Das Beste von Beidem – so lässt sich die Symbiose aus Kunststoff und Holz treffend beschreiben. Der Werkstoff verbindet die Eigenschaften von Kunststoff, wie Haltbarkeit und geringer Pflegeaufwand mit den optischen und haptischen Pluspunkten von Holz. Wood Plastic Composites (WPC) finden sich im europäischen Markt vorwiegend in Decking-Anwendungen, also Verkleidungen oder Dielen. Auch Zäune und Fassaden haben weiteres größeres Marktpotenzial in Deutschland. Seit 2005 ist der europäische Markt für WPC jährlich um durchschnittlich 35 Prozent gewachsen. „Nach mehreren Jahren zweistelligen Wachstums sehen wir nun in Europa ein einstelliges Wachstum zwischen 5 und 10 Prozent.
Grund hierfür ist primär die schwächelnde Nachfrage infolge der Wirtschaftskrise in Südeuropa“, berichtet Michael Carus, Geschäftsführer des Nova-Instituts, Hürth. Im Jahr 2010 wurden in Europa etwa 220.000 t WPC, davon in Deutschland etwa 100.000 t, produziert und auch in Europa abgesetzt, rund 50.000 t in der Automobilindustrie und 167.000 t für Terrassen-Bodenbeläge, Zäune und Fassaden. Auch für Möbel, Büro- und Haushaltsartikel wie Tafelgeschirr, Komposteimer oder Zahnbürsten sowie technischer Kleinteile und Gehäuse werden immer mehr WPC-Materialien eingesetzt. Grundsätzlich, so meint Asta Eder, Unternehmensberaterin und WPC-Expertin, Composites Consulting, Wien, Österreich, seien Ländern, in denen viele Produkte aus Holz verkauft werden, auch erfolgversprechende Absatzmärkte für WPC.
Was fehlt ist erfolgreiches Produkt-Marketing
Für Deckings sei der Werkstoff zwar bereits etabliert, doch ließe sich der Marktanteil durch einen bessere Produktdifferenzierung und Marktsegmentierung weiter ausbauen: „In Marketing und Kommunikation kann man auf die unterschiedlichen Bedürfnisse der Kunden achten. Für die Produktdifferenzierung ist die extra Breite Jumbo-Terrassendiele von der Firma Novo-Tech ein gutes Beispiel. Diese funktioniert in einem Segment wo der Preis eine geringere Rolle spielt.“
Marketing ist ein Schlüsselfaktor für den Erfolg des Werkstoffs. „Der Produzent sollte bevor er sich mit dem Produktionsprozess befasst ein stehendes Marktingkonzept haben. Dies ist erfahrungsgemäß die schwierigste Hürde“, weiß Thorsten Weber, Reifenhäuser Extrusion Technology, Troisdorf. Und auch Carus sieht noch Nachholbedarf: „Es gibt hier sicherlich Schwachstellen im Marketing und Öffentlichkeitsarbeit. Auch gibt es von den politischen Rahmenbedingungen keinerlei Unterstützung – ganz im Gegensatz zum Bio-Kraftstoffmarkt. Zudem kann der Verbraucher mit der Optik häufig nicht richtig etwas anfangen. Hier ist noch viel zu tun!“
Der Formen-Vielfalt sind kaum Grenzen gesetzt
Heute wird WPC vor allem in Anwendungen eingesetzt, in denen die Produkteigenschaften wie hohe Steifigkeit und geringe Schwindung gegenüber reinen Kunststoffen und verbesserte Halt- und Formbarkeit gegenüber reinen Holzprodukten zum Tragen kommen. Mit steigenden Kunststoffpreisen sei es aber nur eine Frage von wenigen Jahren, wann WPC-Granulate preiswerter als reine Kunststoff-Granulate sein werden und dann Massenmärkte erobern können, heißt es in einer aktuellen Analyse des Nova-Instituts. Derzeit