Krisen als Normalzustand – und als Chance

Die CO2-Emissionen von Automobilen sollen nach Wunsch der Hersteller sinken. Und das nicht nur während der Nutzungsphase, sondern ebenfalls in der Produktion. Dazu sollen auch Kunststoffe beitragen. Wie sich das die Fahrzeughersteller vorstellen, zeigte in diesem Jahr sehr gut die Fachkonferenz VDI PIAE.

Die CO2-Emissionen von Autos sollen nach Wunsch der Hersteller sinken – auch durch Kunststoffe. Wie sich die Hersteller das vorstellen, zeigte die VDI PIAE 2023.

Die deutsche Automobilindustrie befindet sich mittlerweile seit Jahren in einer schweren Krise. Diesen Eindruck vermitteln zumindest die Schlagzeilen in den letzten Jahren: Chipmangel, Absatzschwäche während Corona, verschlafene E-Mobilität, der Dieselbetrug bei VW und eine stark wachsende Konkurrenz in China sind nur einige der Beispiele. Gefühlt ist die Krise somit mittlerweile der Normalzustand. Das ist laut Professor Armin Nassehi eigentlich auch wenig überraschend. Ihm zufolge befinden sich moderne Gesellschaften nämlich fast immer in Krisen. Mit dieser Einschätzung in seinem Eröffnungsvortrag auf der diesjährigen VDI PIAE (Plastics in Automotive Engineering) konnte der Soziologe von der Ludwig-Maximilians-Universität München vielleicht dem ein oder anderen Automobilvertreter Mut machen. Und von diesen nahmen Kongressleiter Thomas Drescher, VW, zufolge noch nie so viele an der Veranstaltung teil, wie in diesem Jahr (Bild 1).

In seinem Vortrag ging Nassehi außerdem der Frage nach: Wenn die Krise der Normalzustand ist, welche Situationen werden dann überhaupt als Krisen empfunden? Der Fall ist das ihm zufolge, wenn die Lebenswirklichkeit und die Notwendigkeiten nicht mehr zusammenpassen, wenn sich also verschiedene Ziele nicht mehr kombinieren lassen, passende Entscheidungen für deren Erreichung fehlen und Zukunftsperspektiven nicht mehr vorhergesagt werden können. Dieser Zustand beinhaltet laut Nassehi aber auch Chancen. Krisensituationen brächten nämlich auch neue Optionen und Ideen, das sogenannte ausgeschlossene Dritte, hervor. Anstatt der Alternativen A und B würde auf einmal auch die Option C zur Verfügung stehen.

Ein gutes Beispiel für nicht kombinierbare Zielkonflikte und neue Optionen, die dadurch entstehen, liefern gerade die wachsenden Anforderungen an die Nachhaltigkeit von Fahrzeugen. Das verdeutlichte etwa der Vortrag von Jamie Hartmann und Dr. Thomas Taddigs von VW. Bisher musste ihnen zufolge bei der Materialauswahl für Fahrzeugbauteile nur eine Balance zwischen der Wertigkeit und den Kosten gefunden werden. Nun kommt die Nachhaltigkeit als dritte Kategorie hinzu. Das erhöhe die Komplexität deutlich. Nachhaltigkeit dürfe sich nämlich nicht in höheren Kosten oder einer reduzierten Wertigkeit niederschlagen, da sich das negativ auf die Zufriedenheit der Kunden auswirke. VW sucht den Referenten zufolge deshalb gegenwärtig nach Wegen, CO2-Reduktionen ohne Kostensteigerungen und Qualitätsverlust umzusetzen. Und dabei hat der Konzern für sich eine Option C gefunden: Er wirft das bisherige Credo „Ein Material für alle Projekte“ über Bord.

Bisher nutzte der Autobauer Taddigs und Hartmann zufolge weltweit für eine Bauteilart auch nur ein Material. Den Zulieferern wurde damit genau vorgegeben, welches Material sie zu nutzen hatten. Das führte den Referenten zufolge auch zu einem gewissen Überengineering bei vielen Bauteilen, da die Materialien die eigentlich notwendigen Eigenschaften deutlich übertrafen. Künftig gelte bei VW nun die Devise: „Das passende Material für jedes Projekt.“ Außerdem werde künftig nicht mehr das technisch beste, sondern das für die Anforderungen notwendige Material ausgewählt. VW erhofft sich davon einerseits, den Balanceakt zwischen Wertigkeit, Kosten und Nachhaltigkeit besser bewältigen zu können und möchte andererseits die Materialkosten senken. Das ist Taddigs und Hartmann zufolge notwendig, da künftig voraussichtlich für den Materialeinkauf weniger Budget zur Verfügung steht. Die Einsparungen in diesem Bereich würden an anderer Stelle gebraucht, um zusätzliche Funktionen, etwa für das autonome Fahren, umzusetzen, ohne die Kosten für die Käufer zu erhöhen.

Materialampel definiert gewünschte Kunststoffe

Für die Auswahl der genutzten Kunststoffe wird sich VW künftig außerdem an einer Materialampel orientieren, die deren Nachhaltigkeit bewertet. Kriterien sind dabei unter anderem der Rezyklatanteil, die Verfüg- und Skalierbarkeit sowie die Kreislaufeignung. Bei letzterem wird unter anderem betrachtet, wie gut sich die Materialien sortieren und werkstofflich recyceln lassen. Polyolefine, Polyethylenterephthalat (PET), Polyamid 6 (PA6) und PA66 sowie Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) schneiden in dieser Kategorie beispielsweise dem Vortrag zufolge sehr gut ab und sollen deshalb künftig bevorzugt werden. Zu vermeiden sind laut der Materialampel hingegen Polyvinylchlorid (PVC), Polyoxymethylen (POM) und carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK). Generell möchte VW künftig verstärkt nachhaltigere Materialien einsetzen. „Nachhaltigkeit ist für uns zurzeit das Innovationsthema. Bitte rennen Sie uns mit Ihren Vorschlägen für nachhaltige Materialien die Bude ein“, forderte Taddigs die Kunststoffhersteller und Zulieferer auf.

Der Wolfsburger Autobauer war nicht der einzige Hersteller, der auf der Tagung seine künftigen Anforderungen an Materialien vorstellte. Die Unternehmen scheinen nun bereit, ihre Vorgaben und Pläne breiter zu kommunizieren. Laut Dr. Gerard Liraut von Renault setzt etwa der französische Automobilkonzern bei der Reduzierung der CO2-Emissionen vor allem auf Recyclingmaterialien. „Recyceltes Material ist gutes Material“, fasste er die Haltung des Unternehmens zusammen. Dabei sollen bevorzugt mechanisch aufbereitete Post-Consumer-Rezyklate (PCR) zum Einsatz kommen, am besten aus alten Fahrzeugen.

