Styrol kann auf verschiedene Arten polymerisiert und mit unterschiedlichen Comonomeren modifiziert werden. Die dadurch entstehenden Kunststoffe unterscheiden sich in ihren Eigenschaften und lassen sich somit gezielt auf bestimmte Anwendungen zuschneiden. Aufgrund ihrer vielfältigen Eigenschaften sind sie für viele Branchen geeignet. Besonders in der Automobilindustrie, der Medizintechnik und der Verpackungsbranche sind Styrolkunststoffe gefragt.

Im Exterieur von Fahrzeugen kommen häufig Styrol-Copolymere zum Einsatz. Der chinesische Hersteller Lixiang verwendet etwa ein ASA für den Kühlergrill seiner Elektrofahrzeuge 

Styrol-Copolymerisate: Durch ansprechende Optik und mögliche Transparenz punkten

Verpackungsmaterial

Logistik

Automotive

Elektronik

Polystyrol

Kunststoff Werkstoffe

Thermoplaste

Technische Kunststoffe

Styrol-Copolymerisate

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Medizintechnik

Medizinprodukte

Vielfältig in Form und Anwendung

Leichtbau, Funktionalität und Design prägen die Materialentwicklung in den Einsatzgebieten von Polycarbonat-Compounds, -Composites und -Folien. Große Chancen bestehen in der Mobilität der Zukunft, im Strukturleichtbau mit endlosfaserverstärkten Composites, in der 5G-Technologie und der Medizintechnik.

Bei Elektrofahrzeugen entfällt die ursprüngliche Funktion des Kühlergrills, die Luftzufuhr zum Motor. Er kann deshalb vollständig als Designelement genutzt werden, etwa durch die Integration von leuchtenden Logos und Fade-out-Effekten

Polycarbonat (PC): Aufregende Designs durch hohe Oberflächenqualität und neue Verfahren

Recycling

Umweltmanagement

Kunststoff-Recycling

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Kunststoff-Aufbereitung

Polycarbonat

Werkstoff für viele Trends

PET-Flaschen können zu neuen Lebensmittelverpackungen rezykliert werden. Rückholsysteme und Recyclingverfahren sind seit Langem großtechnisch etabliert. Dennoch steht PET in der Kritik.

 Aus Preforms blasgeformte Flaschen gehören zu den Produkten, die sich aus PET-Rezyklat fertigen lassen. Etwa zwei Drittel des PET-Rezyklats wird zu Folien, Sekundärverpackungen wie Umreifungen oder Trägern sowie zu Fasern, besser bekannt als Fleece, verarbeitet

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Polyethylenterephthalat (PET)

Messe K-Kunststoffmesse

kunststoffe.de

Polyethylenterephthalat

Paradewerkstoff der Kreislaufwirtschaft

Das Automobil der Zukunft soll möglichst wenig CO2 freisetzen, effizient und automatisiert fahren und von möglichst vielen Menschen genutzt werden können. Das stellt an Kunststoffe und deren Verarbeitungsverfahren unterschiedliche Anforderungen. Sie reichen vom Leichtbau für Karosserie und Antriebsstrang über einen angenehmen Innenraum bis hin zu Beleuchtung oder Sensorik.

Der neue vollelektrische Audi e-tron besitzt einen fast komplett verschlossenen Unterboden aus leichtem LWRT-Werkstoff (Low Weight Reinforced Thermoplastics), der dadurch den elektrischen Verbrauch reduziert

E-Mobilität, autonomes Fahren, Carsharing und die Folgen für die Kunststoffbranche

Polybutylenterephthalat

Glasfasern / -matten

Verstärkungsstoffe

Leichtbau

Polyamide

Faserverbundwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Hochleistungskunststoffe

Alles auf Elektro?

Die Covid-19-Pandemie hat auch die Kunststofferzeuger hart getroffen. Doch nicht alle Kunststoffe sind gleichermaßen betroffen. Während die häufig in der Automobilindustrie verwendeten technischen Kunststoffe unter dem Einbruch des Fahrzeugabsatzes leiden, profitieren etwa Polyolefine teilweise von der Krise. Und auch wenn die Pandemie gerade alle anderen Themen in den Hintergrund rückt, schreitet dennoch die Entwicklung etwa bei der Kreislaufwirtschaft, Elektromobilität und Digitalisierung weiterhin voran. Über die gegenwärtige Situation und die zukünftige Entwicklung sprach Kunststoffe mit Vertretern der Kunststofferzeuger.

