Engel konnte nachweisen, dass sich Regranulate aus Organoblechverschnitt unter Beibehaltung der Materialeigenschaften im Spritzgießverfahren verarbeiten lassen. Composite-Rohstoffe könnten so vollständig im Kreislauf gehalten werden. Das macht die Materialien für den Leichtbau umso interessanter.

Regranulat aus Organoblech-Beschnitten beim Spritzgießen einsetzen

Spritzgießen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Faserverarbeitung

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Spritzgießmaschinen, allgemein

Spritzgießmaschinen

Faserverbundwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Kunststoff-Recycling

Kunststoff-Aufbereitung

Organobleche (gewebeverstärkte Thermoplast-Halbzeuge)

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

100 Prozent Materialnutzung

Nach 2019 veranstaltete der Maschinenbauer Engel am 6. Mai 2021 zum zweiten Mal seinen „Lightweight Future Day“, diesmal als Online-Format. Der Titel war durchaus programmatisch zu verstehen.

Zweite Auflage des Engel Lightweight Future Day

Doriat, Clemens, Dr.

Sekundärfasern

Kunststoff Werkstoffe

Kunststoff-Rezyklat

Fasern

Leichtbau

UD-Tapes

Verstärkungsstoffe

Crashtüren, Bio-Kindersitze und Schweizer Finnen

Fast 700 Unternehmen quer durch die Kunststoff-Wertschöpfungskette sind europaweit bereits Teil von Operation Clean Sweep (OCS) und tragen dazu bei, das Aufkommen von Kunststoffgranulaten in der Umwelt zu verringern. Dies geht aus dem nun veröffentlichten OCS-Fortschrittsbericht von Plastics Europe hervor.

Kunststoffe, biobasiert

Biokunststoffe

Fluorkunststoffe

Thermoplaste

Recycling

Umweltmanagement

Standardkunststoffe

Technische Kunststoffe

Füllstoffe für Kunststoffe

Kunststoffe, bioabbaubar

Verbände

kunststoffe.de

Hochleistungskunststoffe

PlasticsEurope veröffentlicht Bericht von Operation Clean Sweep

In der Diskussion um Plastik-Einwegpfand und verbesserte Sammelquoten in Österreich präsentieren Coca-Cola und Reclay eine innovative App-Lösung für den Umgang mit PET-Flaschen: Wer richtig recycelt, wird belohnt!

Anwendersoftware

Auswerte- und Analysesoftware

Software

Polyethylenterephthalat

Logistik

Lagertechnik

Coca-Cola und Reclay Group präsentieren „Belohnungs-App“ für Konsumenten

Mit der industriellen Produktion und Verarbeitung von Polymerwerkstoffen begann Anfang der 1950er-Jahre auch die Wiederverwertung von Kunststoffabfällen. Dabei ging es zunächst nur um sortenreine Produktionsabfälle. Im Laufe weniger Jahrzehnte gelang es, Verfahren zu entwickeln, um selbst stark kontaminierte und gebrauchte Kunststoffabfälle zu hochwertigen Sekundärwerkstoffen aufzuarbeiten.

Industrielle Kunststoffverarbeitung rief früh Technologieentwickler auf den Plan

Die Erfindung des Kunststoffrecyclings

Polymere Materialien und mit ihnen synthetische Kunststoffe leiden unter einem schlechten Ruf. Diese Imageprobleme ergeben sich nicht nur aus der gegenwärtigen Umweltdebatte, sondern haben auch frühere Ursachen. Bereits in der Vergangenheit sahen sich polymere Materialien ungerechtfertigten Beurteilungen ausgesetzt. Oft stammten diese von Laien und waren vielfach Ausdruck mangelnder naturwissenschaftlicher Kenntnisse.

Kunststoffe

Photonik

Optik

Über das Image von Kunststoffen und einen verantwortlichen Umgang mit ihnen

Fast schon zwei Jahrzehnte unterstützt ein Expertengremium die Zeitschrift Kunststoffe in jährlichen Arbeitstreffen dabei, den Standort der Kunststoffbranche und aktuelle technologische Entwicklungen zu bestimmen. Der traditionsreiche Frühjahrstermin bot diesmal Gelegenheit, die Coronafolgen mit in den Blick zu nehmen.

Aktuelle Herausforderungen und Handlungsoptionen für die Kunststoffindustrie

Wirtschaftspolitik in Deutschland

Wirtschaft

Verpackungsmaterial

Klotz, Karlhorst, Dr.