liegen die Preise für WPC noch um 20 bis 30 % über denen reiner Kunststoffen. Sobald die Preise von PP und PE eine bestimmte Schwelle überschritten haben (ca. 1,50 /kg), sind WPC-Granulate aufgrund des deutlich niedrigeren Preises für Holzmehl preiswerter als bestehende Lösungen. Dann werden sich große Märkte öffnen“, führt Carus aus und Eder ergänzt: „Die Türen- und Fensterherstellung sehe ich als einer der potenziellen Marktbereiche für WPC in Europa. In Nordamerika gibt es seit Anfang der 90er Jahre Fenster aus PVC-Holzmischung von der Firma Andersen. Alle namhaften europäischen Fensterhersteller haben sich mit dem Thema WPC befasst, bringen aber keine Fenster-Produkte auf den Markt. In diesem Bereich stehen Produkte sowohl in China, als auch in Deutschland kurz vor der Markteinführung.“
Auch im Automobilsektor finden sich für den Werkstoff etliche Anwendungen. „Im Automobilbereich werden in der EU bereits etwa 50.000 t pro Jahr eingesetzt und der Anteil könnte noch erheblich steigen“, glaubt Carus. Auch für den Einsatz im Hausinterieur gibt es Beispiele. „Das Möbelhaus Ikea hat mehrere WPC-Produkte im Programm“, so Eder. „Regale aus extrudierten WPC-Profilen werden von mehreren Herstellern angeboten. In Asien wird WPC vor allem im Wohnbereich, beispielsweise für Deckenpaneele eingesetzt. In China werden Türen für den Innenbereich aus WP, teils in voller Breite, extrudiert. Mit beidem ist jedoch in Europa nicht zu rechnen.“ Des Weiteren sind Anwendungen im Hygienebereich denkbar, wo WPC mit integrierter antimikrobieller Wirkung eingesetzt werden kann. Oder auch Schmuck-Urnen aus naturfaserverstärkter Polymilchsäure, die 100-prozentig biologisch abbaubar sind. Auch Holzblasinstrumente, Lautsprechergehäuse oder Koffer sind möglich.
Vermeintliche Nachteile von WPC
Ein bei Verbrauchern eher mit Skepsis betrachtetes Thema ist die Haltbarkeit der Produkte. Das Nova-Institut schreibt hierzu: Man unterscheidet zwischen biotischen (Pilze) und abiotischen (UV-Strahlung) Einflussfaktoren, die einzeln auf das WPC-Material Einfluss ausüben können. Doch neue Entwicklungen von Additiven vermindern die Einflüsse von Witterung und UV-Strahlung auf die Materialien erheblich, sodass Hersteller teils zehn oder mehr Jahre Garantie auf ihre Produkte geben. Die mikrobielle Stabilität weitgehend sicher gestellt. Carus ergänzt: „Probleme kann es primär bei hohen Anteilen von Holz geben, also 60 bis 80 %. Bei geringeren Anteilen von 30 %, typisch für Spritzguss, sind die Fasern weitgehend von Kunststoff umschlossen. Beim Spritzguss ist zudem der Druck so hoch, dass die Fasern mit Kunststoff gefüllt werden.“
Verarbeitung von WPC: Extrusion
Gegenüber den herkömmlichen Holzwerkstoffen bietet die Extrusions- und Spritzgusstechnik von Holz-Kunststoff-Verbunden eine bisher nicht gekannte Formenvielfalt bei wirtschaftlich vertretbaren Produktionskosten im Vergleich zu reinen Holz-Produkten. Für die größte Produktgruppe im WPC-Markt, Decking-Anwendungen, werden Extrusions-Anlagen genutzt. Zu den führenden Maschinenherstellern zählen beispielsweise Battenfeld-Cincinnati, Krauss Maffei Berstorff und Reifenhäuser Extrusion Technology.
