Recycling von Bio-Verpackungsfolien

Recycling von PLA Der Biokunststoff PLA wird für Verpackungsfolien eingesetzt. In dem europäischen Forschungsvorhaben „PLA 2nd life“ untersucht das IKV der RWTH Aachen gemeinsam mit drei weiteren Forschungsinstituten das Recycling von sortenreinen PLA-Produktionsabfällen. Bei vielen Standardkunststoffen ist es üblich, bis zu 45 Prozent Produktionsabfall wie Stanzgitter oder Randbeschnitt werkstofflich zu recyceln. Das Molekulargewicht ist dabei ein Maß für die mittlere Länge der Molekülketten. Beim Test der Verarbeitung von recyceltem PLA zeigte sich, dass der Verlust des Molekulargewichts relativ gering ist. Insbesondere für Recyclingquoten bis 50 Prozent ist die Abnahme im Vergleich zu Neuware gering, sodass bei den physikalischen und chemischen Eigenschaften kein nennenswerter Qualitätsverlust zu erwarten ist. Die Untersuchungen zeigen, dass eine Rückführung von reinen Produktionsabfällen unproblematisch ist, sofern übliche Recyclingquoten bis 50 Prozent eingehalten werden. PLA ist daher gut zum Recycling geeignet. Somit können Produktionskosten eingespart und die Ökobilanz des Produkts verbessert werden. An diesem Projekt sind neben dem IKV die Forschungsinstitute Flanders‘ PlasticVision, Kortrijk, Belgien, Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF), Darmstadt und Celabor, Herve, Belgien, beteiligt. Es wird über die AiF im Rahmen des Programms „Collective Research Networking“ (Cornet) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie gefördert.

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Sebastian Schippers,
schippers@ikv.rwth-aachen.de

 

Resin Spray Prepregging: Großserienfertigung faserverstärkter Strukturbauteile

Faserverstärkte Kunststoffe In der Forschergruppe 860, gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), „Neue Prozessketten für endlosfaserverstärkte Kunststoffbauteile: Integration von Preformen, Imprägnieren, Formen und Vernetzen“ hat das IKV Prozessketten für die Großserienfertigung erforscht. Dabei werden die Prozessschritte „Imprägnieren“ und „Formen und Vernetzen“ zeitlich und räumlich voneinander getrennt und parallel durchgeführt. Für die Imprägnierung eines endkonturnahen Preforms wird ein offenes Sprühverfahren mit einem nicht schäumenden PUR-Harz verwendet. Dieses Verfahren wird als „Resin Spray Prepregging (RSP)“ bezeichnet. Der imprägnierte Preform wird anschließend zur Formgebung und Vernetzung in ein Presswerkzeug übergeben und mit einem modifizierten Pressverfahren unter Temperatur und Druck zum Bauteil ausgeformt. Nach ersten einfachen Bauteile wurde der RSP-Prozess auf solche mit Funktionselementen übertragen und der anschließende Prozess zur Formgebung und Vernetzung in einem weiterentwickelten Presswerkzeug realisiert. Die modulare Bauweise des Werkzeugs ermöglicht die Integration von Durchbrüchen, Inserts und Versteifungsstrukturen. Die Ergebnisse zeigen, dass die reproduzierbare Produktion von Bauteilen mit unterschiedlichen Durchbrüchen mit einem Faservolumengehalt von 50 % in Zykluszeiten von 5 Min. möglich ist. In den abschließenden Untersuchungen wurde der Formgebungs- und Vernetzungsprozess hinsichtlich der Integration von Versteifungsprofilen, die durch Einlegen eines geschlossenzelligen Schaumkerns erzeugt wurden, analysiert. Es konnte ein grundlegendes Verständnis der komplexen Wechselwirkungen zwischen Preform, Material- und Prozessparametern geschaffen werden. Das Ziel von 10 Min. Zykluszeit wurde mit 5 Min. sogar übertroffen.

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Christos Karatzias,
karatzias@ikv.rwth-aachen.de

 

Vernetzungszustand bei Elastomerbauteilen berücksichtigen

Bauteilauslegung Der Verarbeitungsprozess beeinflusst die Gebrauchseigenschaften von Elastomerbauteilen, denn die thermische Geschichte des Materials bestimmt die Vernetzungsdichte und damit die mechanischen Eigenschaften. Bislang wird bei strukturmechanischen Berechnungen von einem räumlich homogenen und ideal vernetzten Werkstoff ausgegangen. Doch durch die geringe Wärmeleitfähigkeit von Elastomeren weisen insbesondere dickwandige Bauteile einen erheblichen Unterschied im Vernetzungsgrad zwischen inneren und äußeren Schichten auf. Am IKV wird ein integrativer Simulationsansatz verfolgt, der die Vernetzungsdichte bei der Steifigkeitsanalyse berücksichtigt. Dieser Ansatz basiert auf der Prozesssimulation Sigmasoft, Sigma Engineering, Aachen, und der Struktursimulation Abaqus der Dassault Systèmes Simulia, Rhode Island, USA. Über eine Schnittstelle wird eine Kopplung zwischen Prozess- und Struktursimulation realisiert, die den berechneten Vernetzungsgraden entsprechende Werkstoffsteifigkeiten zuweist. Durch die Messung der mechanischen Werkstoffkennwerte in Abhängigkeit der Vernetzungsgrade sowie durch entsprechender Materialmodelle für die FEM können fertigungsbedingte, lokal unterschiedliche Vernetzungsdichten bei der Dimensionierung berücksichtigt werden. Die Basis hierfür sind physikalische und mechanische Untersuchungen an voll- und teilvernetzten Elastomeren. Die Kopplung von Prozess- und Struktursimulation eröffnet eine genauere und damit effizientere Auslegung von Elastomerbauteilen.