Internationale Wirtschaft

Verpackungsanlagen

Coilhandling

Kunststoff-Verpackungsmaschine

Sondermaschinen

Medizintechnik

Durchstarten im Zeichen von Corona

Kunststoffverarbeitern steht eine breite Farbpalette für das Einfärben ihrer Produkte zur Verfügung. Die Auswahl der passenden Farbe kann schließlich entscheidend für den Erfolg sein.

Trendbericht zum Einfärben von Kunststoffen

Pigmente

Additive

Pigmente, bunt

Masterbatches

Farbstoffe und Pigmente

Streifinger, Florian

Farbkonzentrate (Batches)

Farbstoffe

Effektpigmente

Farben, flüssig

Welche Farbe darf es 2021 sein?

Letztes Jahr hat der italienische Compoundeur Sirmax großflächig investiert. Mit Società Europea di Rigenerazione (SER) und Microtec wurden zwei Firmen übernommen und zusätzliche Produktionskapazitäten kamen hinzu. Ein Großteil dieser Investitionen floss in Recyclingtechnologien. Im Juni sollen nun weitere Recyclinganlagen in Italien in Betrieb gehen. Aus diesem Anlass sprach Kunststoffe mit dem Geschäftsführer von Sirmax, Massimo Pavin.

Wieso der Compoundeur Sirmax ins Recycling einsteigt

Compound

Compoundeure

Dienstleistungen

Handel

Polypropylen-Compound

Polypropylen

Compoundieren

„Rezyklate zuzukaufen, wäre zu  gefährlich“

Kunststoffabfälle im Meer prägen seit einigen Jahren das negative Image der Branche. Verschiedene Initiativen und Zusammenschlüsse von Firmen haben deshalb Projekte ins Leben gerufen, um diesen Ocean-bound Plastics (OBP) Herr zu werden.

Flammschutz für Compounds aus recycelten Ocean-bound Plastics

Polybutylenterephthalat

Elektronik

Flammschutzmittel

Vom Meer in die Elektronik

Kunststoffe zählen zu den am meisten verwendeten Lebensmittelkontaktmaterialien. Im Kampf gegen Kunststoffabfälle wird auch der Einsatz von Recycling-Kunststoffen in Verpackungen forciert, wobei für Lebensmittelverpackungen bestimmte Voraussetzungen erfüllt werden müssen, damit sie als sicher gelten können.

Kunststoffrecycling für den Lebensmitteldirektkontakt und alternative Einsatzgebiete

Verpackungsmittel aus Kunststoffen

Kunststoffverarbeitung

Lebensmittelechtes  Post-Consumer-Rezyklat

Der Fortschritt bei Fügetechnologien wie dem Laserdurchstrahlschweißen, die steigende Nachfrage nach wärmeleitenden Kunststoffen, der Leichtbau und die Elektromobilität gehören in der Material- und Anwendungsentwicklung mit Polyamid zu den großen Trends. Auch bei bei diesem Polymer wächst der Bedarf an nachhaltigeren Werkstoffen. Geschlossene Stoffkreisläufe werden deshalb künftig in der Herstellung von PA 6 und PA 66 eine immer wichtigere Rolle spielen.

Polyamid (PA): Produktverbesserungen und Ersatz von PA 66 durch PA-6-Compounds

Hybridtechnik

Automotive

Vibrationsschweißen

Verbindungstechnik Verfahren

Thermisches Fügeverfahren

Hybridwerkstoffe

Polyamide

Laserschweißen

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Laserauftragsschweißen

Oberflächentechnik

Laserbearbeitungen

Lasertechnik

Kunststofffasern

Verbesserungen bei Materialien und  der Verarbeitung

Wegen seiner guten Temperaturbeständigkeit, Schlagfestigkeit und ansprechenden Optik kommt Acrylnitril-Butadien-Styrol häufig bei Haushaltsgeräten und in der Automobilindustrie zum Einsatz. Auch beim Aufbau einer Kreislaufwirtschaft sind Erfolge zu verzeichnen. Immer mehr ABS werden mit Recyclinganteilen angeboten. Darin besteht eine Parallele zu Polystyrol (PS), bei dem es ebenfalls große Recyclinganstrengungen gibt.

Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS): Recycling und Kreislaufwirtschaft nimmt Gestalt an

Polystyrol

ABS / ASA-Kunststoffe

Nachhaltigkeit im Fokus

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.

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

Polycarbonat

Medizinprodukte

Werkstoff für viele Trends

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.