Ein Austausch in Pandemiezeiten: Coronabedingt fand das Kunststoffe-Expertengespräch rein digital statt. Dr. Matthias Scheibitz (oben links), Jürgen Luderer (oben rechts), Dr. Ingo Sartorius (unten links), und Dr. Karlheinz Hausmann (unten rechts) diskutierten dabei über die aktuelle Situation und die zukünftigen Trends bei Kunststoffen

Expertengespräch zu Trends und Herausforderungen bei Werkstoffen

Polyethylen

Streifinger, Florian

Polyvinylchlorid

Standardkunststoffe

Kunststoff-Rezyklat

„Wir teilen den Optimismus von  Wirtschaftsminister Altmaier nicht“

Polyethylenterephthalat (PET) ist mit etwa 6 % Anteil an der Gesamtmenge der produzierten Kunststoffe einer der bedeutendsten Thermoplaste. Hauptanwendung von PET ist die Herstellung blasgeformter Flaschen.

Im Bereich Getränkeverpackungen ist Polyethylenterephthalat sehr weit verbreitet

In den entwickelten Ländern kann der Anteil an PET-Flaschen weiter bei Barriereverpackungen für Bier, Wein, Säfte und Milchprodukte wachsen. Auch bei Biopolymeren ergaben sich interessante Entwicklungen.

Weltweite Produktion an PET-Verpackungen im Jahr 2012 (gesamt: 14,7 Mio. t)

Marktentwicklung Polyethylenterephthalat (PET)

Trotz alternativer Mobilitätskonzepte, ist der Wunsch nach einem eigenen Fahrzeug nach wie vor groß. Da hochwertige und nachhaltige Materialien die Kaufentscheidung des Endkunden beeinflussen, kommen im Innenraum von Fahrzeugen neuentwickelte Polymere zum Einsatz.

Auch mit glasfaserverstärkten Kunststoffen lassen sich optisch ansprechende Oberflächen gestalten. Das zeigt beispielsweise das PP SoForm 

Der Wunsch nach ansprechenden Oberflächen und einer höheren Nachhaltigkeit treibt die Materialentwicklungen im Fahrzeuginterieur voran

Polypropylen

Fahrzeugbau

Kunststofffasern

Erfolgsfaktor Optik

BASF, Bobst, Evertis und Sulayr wollen neues Recyclingkonzept PET/PE-Mehrschichtfolien entwickeln.

Best-Practice-Beispiel eines geschlossenen Recycling-Kreislaufs für PET-basierte Mehrschichtverpackungen.

Verpackungsmittel aus Kunststoffen

Kunststoffverarbeitung

Kunststoffe

Photonik

Optik

Kreislaufwirtschaft

Kreislauf für PET-basierte Mehrschichtverpackungen

Polymaker bietet künftig das 3D-Druck-Filament Polymaker PC-r aus recyceltem Polycarbonat (PC) an. Das PC für die Filamente stammt von dem Werkstoffhersteller Covestro und besteht aus einer Kombination von wiederaufbereiteten Kunststoffabfällen und Neuware.

Durch die Kombination von Rezyklaten und Neuware sinkt der CO2 -Fußabdruck des PC und es lässt sich trotzdem zu Filamenten extrudieren

Filamente für additive Verfahren

Werkstoffe für additive Verfahren

Additive Fertigung

Aus Wasserflaschen  werden Filamente

Die Umsetzung von Serienanwendungen im Lasersintern wird gegenwärtig noch durch eine unzureichende Materialvielfalt gehemmt. Viele wichtige Konstruktionswerkstoffe aus der traditionellen Kunststoffverarbeitung waren für das Verfahren bisher nur eingeschränkt verfügbar. PA 66 und PBT erweitern das Einsatzgebiet des Lasersinterns erheblich und zeigen in vielen Fällen bessere Eigenschaften als klassische PA-11- und PA-12-Materialien.

Als temperaturbeständiger und flammwidriger Werkstoff mit hohen mechanischen Kennwerten eröffnet PA 66 neue Applikationsmöglichkeiten für das Lasersintern, wie beispielsweise die Anwendung als Sensorhalterung 

Lasersintern mit PA 66 und PBT

Selektives Lasersintern von Kunststoff, Metall, Keramik

Verfahren für die additive Fertigung

Pulverbettverfahren

Vom Spritzgießen in den 3D-Druck

Mit umfangreichen und spezifischen Modifikationen der Eigenschaften können Kunststoffe klassischen Metallbauteilen immer mehr Anwendungen abluchsen.

