Carbonfasern sind kostspielig und deshalb interessant für das Recycling. Die Ergebnisse des Projekts RecyCarb ermöglichen die Mehrfachnutzung von Carbonfasern durch einen funktionellen Wiedereinsatz. Erste Demonstratoren belegen die industrielle Umsetzbarkeit.

Wiedereinsatz rezyklierter Carbonfasern in anspruchsvollen Bauteilen

Faserverarbeitung

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Recycling

Umweltmanagement

Faserverbundwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Kunststofffasern

Kunststoff Werkstoffe

Verstärkungsstoffe

Kunststoff-Recycling

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Kunststoff-Aufbereitung

Zweites Leben für Carbon

„Circular Economy“ ist nicht nur das Schwerpunktthema der K 2019, sie bildet auch den „grünen“ Faden beim Messeauftritt des Spritzgießmaschinenbauers und Systemanbieters Engel.

Engel befürwortet starkes Engagement der Kunststoffindustrie für Kreislaufwirtschaft

Spritzgießen

Künstliche Intelligenz für die Qualitätssicherung

Industrie 4.0

Industrie 4.0 für die Qualitätssicherung

Folientechnik (IMD, IML, FIM, u.a.)

Digitale Transformation

Wirtschaft

Innovationen und neue Technologie

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

Industrie 4.0 für die Kunststoffverarbeitung

Spritzgießmaschinen

Co-Injektion (Barriere-/Sandwich-Spritzgießen)

Organobleche (gewebeverstärkte Thermoplast-Halbzeuge)

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

Ressourcenmanagement

Produktion

Ein zweites Leben für Kunststoffe

Die K 2019 hat ein großes Angebot an Maschinentechnik und Systemkomplettlösungen für das Kunststoffrecycling gezeigt. Dort war offensichtlich, dass die Industrie heutzutage Lösungen zum Schließen des Kunststoffkreislaufs anbieten kann.

Die Technologie, den Kunststoffkreislauf zu schließen, ist vorhanden

Sensorik für Kunststoff-Verarbeitungsmaschinen

IR-Sensor

Messtechnik

Sensoren / Messwertaufnehmer

Mahlgut

Kunststoff-Rezyklat

Wiederaufbereitung

Schmelzefilter

Filteranlagen

Extruder

Extrusionsanlagen

Waschen und Entfetten

Sortierer

Mahlanlagen, fein

Sensoren,  optische

Schneidmühlen

Aufbereitungsmaschinen

Kreislaufwirtschaft

Compoundieren

Mühlen

Geschlossener Recyclingkreislauf – jetzt!

Vier Forschungspartner haben es sich zum Ziel gesetzt, im Rahmen eines „Zero-Waste“-Projekts eine neue Presstechnik für die Herstellung von nachhaltigen Faserverbundlösungen zu entwickeln.

Forschungsprojekt zeigt Recyclingpotenzial für Composite-Leichtbau auf

Composite-Halbzeuge

Kohlenstofffasern / -matten

Anlagen zur Composite-Herstellung

Spritzprägen

Bruchmechanische Prüfung

Werkstoffprüfung

Harzsysteme für Composite-Herstellung

UD-Tapes

Presswerkzeuge, Kunststoff

Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung

Pressen von Kunststoffen

Qualitätssicherung Kunststoff

Qualitätssicherung

„Zero-Waste“-Konzept für Carbon-SMC

Dr. Isabell Schmidt sprach mit Kunststoffe über die Sorgen und Nöte der Branche und über Einflussmöglichkeiten auf den ökologischen Wert von Kunststoffverpackungen.

Kunststoffverpackungen verbinden hohe Schutzfunktion mit sehr guter Recyclingfähigkeit

Verpackungsmaterial

Logistik

Verbände, Institutionen, Messen

Dienstleistungen

Kunststoff-Verpackungsmaschine

Sondermaschinen

Recycling gleich mitdenken

Nicht nur Gesetzgeber wollen die Kreislaufwirtschaft fördern, auch in Gesellschaft und Industrie haben Rezyklate wieder höchste Bedeutung erlangt.