Expertengespräch zu Trends und Herausforderungen bei Werkstoffen

Polyethylen

Polyvinylchlorid

„Wir teilen den Optimismus von  Wirtschaftsminister Altmaier nicht“

Faserverstärkte Thermoplaste mechanisch rezyklieren und in die Produktion zurückführen

Organobleche haben sich in der Serienfertigung von hochbelastbaren Leichtbauteilen in unterschiedlichen Industriebereichen etabliert. Bei ihrer Produktion fallen Verschnittreste an, die sich nicht direkt wieder in den Herstellungsprozess zurückführen lassen. Die werkstoffliche Verwertung dieser Verschnitte stellt dafür einen vielversprechenden Recyclingansatz dar.

 Bei der Produktion von Organoblechen fallen Verschnittreste an, die sich nicht direkt wieder in den Herstellungsprozess zurückführen lassen. Die werkstoffliche Verwertung dieser Verschnitte stellt dafür einen vielversprechenden Recyclingansatz dar.

Endlosfaserverstärkte Thermoplaste verfügen über sehr gute technische Eigenschaften, die den Einsatz in zahlreichen Anwendungsfeldern ermöglichen – vom Sportschuh über Gehäuse von Elektronikgeräten bis hin zu sicherheitsrelevanten Automobilbauteilen wie Bremspedalen oder A-Säulenverstärkungen. Die Lanxess-Tochtergesellschaft Bond-Laminates GmbH produziert am Standort Brilon unter dem Markennamen Tepex seit mehr als 20 Jahren solche Faserverbundwerkstoffe. Diese Organobleche sind mittlerweile in vielen Großserienprodukten etabliert.

Die Tepex-Organobleche werden in einem kontinuierlichen Prozess hergestellt und für den jeweiligen Verarbeiter konfektioniert. Insbesondere für die Automobilindustrie, wo die Weiterverarbeitung der Tepex-Halbzeuge in vollautomatisierten Fertigungszellen abläuft, werden die Einleger als zweidimensionale Zuschnitte bereitgestellt. Um den Verschnitt, der beim Zuschnitt dieser Einleger entsteht, zu minimieren, werden die entsprechenden Geometrien unter Berücksichtigung der notwendigen Faserorientierung so in dem Tepex-Halbzeug verschachtelt, dass eine optimale Materialausbeute möglich ist. Dieses Vorgehen ist auch als Nesting bekannt.

Allerdings ist bei stark gekrümmten Geometrien, die sich nur sehr ungünstig verschachteln lassen, ein systematischer Verschnitt nicht vermeidbar (Titelbild). Bereits bei einem Verschnitt von 5 – 10 % fällt unter Großserienbedingungen sehr schnell eine große Menge an Restwertstoff an, der dem Produktionsprozess nicht direkt zugeführt werden kann. Um sie erneut in der Herstellung verwenden zu können, müssen die Materialien zunächst recycelt werden.

Geeignetes Recyclingverfahren für Organoblech-Verschnitte

Da Tepex und vergleichbare Organobleche auf einer thermoplastischen Kunststoffmatrix basieren, ist das Recycling sowohl mithilfe von werkstofflicher Verwertung durch mechanische Aufarbeitung möglich als auch durch die rohstoffliche bzw. chemische Verwertung, also die Aufspaltung in Einzelkomponenten durch Hydrierung, Hydrolyse und Pyrolyse. Den größten wirtschaftlichen Nutzen bei der Verwertung der Reststoffe und Verschnitte bietet das werkstoffliche Recycling. Dabei muss der Tepex-Verschnitt zunächst zu einer definierten Partikelgröße vermahlen werden.

Handelsübliche Schneidmühlen sind zwar in der Lage, Organobleche aller Art zu zerkleinern. Die hohen Schnittgeschwindigkeiten, die bei dieser Technik üblich sind, führen allerdings zu einem sehr hohen Verschleiß der Messer. Im Mahlgut wird außerdem ein hoher Staubanteil und eine relativ geringe mittlere Partikelgröße erzeugt. Die daraus resultierende geringe Schüttdichte des Mahlguts ist für übliche Verarbeitungsverfahren wie Regranulierung oder Direktspritzgießen meist ungeeignet.

Eine Reduzierung der Schnittgeschwindigkeit bei gleichbleibender Zerkleinerungsleistung lässt sich mit klassischen Wellenzerkleinerern erreichen. Für die Messerwalzen sollte dabei eine niedrige Drehzahl gewählt werden. Insbesondere Einwellenzerkleinerer mit automatischem hydraulischen Vorschub sind dazu geeignet, ein homogenes Mahlgut zu erzeugen (Bild 1) [1]. Große, streifenförmige Partikel, wie sie bei anderen Verarbeitungsformen auftreten können, werden dabei vermieden. Das gilt auch für dickere Materialien oder besonders spröde, carbonfaserverstärkte Varianten.