Bild 1. Grivory G5V weist im Vergleich zum bereits bekannten Grivory GV zwischen 60 °C und 100 °C deutlich bessere mechanische Eigenschaften auf

Quelle: Ems-Chemie, © Tabelle: Kunststoffe

Zwei neue Polyamid-Typen sollen technische Bauteile wirtschaftlicher machen

Fortschrittlicher Metallersatz

Der POM-Markt wächst robust um ungefähr 4,5 % jährlich. Hauptabnehmer sind die Automobil- und die E&E-Industrie. Entwicklungsschwerpunkte sind emissionsarme, reibungsreduzierte, mit Metalldetektoren nachweisbare und sehr schlagzähe Typen.

Förderketten und -bänder aus einem kundenspezifisch entwickelten, reibungs- und verschleißarmen POM-Homopolymer von DuPont ermöglichen eine hohe Produktivität bei gleichzeitiger Ressourcenschonung durch die Einsparung von Wasser und Energie

Polyoxymethylen (POM)

Polyoxymethylen

Entwicklung mit hohen Anforderungen

Die sehr guten ästhetischen und mechanischen Eigenschaften von Styrol-Polymerisaten werden durch unterschiedliche Blendpartner umfangreich erweitert. Neuentwicklungen gibt es hinsichtlich witterungsbeständiger Typen, Laserstrukturierung und Faserverstärkung.

Der Kühlergrill des Peugeot 208 wird im Heißprägeverfahren aus dem Acrylnitril-Styrol-Acrylester (ASA) Luran S 778 T gefertigt. Das Material ist vorgefärbt unlackiert und für langlebige Außenanwendungen geeignet

Gehäuse aus Kunststoff

Elektromechanik

Kühlkörper

Polystyrol-Platten

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

Hohe Flexibilität durch Blendpartner

Auch bei ABS treibt die Nachfrage aus China das Wachstum an. Insbesondere der Markt für Haushaltsgeräte und Elektro- und Elektronikartikel könnte dafür verantwortlich sein. Neuentwicklungen sind unter anderem glasfasergefüllte Typen und effizientere Weißeinfärbungen.

Ein indischer Zweiradhersteller setzt für die Verkleidungsbauteile einer neuen Motorrollerserie ABS-Typen ein, die sich besonders gut lackieren lassen

Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)

Polyacrylate

Polyacrylnitril

Gute Eigenschaften, wertige Oberfläche

Die Passformen für Orthesen werden in der Regel gefräst. Das ist weder für den Patienten noch für den Hersteller optimal. Im Rahmen einer Fallstudie untersuchte Lehmann & Voss daher, ob der 3D-Druck eine Alternative darstellt – sowohl aus ökologischer als auch ökonomischer Sicht.

Orthopädische Hilfsmittel wie Orthesen (Bild 1) sind stets patientenbezogen und müssen daher individuell gefertigt werden. Es gilt, die jeweils optimale Passform zu erzeugen, welche die besonderen ergonomischen Anforderungen erfüllt. Bei der Modellierung der 3D-gescannten Strukturen des Patienten fließt daher auch das Know-how des Orthopädietechnikers beziehungsweise des spezialisierten Biomechanikers ein, um ein oberflächenoptimiertes Modell zu erzeugen. Das Ganze verfolgt letztlich ein Ziel: die Erstellung kosten- und handhabungsoptimierter Laminiernormale (Laminierformen oder Laminierwerkzeuge), zur Fertigung hochentwickelter Orthesen aus CFK-Laminaten (carbonfaserverstärkter Kunststoff).

Ein Verfahren zur Herstellung solcher Werkzeuge ist das Fräsen aus Halbzeugen, in der Regel Blockware aus Werkzeugbauschäumen (Bild 2). Das Verfahren ist in der Praxis etabliert und seit vielen Jahren bewährt. Es hat aber auch einige Nachteile, die sich ökonomisch sowie ökologisch bemerkbar machen. So bestehen die Werkzeugbauschäume meist aus duroplastischem Polyurethan (PUR). Dessen Zerspanung ist zwar unkritisch, allerdings entstehen dabei große Mengen feiner Stäube. Sie führen zu erheblichem Reinigungsaufwand in Räumlichkeiten und Filteranlagen. Die leichten Stäube führen unter Umständen, beispielsweise durch Verschleppung in die CFK-Prepregverarbeitung, zu Qualitätseinbußen durch Fremdmaterialeinschluss an den laminierten Bauteilen.

Hinzu kommt: Die zu zerspanenden Formblöcke müssen zur Vorbereitung des Fräsprozesses zugeschnitten werden. Dabei entsteht, neben weiteren Staubanteilen, auch Blockabschnitt. Beim Staub, bei den Blockabschnitten sowie letzten Endes bei der zu entsorgenden Laminierform handelt es sich um Sonderabfälle. Das bedeutet, der Hersteller muss sie (nach Ablauf der gesetzlich vorgeschriebenen Verwahrzeit) der getrennten und teuren Reststoffentsorgung zuführen.