Liraut hatte auch einige interessante Zahlen mitgebracht. Gegenwärtig nutzt das Unternehmen im Durchschnitt 180 bis 250 kg Kunststoffe pro Fahrzeug. Ein Großteil davon, ca. 40 %, entfällt auf Polypropylen (PP). Auch bei den meisten genutzten Rezyklaten handelt es sich um aufbereitetes PP. Der Konzern konzentriert sich Liraut zufolge deshalb zurzeit bei der Rezyklatbeschaffung auf das Polyolefin. Nennenswerte Anteile an aufbereiteten Kunststoffen werden außerdem bei PET, ABS und PA genutzt. Materialsubstitutionen sind laut Liraut nicht vorgesehen. Der Automobilhersteller möchte auch künftig die gleichen Kunststoffarten wie bisher bei den verschiedenen Bauteilen nutzen, nur eben mit Rezyklatanteil. Auch die Spezifikationen sollen sich nicht ändern. Recyclingmaterialien müssten die gleichen Anforderungen wie Neuware erfüllen. Interessant ist auch, dass Renault Liraut zufolge auf dem Massebilanzansatz beruhende Typen ausschließt. Das gilt sowohl für Biokunststoffe, als für solche aus chemisch recycelten Abfällen.

In diesem Punkt scheinen sich die Geister bei den Herstellern zu scheiden. VW schließt die Nutzung entsprechender Typen etwa nicht aus. Auch bei BMW ist man nicht gänzlich dagegen. Zwar würden laut Bernhard Staudt und Dr. Martin Schneebauer von dem Münchner Autobauer andere Varianten bevorzugt, aber auch massebilanzierte Materialien kämen in Frage. Das gleiche gelte für Post-Industrial-Rezyklate (PIR). „Wir bevorzugen PCR über PIR-Materialien“, erklärte Staudt. Ziel sei es bis 2030 die CO2-Emissionen der Fahrzeuge über die gesamte Lebensdauer um 40 % zu reduzieren erklärte die beiden in ihrem Vortrag.

Neben den Anforderungen der Hersteller waren auf der Tagung außerdem konkrete Praxisbeispiele für die Reduzierung von CO2-Emissionen zu sehen. Roman Hofer von dem Schaumspezialisten 2Limit zeigte etwa, wie sich mithilfe der Mucell-Schaumtechnik Gewicht und Emissionen bei einem Frontscheinwerfergehäuse reduzieren lassen. Ziel des gemeinsam mit Forvia und Renault durchgeführten Projekts war eine deutliche Gewichtsreduktion. Dazu sollte die bisherige Grundwanddicke des Kompaktbauteils von 2 auf 1,5 mm bei dem geschäumten reduziert werden. Durch den Wechsel wurde das Gewicht laut Hofer um 26 % verringert. Die Umstellung auf den Mucell-Prozess habe außerdem noch weitere positive Nebeneffekte. Die notwendige Schließkraft reduziere sich um 19 % und der Verzug des Bauteils um 15 %. Außerdem sinke die Zykluszeit um 10 %. Berechnungen ergaben laut Hofer, dass die CO2-Emissionen um bis zu 25 % geringer ausfallen, da weniger Material benötigt wird. Beim CO2-Verbrauch gilt für ihn: „Das beste Material ist nicht benutztes Material.“

Verringern lassen sich Treibhausgasemissionen außerdem durch die Substitution von Metallen durch Kunststoffe. Umgesetzt wird das bereits seit Jahren. Bisher ging es dabei aber hauptsächlich um Gewichtsreduktionen und damit einen indirekt geringeren Spritverbrauch der Fahrzeuge. Mittlerweile rückt verstärkt die Verringerung der CO2-Emissionen in der Produktion in den Vordergrund. Sehr schön illustriert das die von Thomas Lindemann vom Zulieferer Magna vorgestellten Hecktüren des VW-Transporters ID Buzz (Bild 2). Sie bestehen fast vollständig aus Kunststoff. Das reduziere nicht nur das Gewicht und die CO2-Emissionen, sondern auch die Komplexität der Türen, da sie aus weniger Teilen bestünden. Generell lassen sich Lindemann zufolge durch den Wechsel von Metall zu Thermoplasten bei solchen Türen 20 bis 30 % an Gewicht, um die 13 kg an Treibhausgasen und 25 bis 45 % an Bauteilen einsparen.

Zusätzlich dazu steige die Designfreiheit. Die Türen des ID Buzz sind sowohl ein- als auch zweifarbig verfügbar. Laut Lindemann lassen sich außerdem zusätzliche Funktionen wie Spoiler, Antennen und attraktive Lichtkonzepte integrieren.

Ein attraktives und markantes Design stand auch bei dem großflächigen Frontteil der Elektroautoreihe EQ von Mercedes-Benz im Vordergrund. Fritz Wazula vom Stuttgarter Autobauer stellte das Bauteil in seinem Vortrag vor und ging auch detailliert auf die damit verbundenen Schwierigkeiten ein. In das sogenannte Star Panel sind über 200 kleine Mercedes-Sterne eingearbeitet (Bild 3). Die Sterne stellten die Entwickler vor einige Herausforderungen. Sie sind rückseitig als Vertiefungen eingearbeitet, was die Wanddicke an diesen Stellen von 3,5 auf 2,3 mm reduziert. Außerdem wirken sie laut Wazula wie eine Sollbruchstelle im Bauteil. Eine zusätzliche Herausforderung stellte ihm zufolge die Verwendung eines Polycarbonat (PC) Hard Coats dar. Die Charpy-Schlagzähigkeit des Materials liegt dadurch um 75 % niedriger. Außerdem wären zu Beginn des Projekts nur unzureichende Materialmodelle für die Simulation vorhanden gewesen.

Gemeinsam mit den Projektpartnern, unter anderem Techniplas und Covestro, konnten schließlich ein funktionierender Herstellprozess und ein Design entwickelt werden, dass alle notwendigen Anforderungen für die Serienreife erfüllte. Bei den Kunden kommt das Design auf jeden Fall an. Wazula zufolge wird das Bauteil, obwohl es sich um eine Sonderausstattung handelt, bei den meisten Fahrzeugen der Reihe verbaut.

Bild 1. Kongressleiter Thomas Drescher konnte in diesem Jahr besonders viele Teilnehmer von den Automobilherstellern in Mannheim begrüßen. 

Bild 2. Die Hecktüren des Transporters ID. Buzz sind fast komplett in Kunststoff ausgeführt. Das senkt deren CO2-Emissionen und verringert die Anzahl der Einzelbauteile.

Die Fahrzeughersteller hatten wieder einige Schmuckstücke nach Mannheim gebracht

Bild 3. In das Front Panel der Elektroautoreihe EQ von Mercedes-Benz sind über 200 kleine Mercedes-Sterne eingearbeitet. Dieses schmucke Design hielt in der Umsetzung jedoch einige Herausforderungen bereit.

KU 9-23_PIAE - Hauptartikel

Im kommenden Jahr findet die VDI PIAE vom 19. bis 20. Juni 2024 statt. Weitere Informationen unter <a href="http://www.vdi-wissensforum.de/piae" target="_blank">www.vdi-wissensforum.de/piae</a>

Streifinger, Florian

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Mit Aluminium beschichtete Basaltfasern als Additiv für Kunststoffe

Bei Elektrogeräten und in der E-Mobilität sind häufig gute mechanische Eigenschaften, bei gleichzeitiger Wärmeabfuhr und EMV-Abschirmung gefragt. Dafür bieten sich Verbundwerkstoffe an, die passende Polymere als Matrixmaterial, Additive und Verstärkungsfasern kombinieren. Das Aachener Start-up FibreCoat hat spezielle Fasern entwickelt, mit denen sich viele der notwendigen Eigenschaften erreichen lassen und die dabei gleichzeitig noch leicht und günstig sind.