„Die größte Herausforderung bei der Verarbeitung ist, verschiedene Rohmaterialien wie Polymer, Additive, Farbpigmente und natürlich Holz zu einer funktionierenden Rezeptur zusammenzustellen. Doch vorher sollte man sich erstens schon auf eine Verarbeitungstechnologie festgelegt haben, weil nicht jede Rezeptur mit jeder Technologie verarbeitbar ist, und zweitens wissen, welches Endprodukt man herstellen will, Indoor oder Outdoor. Die Wahl der richtigen Werkzeugtechnologie ist ein weiterer wichtiger Punkt“, erläutert Thorsten Weber, Reifenhäuser, Troisdorf. Bei Reifenhäuser hat man in den letzten zwei Jahren verschiedenen Schritte unternommen, um die Anlagen energieeffizienter zu machen. „Allerdings bringt die effizienteste Maschine nichts, wenn das Endprodukt unwirtschaftlich ist, bezogen auf Gewicht und Verarbeitungsgeschwindigkeit. Aus diesem Grund haben wir, entgegen dem derzeitigen Markttrend zu Vollprofilen, ein Profil entwickelt welches wir zur K Messe erstmalig vorstellen werden. Dieses Profil wird im Vergleich zu Vollprofilen bis zu 50 % günstiger herzustellen sein“, so Weber. Doch Vollprofile bieten andere Vorteile. Sie lassen sich problemlos schräg schneiden und benötigen selbst bei geradem Schnitt keine spritzgegossenen Endkappen. Dafür präsentierte Battenfeld-Cincinnati jüngst im Rahmen der 9. Wood Plastic Composite-Konferenz in Wien einen parallelen Doppelschnecken-Extruder Fiberex 114.
Eine andere Herausforderungen bei der Verarbeitung von WPC ist der signifikante Verschleiß der Maschinen und das niedrige Schüttgewicht der Granulate. Meist werden die Composites direkt vor der Extrusion gemischt. „Eine produktionstaugliche WPC-Verarbeitung zeichnet sich zum einen durch die Interaktion zwischen Material, Extruder und Werkzeug sowie durch Verschleißschutz aus, um die abrasive Wirkung des WPC zu reduzieren“, so Michael Finkenzeller, Produktmanager Nachwachsende Rohstoffe bei Krauss Maffei Berstorff, München. „Es gilt explizit, ein Augenmerk auf das Verschleißverhalten der Verfahrenseinheit während des Anfangsstadiums zu richten.“ Gegen den Verschleiß statte Krauss Maffei Berstorff die Schnecken mit einer Wolframkarbid-Panzerung aus. Im Zusammenspiel mit der Bimetall-Buchse im Zylinder werde somit die Langlebigkeit der Verfahrenseinheit sichergestellt.
„In den letzten zwälf Monaten haben wir vermehrt festgestellt, dass viele Verarbeiter von der ursprünglich gängigen Technologie der konischen Doppelschneckenextruder nun aufgrund der dadurch implizierten Verschleißproblematik vermehrt die parallelen Doppelschneckenextruder anfragen“, erläutert Finkenzeller. Doch Sonja Kahr, Product Manager, Division Construction, Battenfeld-Cincinnati, Wien, Österreich ergänzt: „Je nach Rohmaterialqualität kann mit konischen und parallelen Maschinen dieselbe Maschinenverfügbarkeit erreicht werden. Wir setzen für das Abführen der mit der Naturfaser verbundenen Restfeuchte ein spezielles Vakuumsystem ein. Die Feuchtigkeit stellt die Entgasungssysteme vor andere Herausforderungen als beispielsweise in der PVC Verarbeitung. WPC sind friktionsempfindliche Materialien, deren Verarbeitungsfenster enger sind als bei anderen Kunststoffen.“ Und sie erklärt weiter: „Ein anderes Problem ist das niedrige Schüttgewicht und die mangelnde Rieselfähigkeit des Rohstoffs, was die Dosierung sowie Einzug in den Extruder erschwert.“ Langfasern seien beispielweise schwerer dosierbar und zögen sehr schwer und nicht ohne speziell adaptiertes Equipment in den Extruder ein, meint der Experte von Krauss Maffei Berstorff.