Der 3D-Druck mittels Filament eröffnet die Möglichkeit, die Prozess- und Fertigungskette deutlich zu entzerren. Durch das generative Verfahren entstehen im Prinzip keine Produktionsabfälle- und Reststoffanteile. Denn der Materialeinsatz beschränkt sich ausschließlich auf das zu fertigende Werkzeug. Kontaminationen der Umgebung sind ebenfalls nahezu ausgeschlossen. Zusatzkosten infolge Qualitätsminderung oder aber durch aufwendige Reinigung der Arbeitsumgebung entfallen.

Was sich in der Theorie gut anhört, muss in der Praxis ebenfalls überzeugen. Das sahen auch der Materialhersteller Lehmann & Voss und der Orthesen-Hersteller Adviva so. Für eine gemeinsame Fallstudie untersuchten sie den Herstellungsprozess der Passform mittels 3D-Druck. Als Werkstoff wurde Luvocom 3F PET CF 9780 BK (Bild 3), ein kohlefaserverstärktes Filament auf Basis von Polyethylenterephthalat (PET), ausgewählt. Der Werkstoff zeichnet sich durch hohe Festigkeit und Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit aus.

Die Festigkeit und auch die Oberflächenhärte des Formwerkzeugs aus diesem Material bedingen einen weiteren Vorteil: Das Bauteil ist handhabungsfreundlich, da unempfindlich gegenüber Beschädigungen. Dies begünstigt einen ungestörten Laminierprozess, wirkt sich aber auch positiv auf den Transport und die Lagerung des Artikels aus. Verfahrensbedingte Anforderungen wie die erforderliche Wärmeformbeständigkeit und Feuchtefreiheit für den Aushärteprozess im Ofen-Vakuumverfahren erfüllen die gedruckten Laminierformen uneingeschränkt.

Da bereits in der Konstruktion des Modells auf minimalen Materialeinsatz geachtet wird – unterstützt durch die hohen Festigkeiten des gewählten 3D-Druckmaterials – kann mit geringem Infill (Stützstruktur im Bauteil) gearbeitet werden. Dadurch fällt ein noch geringeres Materialvolumen als Reststoff an. Da es sich bei dem PET-Filament um einen thermoplastischen Kunststoff handelt, kann dieser getrennt gesammelt und dem Recycling zugeführt werden. Nachdem die Bauteile vermahlen sind, lassen sich aus ihnen, beispielsweise über das Spritzgießen, neue technische Teile herstellen. Etabliert sich das Verfahren, kann in dieser Anwendung ein sortenreiner Materialrücklauf organisiert werden und dem Recycling steht nichts im Weg.

Neben dem Werkstoff stand für die Fallstudie auch die Bauteilmechanik im Fokus. Um die Leistung im Betrieb zu überprüfen und die Druckeinstellungen für die Form zu optimieren, kam SmartSlice für Ultimaker Cura, ein von Teton Simulation entwickeltes Software-Plugin, zum Einsatz. SmartSlice verwendet experimentelle Materialdaten, um die strukturelle Leistung von gedruckten FFF-Teilen (Fused Filament Fabrication) zu analysieren, und berücksichtigt Variablen wie Ausrichtung des Teilebaus, Materialanisotropie, Belastung und Einschränkungen sowie Druckeinstellungen wie Fülldichte, Füllmuster und Schalendicke. Hauptzweck des Plugins ist es, sicherzustellen, dass das gedruckte Teil die Leistungsanforderungen erfüllt und gleichzeitig Druckzeit und Materialverbrauch minimiert werden.

Der SmartSlice-Workflow begann mit der Auswahl des Werkstoffs (Luvocom 3F PET CF 9780 BK) aus der Materialdatenbank und der Definition der Leistungsanforderungen und Anwendungsfälle. Da die gefrästen Schaumformen empfindlich gegenüber Oberflächenbeschädigungen sind, besteht eine wichtige Anforderung an das gedruckte Teil darin, dass es während der Handhabung unversehrt bleibt. Um dies zu gewährleisten, wurde ein Sicherheitsfaktor von 3,5 definiert. Das Teil muss also dem 3,5-fachen der angenommenen Belastung standhalten, bevor es sich dauerhaft verformt oder nachgibt. In Bezug auf Lasten und Einschränkungen wurde im Simulationsprozess die Oberfläche, an welcher das Einspannhilfsmittel befestigt ist, fixiert und es wurden drei verschiedene Lasten auf den Oberflächen der Form angebracht.