Gute mechanische Eigenschaften, Wärmeabfuhr und EMI-Abschirmung sind bei Elektrogeräten gefragt. Erreichen lässt sich das etwa mit speziellen Fasern.

Aus schwierigen Umständen entstehen teilweise die spannendesten Innovationen. Der Fall war das etwa bei dem Start-up FibreCoat. 2014 kam Robert Brüll die Idee für eine Einzelfilamentbeschichtung: Er wollte hauchdünne Glasfasern mit Kunststoff überziehen. Zusammen mit Alexander Lüking und Richard Haas entwickelte er eine entsprechende Beschichtungstechnologie. Die drei kannten sich von der gemeinsamen Forschung am Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen. 2019 erhielten sie ein Gründerstipendium vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie und gründeten schließlich 2020 FibreCoat.

„Und dann kam Corona. Ein wichtiger Zulieferer konnte nicht mehr liefern. Das war ein herber Rückschlag und wir mussten uns überlegen, was wir aus der Situation machen“, erinnert sich Richard Haas. Die drei Ingenieure experimentierten mit anderen Fasern und Materialien für die Beschichtung. „Wir haben Fasern mit Aluminium ummantelt. Statt einer Glasfaser verwendeten wir eine Basaltfaser, die man auch von Steinwolle für die Hausdämmung her kennt“, erklärt er.

Vergleichbares Metallgarn aus Aluminium gebe es zwar bereits, der Herstellungsprozess sei jedoch deutlich aufwendiger und somit teurer. „Ein Kilo davon kostet 300 Euro und mehr. Mit unserer Beschichtungstechnologie produzieren wir viel schneller und brauchen nur einen Bruchteil der Energie. So können wir unser Produkt zehnmal günstiger anbieten“, erläutert Robert Brüll. Seit 2021 sind die AluCoat genannten, beschichteten Fasern auf dem Markt und haben seit dem einige Innovationspreise wie den JEC Composites Startup Booster, den Techtextil Innovation Award, den AVK Innovation Award, die Handelsblatt University Challenge und eine Auszeichnung der Wissenschaftstagung Falling Walls gewonnen. Außerdem belegte FibreCoat den dritten Platz bei der US-amerikanischen Rice Business Plan Competition.

AluCoat ist, anders als derzeit verwendete leitfähige Polymergarne, thermisch und elektrisch leitfähig und bis zu 600 °C temperaturbeständig. Die Produktlinie umfasst geschnittene Fasern und Garne, die aus bis zu 100 einzelnen Fasern bestehen, sowie Gewebe und Vliese (Titelbild). Sie bietet gegenüber bestehenden Technologien wie massiven Metallfasern sowie Aluminiumfolien und -blechen erhebliche Qualitäts- und Kostenvorteile. Die Produkte sind leichter, günstiger und zum Teil sogar fester als Metalle.

Auf der JEC World 2023 präsentierte FibreCoat erstmals die aluminiumbeschichteten Kurzfasern als funktionalen Füllstoff für technische Polymere. Chopped-AluCoat-Fasern sind kurze, aluminiumbeschichtete Basaltfasern, die sich für verschiedene Matrixmaterialien wie Polyamid (PA), Polyethylen (PE) und Polypropylen PP eignen (Bild 1). Damit verstärkte Kunststoffe erhalten elektrische und wärmeleitende Eigenschaften sowie eine Abschirmfunktion gegen elektromagnetische Strahlung. Außerdem steigt ihre Festigkeit deutlich. Die Materialeigenschaften lassen sich über Parameter wie die Form der Beschichtung, die Schlichte sowie die Faserdichte in der Matrix präzise einstellen und an kundenspezifische Anforderung anpassen (Tabelle).

Damit können zum Beispiel Kunststoffgehäuse von elektronischen Geräten (Bild 2) Wärme schneller abführen oder Komponenten der E-Mobilität vor elektromagnetischer Strahlung abgeschirmt werden (Bild 3). „Leitfähige Kunststoffe haben in mehreren Industrien entscheidende Vorteile gegenüber Metallen oder beschichteten Kunststoffen. Sie sind leicht und gleichzeitig hoch fest, außerdem erfordern sie keine Beschichtung, Lackierung oder andere zusätzliche Verarbeitungsschritte“, fasst Gründer Brüll die Vorteile zusammen. Dadurch lassen sich ihm zufolge die Kosten für Bauteile um bis zu 50 % senken.

Die Werkstoffeigenschaften der Fasern im Detail:

Wärmeleitfähigkeit und thermische Stabilität: Die Aluminiumummantelung sorgt für eine verbesserte Wärmeableitung, wodurch sich das Risiko von Wärmeverformungen reduziert. Die effizientere Ableitung von Wärme aus dem Kunststoff und erhöhte thermische Stabilität ist insbesondere bei Anwendungen mit erhöhten Temperaturen von Bedeutung. AluCoat sorgt für Kühlung, indem es Wärme abführt, kann aber auch für die Erwärmung genutzt werden, indem es mit Strom beaufschlagt wird.

Elektrische Leitfähigkeit: Verglichen mit anderen Faserarten wie Carbon-, Glas- oder Naturfasern hat AluCoat einen sehr geringen elektrischen Widerstand. Es eignet sich deshalb für alle Anwendungen, bei denen elektrische Leitfähigkeit gefordert ist. Die Fasern können gezielt elektrische Ladungen zur Vermeidung explosiver Entladungen ableiten.

EMV-Abschirmung: AluCoat schirmt sicherheitsrelevante Räume oder Gebäude sowie Elektronik vor elektromagnetischer Strahlung ab. Vor allem Elektroautos und Flugzeuge benötigen eine elektromagnetische Abschirmung (Bild 4), ebenso Sensoren oder empfindliche Schaltungen. Die ummantelten Basaltfasern lassen sich nicht nur im Spritzgießen verarbeiten, sondern auch in Folien oder Geweben integrieren.

Mechanische Eigenschaften: Die Zugabe von Chopped-AluCoat-Fasern in die Kunststoffmatrix führt zu einer signifikanten Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Als Bewehrungsfasern erhöhen sie die Festigkeit und Steifigkeit von Kunststoffen, was die Bruchfestigkeit sowie Schlagfestigkeit der Polymere steigert. Das ist insbesondere in Anwendungen mit stoßbelasteten Bauteilen von Vorteil.

Brandschutz: AluCoat-Fasern verlangsamen außerdem die Ausbreitung von Flammen. Sie verbessern somit die Brandschutzeigenschaften von Kunststoffen.

Metallfasern werden gegenwärtig in großen Mengen hergestellt und in verschiedenen Branchen eingesetzt. Es ist ein technisch ausgereifter Sektor mit einer Vielzahl an Anwendungen in verschiedenen Industrien – etwa der Automobil- und der Luft- und Raumfahrtindustrie.

