfallende Kosten eines Lackierprozesses berücksichtigen zu können. Zusätzlich wurde der Einsatz unterschiedlicher Materialien analysiert; so wurde das Referenzbauteil zum einen aus einem PC+ABS und zum anderen aus einem Polyamid 6 mit 30 %-igem Glasfaseranteil (PA6-GF30) hergestellt.

Das Referenzbauteil aus PC+ABS erreichte in beiden Verfahrensvarianten eine Hochglanzoberfläche. Mit der dynamischen Wechseltemperierung entstand eine ideale, sogenannte Piano-black-Oberfläche (Bild 2 rechts). Diese ist frei von Schlieren, Bindenähten und ähnlichen Mängeln, auf einen nachfolgenden Lackierprozess kann verzichtet werden. Beim Spritzgießen mit konventioneller Temperierung ist auf den ersten Blick ebenfalls eine schlierenfreie Oberfläche erkennbar. Bei näherer Betrachtung fallen allerdings deutlich erkennbare Bindenähte ins Auge (Bild 2 links). Ein nachfolgender Lackierprozess wird nötig, um die gewünschte Oberfläche in Klavierlackqualität zu erzielen.

Energieaufwand im Vergleich: Variothermie vs. Lackieren

Die Integration eines nachfolgenden Prozessschritts, wie der des Lackierens, bewirkt nicht nur einen erhöhten Ressourceneinsatz für Organisation, Transport, Verpackung und Handling des Bauteils bei der Nachbehandlung. Zusätzlich muss der steigende Energie- und damit Kostenaufwand berücksichtigt werden. Demgegenüber steht ein ebenfalls erhöhter Energiebedarf bei der Spritzgießfertigung mit variothermer Temperierung. Wie gestaltet sich der erhöhte Aufwand tatsächlich? Das gilt es zu vergleichen.

Dafür wird der Energiebedarf einer Spritzgießmaschine (Typ: Si-180-6s; Hersteller: Toyo Machinery & Metal Co.) inklusive aller zusätzlichen Temperiereinheiten für die Herstellung von jeweils 40 Referenzbauteilen gemessen. Mit der konventionellen Temperierung wurde für 40 Zyklen ein Energiebedarf von 2,882 kWh erfasst; nach Zuschalten der dynamischen Temperierung waren es 7,868 kWh. Dies bedeutet einen Anstieg des Energieverbrauchs um einen Faktor 2,7. Bei einem Strompreis von 20 ct pro kWh (Basis: 2020) ergibt sich daraus eine Preiserhöhung von knapp 2,5 ct pro Bauteil [7].

Verglichen mit dem Aufwand für einen nachgestellten Lackierprozess, der im Falle einer Spritzgießfertigung mit konventioneller Temperierung anfällt, ist dies trotz allem eine relativ geringe Preiserhöhung: Bei einer Losgröße von 25 000 Stück und einer Einschichtlackierung fallen mehr als 45 ct pro Bauteil zusätzlich an. Bei dieser Preisabschätzung sind das Handling, eventuelle Einmalkosten sowie ein Lackierausschuss von ca. 2 % noch nicht inbegriffen.

Resultierend ergibt sich daraus ein Faktor von mindestens 18, um den die Herstellungsvariante mit variothermer Temperierung kostengünstiger ist im Vergleich zur Variante mit konventioneller Temperierung (inklusive des erforderlichen Aufwands für den Lackierprozess).

Spritzgießsimulation  zur Kostenabschätzung

Eine Piano-black-Oberfläche kann also beides sein: eine günstige oder eine teure Lifestyle-Optik, je nach Herstellungsprozess. Gewinnbringend und nützlich ist diese Information jedoch nur, wenn sich im Vorhinein abschätzen lässt, ob eine variotherme Temperierung für das zu fertigende Produkt einen Mehrwert bringen kann, oder nicht.

Mithilfe der Spritzgießsimulation lassen sich nicht nur Trends aufzeigen, die auf die spätere Oberflächenqualität des Bauteils schließen lassen. Mit Moldex3D wurde dafür der Spritzgießprozess zum einen mit konventioneller und zum anderen mit dynamischer Temperierung berechnet. Neben den bewährten herkömmlichen Ergebnissen, wie beispielsweise Fließeigenschaften, Temperaturen, Druck und Deformation, sind für die Tendenz der Oberflächenqualität unter anderem die Eigenschaften der Bindenähte sowie die Scherbelastungen von Interesse.