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Philipp Bruns,
bruns@ikv.rwth-aachen.de

 

Verstärkung durch die Natur

Faserverstärkte Thermoplaste Ein Forschungsprojekt am IKV hat zum Ziel, flachs- und hanffaserverstärkte Compounds mit verbesserten Eigenschaften sowie Fasermodifikationen und Verfahren zur Herstellung und Weiterverarbeitung dieser Compounds zu entwickeln. Um das Potenzial solcher naturfaserverstärkten Thermoplaste zu nutzen, sind Untersuchungen notwendig, die die gesamte Wertschöpfungskette umfassen. Die Untersuchung der gesamten Verfahrenskette von der Faservorbereitung bis zur Weiterverarbeitung soll eine in ökonomischer und ökologischer Hinsicht sinnvolle Substitution bestehender Materialien durch naturfaserverstärkte Compounds ermöglichen. Deshalb werden in diesem Forschungsprojekt zunächst die Anforderungen an Flachs- und Hanffasern als Verstärkungsmaterial für Thermoplaste definiert. Dann wird die Faservorbereitung untersucht, die das Schneiden, Trocknen und die Modifikation der Oberfläche der Fasern umfasst. Anschließend werden ein angepasster Compoundierprozess und Compoundrezepturen erarbeitet. Des Weiteren werden die Weiterverarbeitungsverfahren Spritzgießen, Extrusion und Thermoformen an die speziellen Anforderungen der naturfaserverstärkten Compounds angepasst. Um die Herstellung und Verarbeitung solcher Materialien ganzheitlich zu betrachten, wird eine Life Cycle-Analyse durchgeführt und das Substitutionspotenzial untersucht. Hauptaufgaben des IKV in diesem Forschungsvorhaben sind die Auslegung des Compoundierprozesses, die Entwicklung der Compoundrezeptur und die Weiterverarbeitung der Compounds mittels Extrusion. Die an diesem Forschungsprojekt beteiligten Institutionen sind neben dem IKV der Allgemeine Belgische Flachsverband, Celabor, Flanders‘ PlasticVision, das Flämische Kunststoff Zentrum, die Katholische Hochschule Brügge-Ostende sowie das Fraunhofer LBF Darmstadt.

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Florian Puch,
puch@ikv.rwth-aachen.de

 

Ultraschallmesstechnik in der Insert-/Outsert-Technik

Spritzgießen Die Insert-/Outserttechnik ist ein Spritzgießsonderverfahren, mit dem Funktionselemente durch direktes Um- oder Anspritzen mit einem Kunststoff verbunden werden können. Der Prozess ist jedoch im Vergleich zum Standardspritzgießen komplexer, denn das Einlegeteil erfährt eine Vielzahl mechanischer und thermischer Belastungen. Eine hieraus resultierende Verformung oder Verschiebung der Einlegeteile kann die Funktion des späteren Bauteils gefährden. Ferner spielt in einigen Anwendungsgebieten der mediendichte Verbund zwischen Einlegeteil und Kunststoff eine große Rolle. Hier bietet sich der Einsatz der Ultraschallmesstechnik an. Die Prozessanalyse mit Ultraschall basiert auf der Messung von Schalllaufzeiten und der Detektion von Grenzflächenechos. Am IKV ist ein modular aufgebautes Spritzgießwerkzeug konstruiert worden, das sowohl die Analyse der Insert- als auch der Outsert-Technik ermöglicht. Durch variables Einspannen der Einlegeteile kann der Grad der resultierenden Einlegeteilverformung vor den eigentlichen Spritzgieß-Untersuchungen mitbeeinflusst werden. Die Messung der Ultraschalllaufzeit während der Versuche soll es dann ermöglichen, den Formgebungsprozess hinsichtlich der sich einstellenden Verformung qualitativ zu bewerten. Des Weiteren soll so Spalten zwischen Einlegeteil und Kunststoff detektiert werden. Erste Messungen zeigen, dass die Methode die Möglichkeiten der Produktionsüberwachung erweitert.

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Sebastian Becker,
becker_s@ikv.rwth-aachen.de

 

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Sebastian Schippers, schippers@ikv.rwth-aachen.de Christos Karatzias, karatzias@ikv.rwth-aachen.de Philipp Bruns, bruns@ikv.rwth-aachen.de Sebastian Becker, becker_s@ikv.rwth-aachen.de