Für diese Bereiche eignen sich auch die AluCoat-Fasern. Sie überzeugen vor allem für Komponenten, die hoher Temperatur und mechanischer Belastung ausgesetzt sind und Brandschutzanforderungen erfüllen müssen. Für Mobilitätsanwendungen, Krankenhäuser und andere sicherheitsrelevante Gebäude bieten die Fasern eine umfassende EMV-Abschirmung. Gleichzeitig sind sie erheblich leichter und günstiger als herkömmliche Materialien. „Unsere Hochleistungsfasern verbessern nicht nur bestehende Produkte und Bauteile, sie bieten Chancen für völlig neue Anwendungen mit leichten, flexiblen, funktionalisierten Kunststoffbauteilen. AluCoat eröffnet zum Beispiel neue Möglichkeiten für intelligente Textilien und Folien“, erklärt Gründer Haas.

Textilien funktionalisieren und  Räume heizen

Es lassen sich damit Textilien mit integrierten Sensoren, sogenannte Smart Textiles, und Wearables herstellen. Auch Räume können damit abhörsicher gemacht und gegen Telekommunikationsstrahlung abgeschirmt werden. Genauso kann AluCoat Textilien und Räume kühlen oder heizen. Die ummantelten Basaltfasern (Bild 5) können in Teppichen oder Paneelen verarbeitet zur Raumheizung dienen. „Außerdem haben wir damit eine Lösung für alle Probleme, bei denen elektrostatische Aufladung oder die schlechte Leitfähigkeit von Kunststoffen eine Rolle spielen“, so Haas weiter.

Wärme ist außerdem ein wirksamer Keimtöter. Die Desinfektion durch Wärme ist eine der beständigsten Formen der Sterilisation von Geräten und Standorten. E.-coli-Bakterien beispielsweise sind bei 60 °C nach zehn Minuten vernichtet, bei 70 °C ist SARS-CoV-2 nach fünf Minuten auf einer Oberfläche nicht mehr nachweisbar. Die Covid-19-Pandemie hat die Bedeutung einer gründlichen, effektiven Desinfektion noch einmal unterstrichen. Mit AluCoat lassen sich Türgriffe, öffentliche Bedienpanels und Sanitäreinrichtungen als antibakterielle Komponenten herstellen.

AluCoat-Fasern eignen sich auch als Verstärkungsfasern im Leichtbau. Obwohl die damit verstärkten Kunststoffe nicht die Wärmeleitfähigkeit von Metallen erreichen, können sie bei vielen Bauteilen Metalle ersetzen. Sie sind leicht und günstig und Korrosion ist kein Faktor. Außerdem ermöglichen sie ein flexibles Design. Mit den Fasern verstärkte Kunststoffen kommen zudem auf eine deutlich geringere Wärmeausdehnung als Metalle. Chopped-AluCoat-Fasern können mit verschiedenen Verarbeitungstechnologien wie Extrusion, Pressen, Spritzgießen und in Gießverfahren verarbeitet werden. Die Materialeigenschaften lassen sich über Parameter der aluminiumummantelten Basaltfasern und der Matrixkomponente in einem großen Spektrum an die individuellen Anforderungen einstellen.

Die Nachfrage nach den Fasern ist groß. Gegenwärtig ist das Start-up aus Aachen dabei, in Kooperation mit Saint Gobain eine neue Produktionsstätte in Polen zu eröffnen. Für 2024 planen die drei Gründer außerdem die Markteinführung ihrer ursprünglich geplanten, kunststoffbeschichteten Fasern. Trotz der Verzögerung sind die Gründer weiterhin von diesen überzeugt. Denn sie bieten noch einmal eine andere Kombination vorteilhafter Eigenschaften: eine hohe Festigkeit und Steifigkeit bei gleichzeitig sehr geringem Gewicht.

Die metallbeschichteten AluCoat-Basaltfasern sind als geschnittene Fasern sowie als Garn, Gewebe und Vlies erhältlich. 

Bild 1. Faserverbundkunststoffe mit AluCoat sind hochfest, elektrisch und thermisch leitend und schirmen gegen elektromagnetische Strahlung ab. 

Bild 2. Kunststoffgehäuse von elektronischen Geräten können mit dem aluminiumbeschichteten Füllstoff schneller Wärme abführen.

Bild 3. Mit Chopped AluCoat verstärkter Kunststoff ist leichter, günstiger und zum Teil sogar fester als Metalle. Er eignet sich deshalb sehr gut für den Einsatz in der Elektromobilität.

Bild 4. FVK erhalten mit Chopped-AluCoat-Fasern eine Abschirmfunktion gegen elektromagnetische Strahlung. Das ist unter anderem bei Luft- und Raumfahrtanwendungen relevant. 

Bild 5. Mit einer speziellen Beschichtungstechnologie produziert FibreCoat deutlich schneller und mit einem Bruchteil der Energie im Vergleich zur Herstellung von herkömmlichen Metallgarnen. Die Basis bildet eine Basaltfaser, die von zwei Seiten mit Aluminium beschichtet wird.

Tabelle. Physikalische Eigenschaften der beschichteten Basaltfasern

KU 9-23_FibreCoat - Hauptartikel

Joris Kemperman ist Marketing Manager bei FibreCoat.

Martin Grolms arbeitet als freier Journalist.

FibreCoat ist ein Start-up mit mittlerweile mehr als 30 Mitarbeitern. Die Ausgründung der RWTH Aachen hat eine Technologie entwickelt, mit der sich Fasern für Verbundwerkstoff- und Abschirmungsanwendungen beschichten lassen. Ziel des Unternehmens ist es unter anderem Hochleistungsmaterialien für die Großserienproduktion erschwinglich zu machen. Dafür setzt das Start-up auf die kontinuierliche Weiterentwicklung seiner Produkte und Technologien und starke Partnerschaften. Weitere Informationen unter <a href="http://www.fibrecoat.de" target="_blank">www.fibrecoat.de</a>

Fasern

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

Faserverbundwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Additive

Berechnen der Hildebrand-Löslichkeitsparameter für PVC-Additive

Die Verträglichkeit von Weichmachern in PVC bestimmen

Damit sich Weichmacher gut mit PVC zusammen verarbeiten lassen, kommt es auf ihre Verträglichkeit an. Bisher mussten Verarbeiter dabei häufig auf Erfahrungswerte zurückgreifen. Eine exaktere Methode ist hingegen die Bestimmung des Hildebrand-Löslichkeitsparameters. Entsprechende Berechnungen für verschiedene Weichmacher helfen bei der Umsetzung.

Bei der Verträglichkeit von Weichmachern für PVC kamen bisher vor allem Erfahrungswerte zum Einsatz. Exakter ist die Bestimmung des Hildebrand-Löslichkeitsparameters.

Weichmacher sind eine wichtige Gruppe von Additiven in verschiedenen Kunststoffen. Hauptsächlich werden sie in Polyvinylchlorid (PVC) eingesetzt. Phthalate waren und sind zum Teil noch immer wichtige Weichmacher für PVC [1]. Sie sind Ester der Phthalsäure mit Alkoholen. Die Anzahl der Kohlenstoffatome des Alkohols entscheidet nicht nur über ihre Verträglichkeit mit PVC und ihre Flüchtigkeit [1] (Bild 1), sondern auch, ob diese Ester sich eher als Lösungsmittel, Weichmacher oder Gleitmittel verhalten. Die Verträglichkeit des Weichmachers hängt, stark vereinfacht, von dessen Polarität bzw. von dessen Dipolmoment im Vergleich zu dem von PVC ab.