Qualitätssteigerung bei Material und Verarbeitung auf dem „Praxisforum Kunststoffrezyklate“

Additive

Zweites Leben auf hohem Niveau

Verzicht ist der Trend rund um Kunststoffe, der aktuell die öffentliche Wahrnehmung bestimmt. Viele Konsumenten wünschen sich umweltfreundlichere Produkte, was vielfach gleichgesetzt wird mit weniger Plastik. Dabei gilt: Kunststoff ist nach wie vor ein wichtiger Werkstoff, um Antworten auf steigende Bevölkerungszahlen, höheren Energiebedarf sowie zunehmende Urbanisierung und Mobilität zu finden. Häufig ist er auch die klimaschonendste Variante. Ungeachtet aller Kritik hat die Weltkunststoffproduktion in den zurückliegenden Jahren weiter zugelegt. Sie wuchs 2018 um 3 % auf nun fast 360 Mio. t. Europa hat daran einen Marktanteil von rund 17 % und ist damit drittgrößter Produktionsstandort. Dominierende Kunststoffnation ist bereits seit einigen Jahren China mit einem weltweiten Anteil von aktuell etwa 30 %. Darin besteht auch ein Teil des Problems, mit dem Werkstoff und Industrie zu kämpfen haben. Die boomenden Kunststoff- und Verpackungsbranchen, gerade in Südostasien, haben zu einem immer größer werdenden Abfallproblem geführt.

Gastkommentar von Dr. Michael Zobel

Messe K-Kunststoffmesse

kunststoffe.de

Kunststoffe

Photonik

Optik

Leichtbau

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Kunststoffhandel

Handel

Werkstoff

Die Antwort auf viele Fragen

Das steigende Aufkommen an Kunststoffabfällen und die wachsende Verschmutzung der Meere durch solche Abfälle haben den nachhaltigen Umgang mit Kunststoffprodukten zunehmend in den gesellschaftlichen und politischen Fokus gerückt.

Warum Folie aus Altkunststoff nicht zwangsläufig nachhaltig ist

Flachfolienanlagen

Blasfolienextrusion

Flachfolien- und Plattenextrusion

Extrusion

Nachhaltigkeit

Folien

Folienblasanlagen

3D-Blick auf Nachhaltigkeit

Die Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften von Kunststoffen werden ökologisch zunehmend zum Verhängnis. Wie die K 2019 gezeigt hat, bereiten zahlreiche Initiativen und technische Entwicklungen den Weg für den Aufbau einer Kreislaufwirtschaft.

Bilanz der K 2019: Die Kunststoffbranche hat ihre Verantwortung erkannt

Aufbruch ins Zeitalter der  Kreislaufwirtschaft

Die Marschrichtung scheint klar: Mehrschichtverpackungen müssen künftig besser recycelbar sein – aber was heißt das technisch? Und welche Lösungen braucht und akzeptiert der Markt?

Wie sich Folienverpackungen weiterentwickeln müssen

Verpackungsanlagen

Coilhandling

Nachholbedarf in Europa

 Bisher hatten die Automobilbauteilhersteller Bedenken, Rezyklate in sicherheitsrelevanten Bereichen einzusetzen. Der Materialhersteller JSP hat ein expandiertes Polypropylen mit 25 % Rezyklatanteil für genau für diese Einsatzgebiete entwickelt.

Kreislaufwirtschaft für expandiertes Polypropylen (EPP)

Automotive

Elektronik

Polypropylen

Thermoplaste

Aus Verpackungen werden Automobilbauteile

Beim chemischen Recycling können aus Kuntstoffabfällen mithilfe von leistungsfähigen Prozessen hochwertige Ausgangsstoffe für neue Kunststoffprodukte gewonnen werden.

Solvolyse mit unterschiedlichen Lösungsmitteln im Praxiseinsatz

Polyurethan-Schaumstoffe (PUR)

Polyurethan

Maßgeschneiderte Polyole aus  Kunststoffabfällen

Das Kreislaufsystem für PET-Flaschen in Deutschland ist eine Erfolgsgeschichte des Recyclings. Bei vielen anderen Polyestern stockt die Wiederverwendung aber noch. Oft liegt das an den zugesetzten Additiven oder Verunreinigungen durch die Nutzung.

Wie das Recycling von Polyestern effizienter gestaltet werden soll

Polyester

Polyethylenterephthalat

Additive entfernen, Energie sparen

Kunststoffe sprach mit Mercedes Alonso von Neste, über die vielversprechendsten Technologien für chemisches Recycling. Im Interview verrät sie außerdem, wieso Neste Lebensmittelrückstände für die Kunststoffproduktion kauft.

Interview mit Mercedes Alonso, Vorstandsmitglied bei Neste

Biokunststoffe

„Chemisches Recycling ist noch nicht reif für den kommerziellen Einsatz“

Recycling ist nicht nur ein Thema für Kunststoffverwerter und Maschinenbauer, auch Werkstoffhersteller machen sich Gedanken, wie sie die Wiederverwertung unterstützen und vorantreiben können.

Recycling-Highlights der Werkstoffhersteller auf der K 2019

Hilfreiche Additive und  erste Prototypen

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  

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>