„Außerdem kann es durch den Extrusionsprozess zu Faserlängenbeeinflussung kommen. Lange Fasern begünstigen auch die Ausbildung von Nestern und Agglomeraten, was zu Inhomogenitäten im Endprodukt führen kann.“ Wichtig hierbei sei die komplexe Materialaufbereitung, inklusive Vermahlung und Siebung. „Ein weiteres Thema ist die Coextrusion, wo bestehende Anlagen mit einer Coextrusionsanlage ausgerüstet werden“, weiß Sonja Kahr, Battenfeld-Cincinnati. Außerdem sei ein Trend zum zwei-stufigen Verarbeitungsprozess zu beobachten. „Dadurch konnte das EUR h/kg-Verhältnis stark reduziert werden. Mit Granulat als Ausgangsstoff sind höhere Ausstöße sowie eine größere Prozessstabilität erreichbar“, bestätigt Kahr. Und Finkenzeller erklärt weiter: „Wir beobachten auch ein Umdenken hinsichtlich der Verarbeitungstechnologien. Unserer Erfahrung nach setzten die meisten Verarbeiter früher auf den Prozess der Direktextrusion, wobei eine Abweichung der Eingangsgrößen, beispielsweise große Unterschiede in der Restfeuchte der Faser, einen direkten Einfluss auf die optischen und mechanischen Eigenschaften des Ausgangsprodukts zur Folge hatte. Mittlerweile wird der Zwei-Stufenprozess favorisiert, da hierbei ein homogenes Material, mit einer Restfeuchte kleiner 1,5 %, als Grundlage für eine konstante Profilextrusion vorausgesetzt wird.“
Optimierungspotenzial in dem Produktionsprozess sieht man auch bei Battenfeld-Cincinnati in der Materialaufbereitung, da diese den Grundstein für eine prozesssichere Weiterverarbeitung lege. „Im Bereich Profilextrusion – vor allem im Hochleitungssegment, also größer 800 kg – führen adaptierte Entgasungskonzepte zu einer Produktivitätssteigerung“, ergänzt Kahr. Auch Finkenzeller sieht hier noch Möglichkeiten: „Zur Gestaltung eines nahezu perfekten Material-Wirkungsgrades ist es sinnvoll, den beim Anfahren entstandenen WPC-Ausschussware zu vermahlen und dem Prozess wieder zuzuführen oder separat als Nebenprofil, zum Beispiel als Unterkonstruktion, zu verarbeiten.“
Verarbeitung im Spritzguss
Die Produktpalette lässt sich durch die Verarbeitung im Spritzguss deutlich erweitern. Mit dem Spritzguss-Verfahren lassen sich für größere Bauteile in einer sehr kurzen Zykluszeit höhere Wandstärken realisieren, so die WPC-Beraterin Eder. „Anwendungen im Möbelbereich wurden vor allem von der Firma Werzalit, Oberstenfeld, mit WPC Granulat S2 schon seit über 10 Jahren realisiert.“ Außerdem können die WPC-Teile früher entformt werden, wodurch sich die Zykluszeit verkürzen lässt, meint Wolfgang Roth, Leiter der Anwendungstechnik bei Wittmann Battenfeld, Kottingbrunn, Österreich: „Durch diese kürzeren Zykluszeiten ist eine Energiereduktion pro Einheit erzielbar.“ Und Carus prognostiziert: „Werden Kunststoffe mit Holzmehl statt Talkum gefüllt, so ergeben sich bessere mechanische Eigenschaften in Bezug auf Steifigkeit und Formstabilität bei Wärme. Hier schlummert ein Materialriese.“ In Bezug auf die Prozesskosten, sinken diese erheblich im Vergleich zu Produkten, die herkömmlich aus Holz gefertigt werden. „Der Spritzgießprozess liefert spanlos und ein einem Arbeitsschritt einsatzfertige Bauteile“, weiß Peter Pokorny, Leiter der Anwendungstechnik bei Engel Austria, Schwertberg, Österreich. Kunststoffverarbeiter, die auf ihren Spritzguss-Anlagen WPC verarbeiten wollen, können den vorhandenen Maschinenpark umrüsten.
„Das vereinfacht den Einstieg in dieses Anwendungsgebiet und hält die Investitionskosten niedrig. Die Modifikation betrifft die Plastifiziereinheit. Um Farbveränderungen des Rohstoffs zuverlässig entgegenzuwirken, finden für die Verarbeitung von WPC-Plastifizierschnecken mit einer langen Kompressionszone Einsatz, die mit einer vergleichsweise geringen Kompression arbeiten. Zudem benötigt die WPC-Verarbeitung korrosionsbeständige Stähle für die Schnecken, die Heißkanäle und Werkzeuge. Da es sich meistens um große Bauteile handelt, dominieren in diesem Segment Engel Duo Maschinen“, erläutert Gerhard Bäck, Technologieentwicklung, Technologiezentrum für Leichtbau-Composites, Engel Austria, St. Valentin, Österreich. Und so schätzt es auch der Experte Jürgen Schray, AWT-Beratung, Arburg, Loßburg, ein: „Abhängig vom Füllstoffanteil des Werkstoffs müssen lediglich das Kompressionsverhältnis der Schnecke sowie die Geometrie der Rückstromsperre abgestimmt werden. Zum Schutz der Naturfasern werden die Zylindertemperaturen niedriger gewählt als bei der Kunststoffverarbeitung. Eine solche Maschine haben wir zum Beispiel bei den Arburg Technologie-Tagen 2013 präsentiert.