PVC ist ein eher polares Polymer. Die meisten Weichmacher sind ebenfalls polar. Jedoch nimmt deren Polarität mit der Anzahl der Kohlenstoffatome des Alkohols ab und diese kann lediglich qualitativ abgeschätzt werden. Der Hildebrand-Löslichkeitsparameter δ [2] liefert eine numerische Schätzung des Wechselwirkungsgrads zwischen Materialien. Er ist ein guter Hinweis auf die Verträglichkeit verschiedener Materialien, insbesondere für Polymere. Materialien mit ähnlichen Werten von δ sind wahrscheinlich mischbar. PVC hat einen δ von 19,7 MPa1/2 [3]. Dieser Wert variiert leicht, je nachdem welche Literatur man verwendet. Es finden sich auch Angaben mit 19,5 MPa1/2 [4], 19,6 MPa1/2 [5] und 19,8 MPa1/2 [6]. Für ein paar ausgewählte Weichmacher, aber leider nicht alle kommerziell verfügbaren, finden sich Angaben bezüglich des δ. Auch diese variieren in einem gewissen Rahmen. George Wypych hat in seinem „Handbook of Plasticizers“ [7] für viele Weichmachergruppen jeweils einen Bereich für δ beschrieben, aber leider keine konkreten Werte für einzelne Weichmacher.

Es wäre deshalb wünschenswert, δ für möglichst alle Weichmacher mit bekannter Struktur zu berechnen. Eric Grulke hat im „Polymer Handbook” [8] die theoretischen Voraussetzungen beschrieben. Er benannte darin unter anderem für verschiedene Molekülgruppen deren Beitrag zur kohäsiven Energiedichte (F) (nach van Krevelen) (Tabelle 1). Auf Basis dieser Werte und der Strukturformel wurde die Summe (ΣF) der kohäsiven Energiedichte F berechnet. Gemäß Gleichung 1 lassen sich daraus in Kombination mit dem Molekulargewicht M und der Dichte ρ die Hildebrand-Löslichkeitsparameter δ berechnen (Tabelle 2).

Leider konnte δ nicht für Sulfonsäureester und Phosphatweichmacher berechnet werden, weil der Beitrag zur kohäsiven Energiedichte nach van Krevelen für die schwefel- und die phosporhaltigen Molekülgruppen nicht verfügbar sind. In Tabelle 2 ist zumindest ein Bereich für δ angegeben [7]. δ lässt sich allerdings auch auf Basis der latenten Verdampfungsenthalpie ΔH berechnen [6]. Dafür kommt folgende Gleichung zum Einsatz:

Das ist jedoch nur bedingt hilfreich, da ΔH für die Weichmacher eher unbekannt sind. Allerdings kann ΔH aus dem Siedepunkt Bp (in K) gemäß der folgenden Gleichung recht genau abgeschätzt werden [6]:

In Bild 2 ist die Abhängigkeit von δ von der Anzahl der Kohlenstoffatome für die Phthalatweichmacher aufgetragen. Es wird deutlich, dass ein prinzipieller Zusammenhang besteht: Je länger der Alkohol ist, umso geringer wird δ. Ähnliche Tendenzen lassen sich auch bei anderen Weichmachern feststellen.

Der δ von PVC beträgt wie gesagt 19,7 MPa1/2. Alle Substanzen, die auf einen ähnlichen Wert kommen, also ungefähr 19,2 bis 20,2 MPa1/2, fungieren als Lösungsmittel. Das sind Dimethyl- und Benzylbutylphthalat sowie Dipropylenglycoldibenzoat und Tributylcitrat. Jahrzehntelange praktische Erfahrungen sprechen dafür, dass Phthalate mit 4 - 13 C-Atomen im Alkohol gut verträgliche Weichmacher sind. Daraus ergibt sich ein δ-Bereich von 17,89 bis 19,15 MPa1/2. In diesem Bereich liegen auch die δ-Werte der Trimellitate. Die der Adipate, Sebazate und Azelate liegen etwas darunter (17,19 bis 17,62). Die Verträglichkeit von diesen ist demnach etwas geringer. Das bestätigen unabhängige Quellen in der Literatur für die Adipate und Trimellitate und deren qualitativen Angaben zur Vertäglichkeit [1].

Die Benzoate liegen zum Teil ober- und zum Teil unterhalb des Phthalat-Bereichs. Ähnliches gilt auch für die Citrate, was ebenfalls durch die Literatur bestätigt wird [1]. Daneben existieren noch Weichmacher, die nicht in diesen Gruppen fallen. DOTP hat ein δ von 18,00 MPa1/2 und ist laut Literatur nicht so gut verträglich, wie das korrespondierende DEHP [1]. Das spiegelt sich auch in den δ-Werten in Tabelle 2 wider. Analoges trifft auch auf DiNCH und Grinsted Soft-n-safe zu [1]. Der δ von Pevalen ist denen von DiNCH und Grinsted Soft-n-safe sehr nahe. Deshalb kann von einer ähnlichen Kompatibilität ausgegangen werden.

Wie verträglich sind sekundäre Weichmacher?

Bisher waren die primären Weichmacher im Zentrum der Berechnungen. Eine weitere Gruppe sind die sekundären Weichmacher, die laut Erfahrungen nur eine bedingte Verträglichkeit mit PVC und primären Weichmachern besitzen. Dazu zählen epoxidierte Öle wie ESBO. Die Berechnungen zeigen, dass ESBO mit einem δ von 16,90 MPa1/2 tatsächlich nur eine bedingte Kompatibilität mit PVC aufweist. Gemäß den Berechnungen trifft das aber nicht auf epoxidiertes Leinöl und 2-Ethylhexyltallat zu. Demnach sollten sie sich eigentlich als primäre Weichmacher verhalten, was die Praxis auch bestätigt [10].

Chlorierte Paraffine sind eine weitere Gruppe von sekundären Weichmachern. Leider finden sich in der Literatur nur wenige Angaben bezüglich der Chlorgehalte und Dichten, die stimmig sind. Berechnet wurde deshalb nur ein Vertreter mit 70 % Chlor, der auf ein δ von 22,28 MPa1/2 kommt. Dieser Wert liegt weit oberhalb dessen von PVC. Ausgehend davon, dass die Differenz zwischen PVC und Polyethylen (PE) 3,70 MPa1/2 beträgt und PE nicht mit PVC mischbar ist, sind alle Substanzen mit einem δ von 23,30 MPa1/2 oder höher ebenfalls nicht mit PVC mischbar. Das erklärt, weshalb es sich bei diesem Weichmacher um einen sekundären handelt.

Für verschiedene PVC-Weichmacher wurden die Hildebrand-Löslichkeitsparameter berechnet. Die Ergebnisse stimmen gut mit den praktischen Erfahrungen und den Literaturberichten überein. Damit ist eine theoretische Hilfe auf wissenschaftlicher Basis geschaffen worden, die das Verständnis von Weichmachern bezüglich deren Verträglichkeit mit PVC erleichtert.