Aufgrund der hohen Steifigkeit, Festigkeit und Schlagzähigkeit von Tepex-Materialien ist für die effiziente Zerkleinerung ein geeignetes Set-up notwendig. Neben einem möglichst kleinen positiven Schneidwinkel sollten weitere Parameter eingehalten werden (Tabelle) [2]. Auf eine geeignete Absaugung ist aufgrund der hohen Staubentwicklung in jedem Fall zu achten.

Das bei der Zerkleinerung entstehende Mahlgut kann einem kunststofftypischen Verarbeitungsprozess wie Spritzgießen oder Extrusion direkt zugeführt werden. Um eine Verarbeitung auf Standardmaschinen ohne modifizierte Einzugszone zu gewährleisten, ist eine mittlere Partikelgröße von 8 – 15 mm empfehlenswert. Derartiges Mahlgut verfügt über eine Schüttdichte von ca. 200 kg/m3 (±20 kg/m3). Wird das Mahlgut handelsüblichem Granulat (Regranulat oder Neuware) zu einem Anteil von ≤20 % beigemischt, ist die Brückenbildung soweit reduziert, dass übliche Dosiertrichter ohne Zwangsdosierung und somit in Standardausführung eingesetzt werden können. Das bestätigten Untersuchungen der Kunststofftechnik Paderborn, einer Forschungseinrichtung der Universität Paderborn.

Bild 2 zeigt einen automatischen Prozess, in dem eine Mischung aus 80 % Granulat und 20 % Organoblech-Mahlgut auf einer Standardschnecke mit 25 mm Durchmesser ohne zusätzliche Peripherie im Spritzgießverfahren verarbeitet wurde. Höhere Anteile an Mahlgut, zum Teil sogar bis zu 100 %, lassen sich ebenfalls auf Standardmaschinen verarbeiten, sofern bei der Dosierung eine für das Mahlgut geeignete Zwangsförderung, z. B. eine Stopfschnecke mit hoher Gangtiefe, verwendet wird. Der Einsatz von faserschonenden Schneckengeometrien mit hoher Gangtiefe in der Einzugszone kann für die Maximierung der mechanischen Eigenschaften im Bauteil herangezogen werden. Sie sind aber im Normalfall nicht zwingend erforderlich. Bereits mit üblichen, nicht modifizierten Dreizonenschnecken lässt sich Tepex-Mahlgut mit der empfohlenen mittleren Partikelgröße problemlos verarbeiten.

Für den Spritzgießprozess sind in Abhängigkeit vom herzustellenden Bauteil niedrige Dosiergeschwindigkeiten und Staudrücke empfehlenswert. Der optimale Betriebspunkt richtet sich üblicherweise nach der eingesetzten Maschinentechnik und dem Bauteildesign.

Durch Beimischen kurzfaserverstärkter oder unverstärkter Neuware lässt sich der Faseranteil im Bauteil gezielt einstellen. Bei auf Polypropylen (PP) basierendem Tepex ist eine Verdünnung des Mahlguts auf einen Fasermassengehalt von 30 % sinnvoll, da kurzfaserverstärkte PP-GF-Compounds mit höherem Fasergehalt auf dem Markt kaum verfügbar sind. Eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durch eine weitere Erhöhung des Fasermassenanteils ist bei PP aufgrund der Unpolarität des Polymers nicht trivial und kann in der Regel nur mit speziellen Langfasergranulaten erreicht werden. Andere Tepex-Typen können auch unverdünnt verarbeitet oder kurzfaserverstärkter Neuware mit vergleichbarem Fasermassenanteil beigemischt werden.

Mechanische Eigenschaften wie  kurzfaserverstärkte Kunststoffe

Die Festigkeit, Steifigkeit und Zähigkeit des Rezyklats sind vergleichbar mit denen von handelsüblichen kurzfaserverstärkten Kunststoffen mit entsprechenden Fasergehalten. Zur Validierung dessen wurde Tepex-Mahlgut (Ausgangsmaterial: Tepex dynalite 102-RG600(x)/47%; Fasermassenanteil: 66 %) zu unterschiedlichen Anteilen einem kurzglasfaserverstärkten Durethan BKV30 (Polyamid 6 (PA 6), Fasermassengehalt: 30 %) beigemischt und direkt im Spritzgießverfahren verarbeitet. Die resultierenden mechanischen Kenngrößen Zug-E-Modul und Zugfestigkeit liegen dabei auf dem Niveau von Durethan-Typen mit vergleichbarem Fasermassenanteil (Bild 3) [3]. Die Ergebnisse konnten in verschiedenen Untersuchungen auch mit anderen Polymeren und Faserwerkstoffen bestätigt werden. [1, 4]