Dort wurde Naturfaser mit Celluloseacetat zu einer Stapelbox verarbeitet.“ Hauptaugenmerk müsse bei der Verarbeitung des Composites auf die Materialförderung, die Dosierung, die Qualität der Materialien sowie deren Feuchtigkeitsgehalt und das Werkzeug gelegt werden, ergänzt Roth. Da die Composites hygroskopisch sind, erfordert die Lagerung und Trocknung einen erhöhten Aufwand. Und Pokorny meint: „Da die Trocknung bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen erfolgen muss und entsprechend lange dauert, empfiehlt es sich, bereits getrocknetes, eingeschweißtes Rohmaterial direkt mittels Inline-Trocknung zu verarbeiten und den Feuchtegehalt vor der Verarbeitung zu messen. Verbleibende Restfeuchte kann neben „aufgeblähten“ Teilen mit Oberflächenfehlern auch einen korrosiven Angriff auf die schmelzeführenden Metallteile verursachen.“
Beratung unerlässlich
Für den Kunststoffverarbeiter, der den Einsatz von WPC in Betracht zieht, wird seitens der Maschinenbauer einige Unterstüztung geleistet. Und eine umfassende Information bei kompetenten Beratern ist dringend anzuraten, meint Carus: „Es liegen bereits erhebliche Erfahrungen vor, die man nutzen sollte. In Deutschland haben wir das Glück, dass alle zwei Jahre der weltgrößte WPC-Kongress in Köln stattfindet – mit der größten WPC-Ausstellung der Welt. Im Dezember 2013 ist es wieder soweit.“ „Alle führenden Dienstleister und Berater werden dort auch ausstellen. Beratung bieten sowohl Europäische Compounder, Maschinen Hersteller als auch Forschungsinstitutionen. Mein Ansatz geht aus dem Marktbedürfnis heraus, damit die Produktentwicklung nicht am Markt vorbei geht. Workshops und Marktdaten stelle ich zur Verfügung. Ich unterstütze auch bei der Suche nach den richtigen Partnern“, bietet Asta Eder an.
Technik im Detail
Qualiätssiegel für WPC-Dielen
Gerade bei WPC stellen die Nutzer hohe Ansprüche an die Qualität der Produkte. Hier unterstützt die Einführung eines neuen Gütesiegels von der Qualitätsgemeinschaft Holzwerkstoffe e.V., Gießen, zu Beginn dieses Jahres. Der Verband hat einige Prüfkriterien entwickelt und vergibt das Gütesiegel für WPC-Terassendielen, dessen Holzanteil mindestens 50 % oder mehr erreichen und aus nachhaltiger Forstwirtschaft stammen muss. Andere Naturfasern, wie Reishülsen oder Bambus sind nicht zugelassen. Das ergänzende Polymer muss aus sortenreinem Kunststoff bestehen.
www.qg-holzwerkstoffe.de
Experten-Tipp
Die Firma Asta Eder Composites Consulting, Wien, Österreich, bietet Know-how zu Methoden der Marktforschung, um eine erfolgreiche Markteinführung bereits während der Entwicklungsphase des WPC-Produkts sicherzustellen. Kontakt: Tel. +43 676 363 14 55,
E-Mail: asta.eder@wpc-consulting.eu.
Das Nova-Institut im Chemiepark Knapsack, Hürth, verfügt in Forschung und Entwicklung Kontakte innerhalb der globalen Industrie- und Forschungsnetzwerke. Kongressmanagement, ein Fachportal für bio-basierte Ökonomie, der Biowerkstoff-Report und der Branchenführer iBIB gehören zu den Leistungen. Kontakt:
Tel. +49 2233 481440, E-Mail: contact@nova-institut.de