[1] M. Schiller; „PVC Additives“, C. Hanser Verlag, 2. Auflage (2023) 187–244

[2] D. W. Van Krevelen, K. Te Nijenhuis; „Properties of Polymers – Their Correlation with Chemical Structur – their Numerical Estimation and Prediction from Additive Group Contributions“, Elesevier B.V. (2009) 191–222 (<a href="https://books.google.at/books?hl=de&lr=&id=bzRKwjZeQ2kC&oi=fnd&pg=PP1&dq=GROUP" target="_blank">https://books.google.at/books?hl=de&lr=&id=bzRKwjZeQ2kC&oi=fnd&pg=PP1&dq=GROUP</a>+CONTRIBUTIONS+TO+COHESIVE+ENERGY+DENSITY+van+krevelen&ots=w_T6X3bzOe&sig=BP1m7c3Tx_7W_G4DdeZhVspoQ0c#v=onepage&q=GROUP%20CONTRIBUTIONS%20TO%20COHESIVE%20ENERGY%20DENSITY%20van%20krevelen&f=false; abgerufen am 09.052023)

[3] PVC eSolution, C. Hanser Verlag (2023); abgerufen am 09.05.2023

[4] H. J. Vandenburg, A. A. Clifford, K. D. Bartle, R. E. Carlson, J. Carroll, I. D. Newton; Analyst Ausgabe 11 (1999) 1707–1710

[5] <a href="https://polymerdatabase.com/polymer%20physics/delta%20Table.html" target="_blank">https://polymerdatabase.com/polymer%20physics/delta%20Table.html</a>; aufgerufen am 28.06.2023

[6] R. A. Lindner, K. Worschech; „Encyclopedia of PVC“, Marcel Dekker, 2. Auflage, Vol. 2, Kapitel 4 (1988) 263–390.

[7] G. Wypych; Handbook of Plasticizers“, ChemTec Publishing, William Andrew Publishing, Toronto-New York (2004)

[8] J. Brandrup, E. H. Immergut, E. A. Grulke; „Polymer Handbook“, J. Wiley & Sons, Inc., 4. Auflage (1999) VII/675–715

[9] M. Schiller, nicht veröffentlichte Ergebnisse berechnet aus Cyclohexan im Vergleich zu Benzen und Phenylen

[10] Peter Frenkel, Galata Chemicals, persönliche Mitteilung

Bild 1. Kompatibilität und Flüchtigkeit von Weichmachern in Abhängigkeit der Kettenlänge des Alkohols: Mit zunehmender Kettenlänge sinkt die Flüchtigkeit. Die Kompatibilität steigt hingegen zunächst, fällt danach aber wieder ab. 

Weichmacher sind eine der wichtigsten Additivgruppen für PVC. 

Bild 2. Abhängigkeit von δ von der Anzahl der Kohlenstoffatome des Alkohols: Mit zunehmender Anzahl sinkt der Löslichkeitsparameter. 

Quelle: Dr. Michael Schiller; Grafik: © Hanser

Tabelle 1. Molmasse von verschiedenen Molekülgruppen sowie deren Beitrag zur kohäsiven Energiedichte F.

Tabelle 2. Berechnete Hildebrand-Löslichkeitsparameter δ verschiedener Weichmacher sowie deren Molekulargewicht und Dichte

KU 9-23_HMS - Hauptartikel

Dr. Michael Schiller ist Gründer und Inhaber des Beratungsunternehmens HMS Concept; <a href="mailto:michael.schiller@hms-concept.net">michael.schiller@hms-concept.net</a>

Weichmacher

PVC-Additive

Werkstoffe für additive Verfahren

Polyvinylchlorid

Thermoplaste

Standardkunststoffe

Bisher galt das Laserschweißen von Polyphthalamid als unmöglich oder problematisch. Daher wird das Polymer hauptsächlich in Kombination mit anderen Schweißtechnologien wie dem Vibrations- und IR-Schweißen verwendet. Das soll sich künftig ändern. Der Kunststoffhersteller Envalior und LPKF Welding Equipment haben gemeinsam an Lösungen gearbeitet, die das Laserschweißen von Polyphthalamid ermöglichen. Auch für faserverstärkte und flammgeschützte Typen wurden Möglichkeiten gefunden.

Bisher gilt das Laserschweißen von PPA als problematisch. Das soll sich durch die Zusammenarbeit von Envalior und LPKF Welding Equipment nun ändern.

Kunststoffteile enthalten immer mehr Funktionen. Sensoren, CPUs und andere empfindliche Elektronik werden zu einem integralen Bestandteil des Designs dieser Bauteile. Das sorgt auch dafür, dass die Teile in den meisten Fällen versiegelt werden müssen, um das Eindringen von Staub und Feuchtigkeit zu vermeiden. Das Versiegeln der Teile schützt die integrierte Elektronik und reduziert äußere Einflüsse auf diese. Für die Umsetzung werden häufig Schweißtechniken eingesetzt.

Die höhere Empfindlichkeit der Teile erfordert jedoch mehr Vorsicht bei Nachbearbeitungsschritten. Bei diesen muss die Einwirkung von Hitze, Vibrationen und Staubpartikeln vermieden werden. Das Laserschweißen ist dafür am besten geeignet, da es die Wärme gezielt auf den Schweißbereich konzentriert und andere Bereiche unversehrt lässt. Das Verfahren bietet aber noch weitere Vorteile wie Partikel- und Staubfreiheit, kurze Zykluszeiten, Anpassungsfähigkeit, Skalierbarkeit und Präzision.

In der Regel werden beim Laserschweißen von Kunststoffen zwei Materialien benötigt: Eines, das für den Laser transparent ist, und eines, das das Laserlicht absorbiert (Bild 1). Es besteht deshalb die Möglichkeit, mischbare Kunststoffe mit sehr unterschiedlichen Schmelztemperaturen zu kombinieren. Beispielsweise kann Polyamid 6 (PA6) mit einer Schmelztemperatur von 220 °C mit PA46 mit einer Schmelztemperatur von 295 °C kombiniert werden. Das führt zu einer sehr guten Schweißnahtfestigkeit.

In den meisten Fällen werden zwei unterschiedlich farbige Materialien verwendet. In diesem Fall sollte am besten auf zwei farbige Materialien des gleichen Polymertyps zurückgegriffen werden. Teilweise kommen zwei ähnliche Farben zum Einsatz, von denen eine lasertransparent und die andere absorbierend ist. Bei schwarzen Farben wird etwa ein für den Laser transparentes Schwarz mit Teilen kombiniert, die zum Beispiel mit Standardruß gefärbt sind und somit das Laserlicht absorbieren.

Das Laserschweißen ist für PA bereits etabliert, bei Polyphthalamiden (PPA, teilaromatischen PA) wird es jedoch weniger häufig eingesetzt. Nicht alle PPA eignen sich für das Laserschweißen, was den Schweißprozess oft einschränkt. Es gibt aber einige gut laserschweißbare PPA. Das hängt mit der kristallinen Morphologie der Polymere zusammen (Bild 2). Sie sorgt für die für das Verfahren erforderliche, gute Durchlässigkeit für das Laserlicht.

Passende Kombinationen für das  Laserschweißen

Wie sich das Laserschweißen von PPA in der Praxis umsetzen lässt, das zeigt ein gemeinsames Projekt von Envalior (ein Joint Venture von DSM Engineering Materials und Lanxess Performance Materials) und LPKF Welding Equipment. Die beiden Unternehmen suchten dabei nach passenden Kombinationen von Laserschweißprozessen und PPA-Materialien. Selbst für Typen mit einem höheren Anteil an Verstärkungen, halogenfreiem Flammschutz und Laser-Direkt-Strukturierung (LDS) wurden funktionierende Lösungen gefunden.