Viskosität beeinflusst Durchmischung beeinflusst Bindenähte

Anhand der Temperatur der Bindenähte zum Zeitpunkt der Entstehung lassen sich Rückschlüsse auf deren Ausprägung ziehen. Bei höheren Temperaturen der aufeinandertreffenden Schmelzefronten bedingt die niedrigere Viskosität der Schmelze eine stärkere Durchmischung, was zu weniger ausgeprägten Bindenähten führt. Dieses Phänomen zeigt sich im Prozess mit variothermer Temperierung auf der variotherm temperierten Bauteilseite, hier also auf der Sichtfläche an der Oberseite. Auf dieser Seite ist die Temperatur noch so hoch, dass das reale Bauteil an dieser Stelle keinerlei Anzeichen von Bindenähten zeigt (Bild 2 rechts).

Das Ergebnis der Berechnung verdeutlicht die Temperaturunterschiede der Bindenähte: Auf der variotherm temperierten Sichtfläche (Oberseite) des Bauteils ist die Temperatur der potenziellen Bindenaht so hoch, dass hier die Datenpunkte mit noch höheren Temperaturen als Bindenähte vernachlässigt werden können (Bild 3 rechts). Ohne variotherme Temperierung entstehen Bindenähte mit geringeren Temperaturen, die mithilfe der Datenpunkte detektiert werden können (Bild 3 links). Neben der Betrachtung der Bindenähte ist auch ein Vergleich der Scherspannungen an der Bauteiloberfläche, die bei den verschiedenen Temperiersystemen auftreten, von Bedeutung. Dieser Fokus wird im weiteren Verlauf dieses Artikels bei dem glasfaserverstärkten Material gesetzt.

Der Vergleich der Berechnungsergebnisse beider Temperierarten zeigt deutliche Unterschiede in der Oberflächenbeschaffenheit der Bauteile. Dies kann jedoch im Falle eines variothermen Spritzgießprozesses noch keine endgültige Garantie für eine einwandfreie Oberfläche respektive für die Einsparung eines ganzen Lackierschritts sein. Hierfür sind weiterführende Versuche notwendig, die Erkenntnisse zu ergänzenden relevanten Einflussgrößen, wie etwa der Oberflächenqualität des Werkzeugs, liefern. Nichtsdestotrotz verdeutlichen die Ergebnisse bereits eine sichtbare Steigerung der Oberflächenqualität für das Bauteil aus variothermer Temperierung, was bei der Entscheidungsfindung für einen geeigneten Herstellungsprozess eine wesentliche Rolle spielen sollte.

Dass es ganz ohne Lack schwierig wird, verdeutlichen die Bauteile aus Polyamid 6 mit 30 % Glasfaseranteil. Beim Spritzgießen mit konventioneller Temperierung wurden so kritische Oberflächenqualitäten erreicht, dass selbst eine Lackierung auf Hochglanz aufgrund mangelnder Machbarkeit teilweise nicht mal mehr angeboten wurde (Bild 4 oben links). Eine solche Situation ist für einen realen Produktentwicklungsprozess untragbar.

Alles oder nichts: Hochglanz  mit Glasfaser

Die Wahl eines Spritzgießprozesses mit dynamischer Wechseltemperierung konnte noch retten, was zu retten ist:  Es wurde eine akzeptable Oberflächenqualität erzielt (Bild 4 oben rechts), sodass ein nachfolgender Lackierprozess noch möglich wäre, um die gewünschten Hochglanzflächen zu erreichen. Der Notwendigkeit eines nachfolgenden Lackierprozesses zum Trotz: In diesem Fall hat die variotherme Temperierung die Herstellung einer Hochglanzoberfläche überhaupt erst möglich gemacht.

Beim Vergleich der realen Bauteiloberflächen mit den hier dargestellten Ergebnissen der Simulation mit Moldex3D werden Parallelen erkennbar, die auf die Möglichkeit einer Vorhersage des zuvor beschriebenen Debakels schließen lassen können (Bild 4). Die Berechnungsergebnisse zeigen die maximalen Scherspannungen am Ende der Füllphase beider Temperierarten (Bild 4 unten). Die Gradienten der Scherspannungen sind Indikatoren für eine ungleichmäßige Bauteiloberfläche, was sich im Falle der konventionellen Temperierung auf drastische Weise bestätigt (Bild 4 links).

Die geringer ausgeprägten Scherspannungsgradienten beim Berechnungsergebnis für die variotherme Temperierung decken sich mit der hochwertigeren realen Bauteiloberfläche (Bild 4 rechts). Wie zuvor bei den Bindenähten kann also auch das Berechnungsergebnis der Scherspannungen Tendenzen für die spätere Oberflächenqualität des Realbauteils aufzeigen. Dieser Versuch mit PA6-GF30 unterstreicht zudem den wichtigen Beitrag, den die Spritzgießsimulation zur Abschätzung der Machbarkeit der Bauteilproduktion leisten kann.