Zur Verifizierung wurde in Zusammenarbeit mit der Kunststofftechnik Paderborn ein Demonstratorbauteil hergestellt (Bild 4). Das Bauteil wird für Forschungszwecke eingesetzt und diente ursprünglich der Untersuchung unterschiedlicher Aspekte des Spritzgieß-Sonderverfahrens GITBlow [5]. Die Geometrie ähnelt Bauteilen, die bereits für die automobile Großserie produziert werden [6]. Die Umspritzung besteht vollständig aus einer Mischung aus 80 % Neuware und 20 % Mahlgut. Der Demonstrator zeigt, dass sich sowohl dickwandige Bereiche ohne nennenswerte Schwindung als auch dünnwandige Bereiche mit langen Fließwegen vollständig und ohne sichtbare Schwindungseffekte herstellen lassen, sofern übliche Spritzgießbedingungen beachtet werden.

Die recycelten Verschnittreste  können ohne zusätzliche Investitionen in geplanten und sogar laufenden Serienprodukten eingesetzt werden. Das  Recyclingverfahren stellt somit einen wichtigen Schritt hin zu einer umfassenden Kreislaufwirtschaft für endlosfaserverstärkte Thermoplaste dar.

[1] Schemme, M.; Karlinger, P.; Hummel, S.: “Closed-Loop-Recycling – Strategien für endlosfaserverstärkte thermoplastische Hybridstrukturen“, FOREL Kolloquium TU Dresden, 29.08.2019

[2] Mattus, V.; Hintersteiner, R.; Meier-Kortwig, J.; Buntenbach, S.: „Werkstoffliche Verwertung lang- und endlosfaserverstärkter Thermoplaste zu hochwertigen, langfaserverstärkten Fließpreß-Bauteilen“, Abschlussbericht Az: 09220 (Deutsche Bundesstiftung Umwelt), April 1999

[3] „Kombination von Thermoplast-Spritzguss und Thermoformen kontinuierlich faserverstärkter Thermoplaste für Crashelemente (SpriForm)“, Abschlussbericht zum BMBF-Verbundprojekt (02PU2350–02PU2355), 2011

[4] Moritzer, E.; Heiderich, G.: „Mechanical recycling of continuous fiber-reinforced thermoplastic sheets”, PROCEEDINGS OF PPS-31, DOI: 10.1063/1.4942328, March 2016

[5] Moritzer, E.; Landgräber, B.: “Investigations on the production of hybrid structures using the two-stage GITBlow process”, AIP Conference Proceedings 2139, DOI: 10.1063/1.5121664, 2019

[6] “Fast 50 Prozent weniger Gewicht”, Industrieanzeiger, 24.11.2014

Bond-Laminates GmbH  

https://www.bond-laminates.de

Lanxess AG  

Ausgabenartikel

Bild 3. Vergleich der Steifigkeit und Festigkeit der PA 6 Durethan BKV30, BKV35 und BKV40 mit dem PA 6 Durethan BKV30, dem 10, 20 oder 30 % Tepex-102-Mahlgut zugegeben wurde: Trotz Zugabe des Mahlguts sind die Werte vergleichbar 

Bild 4. Der Demonstrator zeigt, dass das Mahlgut für das Spritzgießen von Kunststoffbauteilen geeignet ist. Die Umspritzung des Demonstrators besteht aus einer Mischung aus 80 % Neuware und 20 % Tepex-Mahlgut  

Selbst bei einer möglichst optimierten Herstellung von Organoblechen fallen dennoch relativ große Mengen an Verschnittresten an 

16:9

20:7

Tabelle. Empfohlene Prozessparameter für die Zerkleinerung von Organoblech-Verschnittresten

Bild 1. Gemahlenes Tepex: Bei der Zerkleinerung kommt es auf die verwendeten Maschinen an. Insbesondere mit Einwellenzerkleinerern lässt sich ein homogenes Mahlgut erzeugen

Bild 2. Verarbeitung einer Mischung aus 80 % Granulat und 20 % Organoblech-Mahlgut auf einer Standard-Dreizonenschnecke: Ein reproduzierbares Dosieren in jedem Zyklus ist bei der Verarbeitung möglich 

Lanxess - Hauptartikel

Dr. Stefan Seidel ist Leiter der Forschung und Entwicklung für endlosfaserverstärkte thermoplastische Verbundwerkstoffe bei Lanxess/Bond-Laminates; <a href="mailto:stefan-seidel@bond-laminates.de">stefan-seidel@bond-laminates.de</a>