Untersucht wurde die ForTii-Produktreihe von Envalior. Die Transmissionswerte der Materialien ermöglichen das Laserschweißen bei höheren Dicken. Als generelle Faustregel ergab sich bei den Untersuchungen, dass unter den richtigen Umgebungsbedingungen ein praktikabler großflächiger Laserschweißprozess möglich ist, wenn der Transmissionsgrad 10 % oder mehr beträgt.

Hochtemperatur-PPA für elektrische und elektronische Anwendungen

Bei den Analysen zeigte sich, dass die mit 30 % Glasfasern verstärkte JTX-Serie von Envaliors ForTii-Reihe sehr gute Transmissionswerte bei 980 nm aufweist (Bild 3). Diese Typen können für Anwendungen in der Elektronik und Elektrotechnik (E&E) verwendet werden, die Reflow-Löten erfordern. Sie wurden für Hochleistungsanwendungen in der Automobil- und Elektroindustrie wie Steckverbinder entwickelt und können auch für Elektronikgehäuse verwendet werden. Die Materialien überstehen bleifreie Reflow-Prozesse im industriellen Maßstab, wobei ACE JTX8 sogar die Spezifikationen JEDEC 1 erreicht.

ACE JTX8 gehört mit einem Schmelzpunkt von 340 °C und einer Glasübergangstemperatur von 150 °C zu den höchstschmelzenden PPA überhaupt. Es zeigt dennoch unter den richtigen Bedingungen ein sehr gutes Laserschweißverhalten mit einer Schweißnahtfestigkeit von 25 - 30 MPa. Dieses Ergebnis konnte in den Versuchen mit einem breiten Verarbeitungsfenster und ohne erkennbaren negativen Einfluss auf den Schweißbereich erzielt werden.

Für das Laserschweißen von stark mit Glasfasern verstärkten PPA hat sich die ForTii-MX-Serie bewährt. Die Lichtdurchlässigkeit von hochgefüllten Typen ist ausreichend. Es lassen sich durchschnittliche Schweißnahtfestigkeiten von bis zu 30 MPa erzielen. Untersucht wurde das an einem T-Stück mit einer transparenten Abdeckung. Ein höherer Glasfasergehalt schränkt die Dicke der transparenten Abdeckung ein. Dennoch konnten mit dem richtigen Prozess und den passenden Schweißeinstellungen ähnliche Schweißnahtfestigkeiten für alle getesteten Glasfasergehalte, sogar bei Anteilen bis zu 50 % Glasfasern, erreicht werden (Bild 4). Das erweitert die Anwendungsmöglichkeiten des Laserschweißens deutlich.

Schweißen von halogenfreien,  flammhemmenden PPA

Auch ForTii-Materialien wie F11, das zu 30 % mit Glasfasern gefüllt und halogenfrei flammgeschützt ist (UL94-Flammschutzklasse V-0), lassen sich laserschweißen. Verständlicherweise ist das Verarbeitungsfenster beim Laserschweißen von flammgeschützten Werkstoffen etwas enger. Dennoch lässt sich damit mit akzeptablen Schweißzeiten eine ausreichend hohe Schweißnahtfestigkeit von 16 - 17 MPa ohne erkennbare Oberflächenfehler erreichen.

Die Beobachtungen deuten darauf hin, dass das Schweißen von bis zu 1,5 mm dicken Abdeckungen möglich sein sollte. Neben F11 wurden auch Experimente mit ForTii T11 durchgeführt, einem ebenfalls zu 30 % glasfaserverstärkten, halogenfrei flammhemmenden PPA (erreicht UL94 V-0). Der Kunststoff wurde für FR-Anwendungen in der Automobilindustrie entwickelt. Machbarkeitstests mit dem PPA bei einer Radargehäuseanwendung zeigten Ergebnisse wie bei ForTii F11. Die Materialien F11 und T11 sind beide bleifrei reflow-lötbar. Die Kombination von flammgeschütztem ForTii und Laserschweißen eröffnet neue Möglichkeiten, etwa eine flexiblere Produktion, wie sie für modulare Steckverbinder, Elektronik- und Wechselrichtergehäuse, Mikroaktuatoren und Anschlussdosen erforderlich ist.

Laserschweißen ist auch möglich, wenn eine LDS-Type als absorbierendes Teil verwendet wird (Titelbild). Dafür kann jede ForTii-Sorte, wie JTX2 und MX2, in natürlichen oder anderen lasertransparenten Farben mit ausreichender Transmission verwendet werden. Das eröffnet noch mehr Möglichkeiten, weitere Funktionalitäten wie 3D-Leiterbahnstrukturen, Antennen, Schalter, Anschlüsse und Sensoren in ein Bauteil zu integrieren. Dieses kann danach versiegelt und mittels Laserschweißen montiert werden. Außerdem ergeben sich weitere Möglichkeiten für die Miniaturisierung des Bauteildesigns, die Gewichtsreduzierung, niedrigere Einstiegskosten, Skalierbarkeit, hohe Druckbeständigkeit und den vakuumdichten Schutz empfindlicher Elemente. ForTii LDS85B hat sich etwa in Anwendungen bewährt, die eine feine Auflösung der elektrischen Leiterbahnen erfordern. Zukünftig werden sogar 3D-Schweißnähte möglich sein.

Obwohl das Laserschweißen von PPA als problematisch gilt, lassen sich mit den Erkenntnissen von Envalior und LPFK entsprechende Bauteile umsetzen. Damit ist es möglich, eine Vielzahl an Anwendungen mit PPA in Kombination mit hoher Laserschweißgüte zu realisieren. Möglich wird das durch die passende Kombination von Materialien mit der richtigen Schweißausrüstung. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass sich Laserschweißen bei allen ForTii-Werkstoffen anwenden lässt.

Bild 1. Beim Laserschweißen sind ein für den Laser transparentes und ein absorbierendes Material notwendig.

Bild 2. Kristallmorphologie des PPA ForTii im Vergleich zur üblichen Kristallmorphologie von PPA (aufgenommen mit einem Transmissionselektronenmikroskop): Im Gegensatz zu vielen anderen PPA lässt sich ForTii aufgrund seiner Morphologie gut laserschweißen.

Bild 3. Transmissionsgrad von ForTii PPA bei 980 nm gemessen mit einem Transmissionsmessgerät TMG3 von LPKF: Mit der passenden Schweißausrüstung und dem richtigen Verfahren lassen sich ab einem Transmissionsgrad von 10 % gute Ergebnisse erzielen.

Bild 4. Schweißzeiten und Schweißkräfte für ein lasergeschweißtes T-Stück aus ForTii mit drei verschiedenen Glasfasergehalten: Die Schweißnahtfestigkeit ist bei allen Glasfasergehalten ausreichend.

Auch LDS-Typen lassen sich laserschweißen. Das eröffnet zusätzliche Möglichkeiten für die Funktionsintegration in PPA-Bauteile.

KU 9-23_Envalior - Hauptartikel

Frank van der Burgt ist Senior Expert in Secondary Operations bei Envalior.

Anna Kolossowski arbeitet in der Entwicklung bei LPKF.

