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

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Kunststoff-Aufbereitung

Organobleche (gewebeverstärkte Thermoplast-Halbzeuge)

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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

Kunststoffrezyklate hatten im vergangenen Jahr einen schweren Stand. Viele Industrieunternehmen fordern deshalb von der Politik Maßnahmen zur Förderung der Kreislaufwirtschaft. Im Interview mit Kunststoffe erklärt Alfred Stern, CEO von Borealis, wieso er feste Rezyklatquoten für notwendig erachtet und freiwillige Selbstverpflichtungen nicht funktionieren.

Interview mit Alfred Stern, CEO von Borealis, zur Kreislaufwirtschaft

Schröder, Susanne

Streifinger, Florian

Recycling

Umweltmanagement

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

„Die einzige global akzeptierte  Ideologie ist leider Geld“

Die internationale Fachtagung „Praxisforum Kunststoffrezyklate“ am 9. und 10 März 2021 behandelt die Qualitätssteigerung bei Material und Verarbeitung von Rezyklaten. Die Teilnehmer erleben online einen hochqualifizierten, fachlichen Austausch sowie ein aktuelles Wissen-Update.

Weiterbildung, allgemeine

Dienstleistungen

Seminare, Schulungen, Kongresse

Kunststoff-Regenerate

Praxisforum Kunststoffrezyklate 2021

Biobasierte Kunststoffe können in langlebigen und recycelbaren Anwendungen große Mengen an CO2 speichern und einen echten Beitrag zum Klimaschutz leisten. Entsprechendes Produktdesign und eine funktionierende Kreislaufwirtschaft vorausgesetzt, könnte die Kunststoffbranche zu einer Schlüsselindustrie einer grünen Wirtschaft werden.

Wie biobasierte Kunststoffe zur langfristigen Speicherung von CO2 beitragen können

Kunststoffe, biobasiert

Biokunststoffe

Kunststoffe, bioabbaubar

Kunststofffasern

Mit Biokunststoffen zur Zukunftsbranche

Biobasierte und bioabbaubare Kunststoffe konnten sich bereits an einigen Stellen als umweltfreundlichere Alternativen zu Kunststoffen mit fossiler Herkunft etablieren. Für den ganz großen Durchbruch müssen vorher aber noch einige Probleme beseitigt werden.

Messe K-Kunststoffmesse

kunststoffe.de

Wiederaufbereitung

Klimawandel stärkt Nachfrage

Industriefirmen, Verbände und Institutionen rund um die Themen Kreislaufwirtschaft und Nachhaltigkeit präsentieren sich auf der digitalen Plattform D-Expo Circular Economy vom 13. – 16. April 2021.

Markt & Wirtschaft

Kunststoffverarbeitung

Nachhaltigkeit

Regenerieren

D-Expo Circular Economy - Digitale Fachmesse zur Kreislaufwirtschaft

 Die Henkel AG & Co. KGaA hat angekündigt, ihr komplettes Tuben-Produktangebot für Zahnpflegeprodukte über alle Marken hinweg auf vollständig recycelbare Tuben ihres Verpackungszulieferers Albéa umzustellen

Polyethylen

Thermoplaste

Vollständig recycelbare Zahnpastatuben

 Der Schweizer Verpackungshersteller Amcor hat einen PVDC-freien (Polyvinylidenchlorid) Schrumpfbeutel sowohl für frische als auch verarbeitete Lebensmittel entwickelt.

Ersatz für PVDC- Verpackungen

Die fünf Unternehmen DSM, Sabic, Cepsa, Fibrant und Viscofan haben zusammen eine Mehrschicht-Darmfolie für Fleischprodukte entwickelt, die mit recycelten Kunststoffen aus Verbrauchsquellen gefertigt wird.

Verpackungsmaterial

Logistik

Fünf Unternehmen kooperieren bei Lebensmittelfolie

Die Werner & Mertz GmbH hat einen vollständig recyclingfähigen Standbodenbeutel aus Polyethylen (PE) vorgestellt. Möglich wird dies durch trennbare Farbebenen, unbedruckte Flächen und den Verzicht auf Klebstoffe und Haftvermittler.

Preisgekröntes Design schließt Recycelbarkeit ein

Der Verband der Kunststofferzeuger PlasticsEurope Deutschland startete 2021 mit einem neuen Hauptgeschäftsführer. Die Aufgabe für den neuen Kopf an der Spitze, Ingemar Bühler, ist dabei nicht einfach.

Interview mit Ingemar Bühler, dem neuen Hauptgeschäftsführer von PlasticsEurope Deutschland

Verbände, Institutionen, Messen

Kunststoff-Erzeugung

„Über die Kunststoffindustrie wird viel gesprochen, aber selten mit ihr“

In einem aktuellen Diskussionspapier erläutert der VDMA, welche Maßnahmen in Politik und Wirtschaft eine echte Kreislaufwirtschaft für Kunststoffe fördern könnten.

Verbände

Wie die Lücke bei Kunststoffen geschlossen werden kann

Als ersten Schritt der gemeinsamen RecycleMich-Initiative wurde die RecycleMich-App vorgestellt, die richtiges Recyceln mit attraktiven Preisen belohnt.

Österreichische Getränkehersteller steigern Sammelquote durch App-Lösung

Virtueller Branchentreff zur Kreislaufwirtschaft in der Kunststoffbranche

D-Expo Circular Economy startet am 13. April 2021

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>