Als nächstes wurde untersucht, welche Build-Orientierung die beste Leistung bei Verwendung der geringsten Materialmenge bietet. In dieser Phase wurde das Standarddruckprofil für CF 9780 verwendet. Wie in Bild 4 gezeigt, wurden drei Bauausrichtungen berücksichtigt: Seite, Rücken und aufrecht. SmartSlice berechnete einen Mindestsicherheitsfaktor von mehr als 3,5 für jede Build-Ausrichtung. Dies heißt, dass alle Teile die Festigkeitsanforderungen überschreiten. Das wiederum bedeutet, dass die Teile überdimensioniert sind.

Endergebnis für diese Phase: Die aufrechte Ausrichtung eignet sich am besten, da sie nur wenig Druckzeit und Material benötigt. Daher wurde auch nur sie weiter untersucht, um nochmals Zeit und Kunststoff einzusparen. Insbesondere wurde eine Validierung mit zwei Wänden und 20 % Füllungsdichte (Infill), den empfohlenen Mindestwerten für diese zwei Parameter, durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass zwei der drei Simulationen einen Mindestsicherheitsfaktor von weniger als 3,5 aufwiesen. Regionen, in denen der Sicherheitsfaktor niedrig war, wurden in SmartSlice aufgezeichnet (Bild 5a). Es stellte sich außerdem heraus, dass der Bereich nahe dem Ende des Einspannstabs das Potenzial hatte, nachzugeben, weshalb dort ein Modifikatornetz (Bild 5b) eingefügt wurde, um Material hinzuzufügen und das Teil lokal zu verstärken. Wie in den Bildern 5c und 5d gezeigt, wird das Teil nur in den Schichten, die sich innerhalb des Modifikatornetzes befinden, voll gedruckt (100 % Infill). Außerhalb des Modifikatornetzes beträgt die Füllungsdichte 20 %. Nach einer weiteren Validierungsrunde erfüllte das Teil schließlich die Festigkeitsanforderungen und verwendete eine minimale Menge an Material und Druckzeit.

Insgesamt wurde das Teil etwa eine Stunde in SmartSlice validiert und hinsichtlich Druckzeit und Materialverbrauch optimiert. Im Vergleich zum Standarddruckprofil und dem Wissen, dass Adviva etwa 100 Formen pro Monat druckt, spart das Unternehmen unterm Strich 50 Tage Druckzeit und 13,2 kg Material pro Jahr. Eine eingesparte Druckzeit von 50 Tagen entspricht einer Steigerung des Maschinendurchsatzes um 70 zusätzliche Formen pro Jahr.

Lehmann & Voss & Co.  

https://www.lehvoss.de

Ausgabenartikel KU06-22

Bild 1. Die „PowerSpring“-Spiralorthese unterstützt die natürliche Bewegung und trägt dazu bei, dass der Patient die selbst gesteckten Ziele schneller und besser erreicht.

Bild 2. Im Lager für duroplastische Werkzeugbauschäume

Bild 3. Das Filament Luvocom 3F PET CF 9780 eignet sich für leichte, aber gleichzeitig belastbare Bauteile.

Bild 4. Form in drei verschiedenen Bau-Ausrichtungen mit Ergebnissen aus jeder SmartSlice-Validierungsstudie

Bild 5. (a) Bereiche (rot), in denen der berechnete Sicherheitsfaktor geringer als die Anforderung von 3,5 ist, (b) Modifikatornetz, (c) Schnittansicht, die die Schicht im Modifikatornetz zeigt, und (d) Schnittansicht, die die Schicht außerhalb des Modifikatornetzes zeigt.

3D-gedruckte Laminiernormale zur Fertigung von CFK-Orthesen

Lehvoss - D-gedruckte Formen für Prothesen - KU 2022-06

Dipl.-Ing. Eric Folz ist Market Development Manager im Geschäftsbereich Customized Polymer Materials bei der Lehmann & Voss & Co. KG. Steffan Rensinghoff ist Abteilungsleitung CAD/CAM bei der Adviva GmbH.

Die Lehvoss Gruppe unter der Führung von Lehmann & Voss ist eine Unternehmensgruppe, die chemische und mineralische Spezialitäten für diverse Abnehmerindustrien entwickelt, produziert und vermarktet. Das Unternehmen wurde 1894 als Handelshaus in Hamburg gegründet. In seiner rund 125-jährigen Geschichte hat sich der inhabergeführte Konzern zu einer leistungsstarken globalen Organisation entwickelt – mit langjährigen Verbindungen zu namhaften Lieferanten und mit eigenen Produktionsstandorten in Europa, den USA und Asien.