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Mit Recycling-PA CO2-Emissionen bei Bürostühlen einsparen

Der Möbelhersteller Orangebox wollte deutliche CO2-Einsparungen bei seinen Bürostühlen erzielen. Zusammen mit dem Compoundeur Mocom ist das nun gelungen. Entscheidend dafür war ein Rezyklatanteil von über 50 % bei dem verwendeten Material.

Orangebox wollte CO2 bei seinen Stühlen einsparen. Zusammen mit Mocom konnte das bei einer Stuhlreihe mit einem Rezyklatanteil von über 50 % erreicht werden.

Der Compoundeur Mocom und der britische Möbelhersteller Orangebox haben gemeinsam eine Bürostuhlreihe mit reduziertem CO2-Fußabdruck entwickelt. Die Serie firmiert unter dem Namen „Do better“ und beruht auf der „Do“-Stuhl-Serie von Orangebox. Durch die Weiterentwicklung sollen die Stühle auf eine der geringsten Umweltauswirkungen aller vergleichbaren Produkte kommen. Erreicht wird das durch die Verwendung eines hohen Anteils an Kunststoffrezyklaten. Insgesamt konnten damit 500 t an CO2-Emissionen eingespart werden.

Im Rahmen des Designprozesses haben die beiden Unternehmen die Umweltauswirkungen des Stuhls anhand einer Lebenszyklusanalyse bewertet. Dabei wurde das globale Erwärmungspotenzial (GWP) als Hauptindikator zur Messung der Auswirkungen verschiedener Materialien ausgewählt. Betrachtet wurde dabei der Cradle-to-Factory-Gate-Rahmen. Das GWP ist eine gängige Kennzahl zum Vergleich der Umweltauswirkungen verschiedener Materialien. Sie gibt die äquivalente Masse an produziertem CO2 pro Kilogramm des Produkts an. Am Ende entschied man sich bei Orangebox für das Material Altech Eco von Mocom.

Hälfte des verwendeten Kunststoffs ist Recyclingmaterial

Für dieses verwendet der Compoundeur recyceltes Polyamid 6 (PA6) als Rohstoff. „Unsere recycelte PA6-Faser ist ein Produkt, das während der Produktion eine sehr hohe Viskosität erfordert. Es handelt sich um einen sehr sauberen Rohstoff, der keine Verunreinigungen aufweist, die Kompromisse bei den mechanischen Eigenschaften erforderlich machen“, erklärt Joachim Bernhard, Senior Director Global Marketing E&E und General Industries bei Mocom. Die Stühle der Reihe enthalten durchschnittlich 3,5 kg Kunststoff. Über die Hälfte davon besteht aus recycelten Kunststoffabfällen.

Durch die Zusammenarbeit konnten die ursprünglichen Ziele von Orangebox zur CO2-Reduktion sogar übertroffen werden. „Unser Fokus liegt in den kommenden zehn Jahren auf der umfassenden Dekarbonisierung unseres Produktportfolios. Die Fortschritte bei der Festigkeit und Konsistenz von recycelten Polymeren von Mocom bedeuten, dass sie nun dieselbe Qualität und Leistung wie die Virgin-Materialien bieten, die wir zuvor verwendet haben, jedoch mit einem Bruchteil des CO2-Fußabdrucks“, berichtet Gareth Banks, Leiter Nachhaltigkeit bei Orangebox. Die Zusammenarbeit zeigt, dass Design, Komfort und nachhaltige Materialien in einem Produkt vereint werden können.

Die Stühle der Reihe enthalten 3,5 kg an Kunststoff. Über die Hälfte davon ist Recyclingmaterial.

KU 9-23_Mocom - Hauptartikel

Weitere Informationen unter <a href="http://www.mocom.eu" target="_blank">www.mocom.eu</a>

Compound

Kunststoffe, zumal unterschiedlicher Art, gut miteinander zu verbinden, ist keine leichte Aufgabe. Welche Methoden für welche Anwendungen geeignet sind, ist auf der Fakuma zu sehen.

Eine probate Lösung, Teile miteinander zu verbinden, ist die gute alte Schraube. Damit das Prinzip den strapaziösen Gegebenheiten im Straßenverkehr genügt - und hier auch noch die Erfordernisse der Elektromobilität erfüllt, ist vom Schraubenhersteller Know-how gefragt. Ejot bietet inzwischen ein breites Produkt-Portfolio für Anwendungen in der Elektromobilität. Auch auf die Frage, wie die Schrauben in engen Bauräumen an ihren Platz kommen, hat der Hersteller Antworten gefunden.

Das Laserschweißen ist ein weiteres Verfahren, mit dem sich Kunststoffe dauerhaft und sicher verbinden lassen. Je nach Anforderung sind auf der Fakuma mobile Tischgeräte (Evosys), flexibel einsetzbare Geräte für wahlweise große oder kleine Bauteile (Alpha Laser) und große Anlagen mit hoher Leistung, die mehrere Bauteile in einem Zyklus schweißen können (LPKF) zu sehen.

Als besonders umweltfreundlich stellt Rico seine elektrisch betriebenen Ultraschallschweißgeräte vor. Sie verbrauchen weniger Energie als thermische Schweißverfahren und benötigen keine Lösungsmittel oder andere Zusätze, die zum Beispiel später das Recycling der Materialien behindern würden. Die Technologie eignet sich auch für die Bearbeitung von biobasierten und recycelten Kunststoffen.

Verbindungstechnik_Fakuma2023.pdf

Electrical Motion-Serie – elektrisch betriebene Ultraschallschweißmaschinen.

Nachhaltige Tragetaschen aus Maisstärke mit Ultraschall geschweißt.

Gewürzstreuer aus biobasiertem Kunststoff. Die Bauteile wurden im Ultraschallschweißverfahren gefügt.

Messeprodukte_Verbindungstechnik_Fakuma2023

Hier können Sie unseren <a href="https://res.cloudinary.com/sternwald-systems/raw/upload/v1/hugoprd/ARTIKEL_ATTACH/00695D02_265DC86EDEDF/357af9af74a14294498e0a8d69aba36a2e3db96d/Verbindungstechnik_Fakuma2023.pdf">Fakuma-Vorbericht „Verbindungstechnik“</a> als PDF herunter laden.

Weitere Artikel zum Thema Fügen und Verbinden finden Sie im <a href="http://www.kunststoffe.de/fakuma" target="_blank">Fakuma-Special</a>.

Verbindungstechnik

Schweißmaschinen, Ultraschall

Ultraschallschweißen

Egal, ob Endkontrolle oder Inline-Inspektion – Mess- und Prüftechnik spielt für die Sicherung von Qualitätsstandards eine entscheidende Rolle. Wir stellen Ihnen die Lösungsangebote einiger Aussteller vor.

Werth Messtechnik zeigt die Koordinatenmesssysteme der TomoScope-Serie, die eine zerstörungsfreie Messung von Innen- und Außengeometrien mittels Computertomografie ermöglichen.

Vision Engineering präsentiert die dritte Generation der Stereomikroskop-Familie Mantis. Die Serie kombiniert optische Stereobilder mit hochauflösenden Kameraoptionen für die intuitive Inspektion und Bildaufnahme.

Göttfert hat sein Schmelzindex-Prüfgerät mi40 mit einer Viskositätsfunktion ausgestattet. Der starke Motor sorgt dafür, dass Messungen in realistischen Scherbereichen durchgeführt werden können.