Lack nötig oder überhaupt möglich? Erfahrungswerte nutzen

Um die absoluten Werte der Scherspannungen und der Temperaturen der Bindenähte noch besser deuten zu können, kann die Plattform Moldex3D iSLM genutzt werden. In dieser interaktiven Plattform zum Datenmanagement für Unternehmen in der Kunststoffbranche können unter anderem bereits gewonnene Erkenntnisse, wie etwa die Größe von Modellmerkmalen, Anschnittgrößen, Anschnitttypen, Kühlsystemen, Abmusterungsparameter und CAE-Simulationsergebnisse,  gespeichert und bei nachfolgenden Projekten als Vergleich herangezogen werden.

Die beschriebene Vorgehensweise lässt sich auch auf andere Produktentwicklungsprozesse übertragen, beispielsweise auf die Herstellung geschäumter Bauteile. Zwar stellt die optimale Temperierung zur Erreichung einer hochwertigen Bauteiloberfläche in diesem Fall eine besondere Herausforderung dar, doch bietet sie zugleich ein großes Potenzial für Prozessoptimierungen.

[1] Kerkstra, R.: Solving Issues with Gloss. Plastics Technology (2016), online verfügbar unter <a href="https://www.ptonline.com/news/solving-issues-with-gloss">https://www.ptonline.com/news/solving-issues-with-gloss</a>, zuletzt geprüft am 05.04.2022

[2] Berger, G.; Friesenbichler, W.; Reitter, M.; Jutz, S.; Langecker, G.: Hochglanzoberflächen beim Spritzgießen. Materials Testing 52 (2010) 4, S. 211–221

[3] Schulz, D.: Ausschussarmes Lackieren von Kunststoffen. Plastverarbeiter (2018), online verfügbar unter <a href="https://www.plastverarbeiter.de/markt/ausschussarmes-lackieren-von-kunststoffen.html">https://www.plastverarbeiter.de/markt/ausschussarmes-lackieren-von-kunststoffen.html</a>, zuletzt geprüft am 05.04.2022

[4] Bundesministerium für Wirtschaft und Energie: Luftstromregelung und Wärmerückgewinnung im Lackierprozess. (2021), S. 1, online verfügbar unter <a href="https://www.wettbewerb-energieeffizienz.de/WENEFF/Redaktion/DE/Artikel/Projekte/Projektideen/energieeffizienz-in-lackieranlagen.html">https://www.wettbewerb-energieeffizienz.de/WENEFF/Redaktion/DE/Artikel/Projekte/Projektideen/energieeffizienz-in-lackieranlagen.html</a>

[5] Gim, J.; Han, E.; Rhee, B.; Friesenbichler, W.; Gruber, D.: Causes of the Gloss Transition Defect on High-Gloss Injection-Molded Surfaces. Polymers 12 (2020) 9, S. 1–16

[6] Sánchez, R.; Martinez, A.; Mercado, D.; Carbonel, A.; Aisa, J.: Rapid heating injection moulding: An experimental surface temperature study. Polymer Testing 93 (2021) 106928, S. 1–7

[7] Homann, J.; Mundt, A.: Monitoringbericht Energie 2020. Bundesnetzagentur für Elektrizität, Gas, Telekommunikation, Post und Eisenbahnen, Bonn (2021), S. 27–28

3D-CAD-Ansicht des konturnahen Temperiersystems für die Spritzgießfertigung einer Blende mit Hochglanzoberfläche.

Bild 1. Der Schnitt ins Werkzeuginnere im Simulationsmodell zeigt den Temperaturunterschied am Ende der Füllphase: Auf der Oberseite wird variotherm temperiert, was zu höheren Werkzeugtemperaturen als auf der konventionell temperierten Seite (unten) führt.

Bild 2. Das Referenzbauteil aus PC+ABS erreichte in beiden Verfahrensvarianten eine Hochglanzoberfläche, ohne Bindenähte allerdings nur mit der variothermen Temperierung (rechts).

Bild 3. Die Partikelverfolgung zeigt die Temperatur der Bindenähte bei deren Entstehung. Bei variothermer Temperierung (rechts) ist die Temperatur der Schmelzefronten an der Sichtfläche (Oberseite) noch so hoch, dass sie nicht als Bindenähte angezeigt werden.

Bild 4. Das Berechnungsergebnis  für die Scherspannungen (unten) liefert tendenziell Hinweise auf die spätere Oberflächenqualität des Realbauteils aus PA6-GF30 – hier die höherwertige Oberfläche mit variothermer Temperierung (rechts).

Cristoph Hinse ist Geschäftsführer der SimpaTec Simulation & Technology Consulting GmbH, Aachen. Paula Hohoff ist Ingenieurin bei SimpaTec; <a href="mailto:sales@simpatec.com">sales@simpatec.com</a>