Wie lässt sich das Verarbeiten von Rezyklaten optimieren?

Der Green Deal impliziert eine verschärfte Richtlinie bezüglich der Nachhaltigkeitsberichterstattung von Unternehmen (CSR-Richtlinie) und spezifische Vorgaben zur Zirkularität in verschiedenen Industriezweigen. Ein Beispiel hierfür ist die Automobilindustrie, die mit den bevorstehenden Regelungen für Altfahrzeuge konfrontiert wird. Es wird gefordert, dass mindestens 25 % des in Neufahrzeugen verwendeten Kunststoffs aus recycelten Quellen stammen müssen, wovon wiederum 25 % aus Closed-Loop-Materialien bestehen sollen.

Die Implementierung von Kreislaufwirtschaftskonzepten wird signifikante Auswirkungen auf den Kunststoffsektor haben und sowohl Herausforderungen als auch Möglichkeiten generieren. Angesichts des steigenden Bedarfs an recycelten Kunststoffen und der begrenzten Verfügbarkeit hochwertiger Rohstoffe müssen die Verarbeiter ihre Prozesse anpassen, um alternative Materialströme zu integrieren und gleichzeitig die Endproduktqualität zu gewährleisten. Dies erfordert die Fähigkeit, Materialien mit variierender Qualität zu verarbeiten, die aufgrund der Verfügbarkeit recycelter Rohstoffe möglicherweise notwendig ist.

Die Implementierung der Nachhaltigkeitsrichtlinien der Europäischen Union stellt eine Reihe von Herausforderungen für Unternehmen dar. Es bedarf einer umfassenden Analyse und Anpassung der Produktionsprozesse, um den neuen Vorschriften gerecht zu werden. Die verstärkte Verwendung von recycelten Materialien stellt dabei zweifellos einen bedeutenden Schritt in Richtung Nachhaltigkeit dar. Jedoch birgt die Integration dieser Materialien in die Produktionsprozesse der Kunststoffindustrie signifikante Herausforderungen. Die heterogene Natur von recycelten Materialien, insbesondere mit Blick auf die zunehmende Verwendung von Post-Consumer-Rezyklaten (PCR), führt häufig zu Unsicherheiten bezüglich der Endqualität der Bauteile. Materialschäden und inkonsistente Qualitätsniveaus von Charge zu Charge, Sack zu Sack oder sogar innerhalb einer Tankfüllung können im Vergleich zu Neuware zu erheblichen Abweichungen im Spritzgussprozess führen. Ein konkretes Beispiel hierfür ist die Molekülkettenlängenverteilung eines Kunststoffs, die maßgeblich von der Historie und den Verarbeitungsparametern des Materials abhängt und direkten Einfluss auf die Fließeigenschaften hat. Diese Veränderungen können zu ineffizienten Prozessen mit erhöhten Ausschussraten und Schwierigkeiten bei der Erreichung der gewünschten Bauteilqualität führen. Daher ist es entscheidend, diese Aspekte in der Prozessführung zu berücksichtigen.

Zusätzlich gestaltet sich die Detektion von Abweichungen im Formgebungsprozess mit recycelten Materialien als anspruchsvoller, da die Überwachungspunkte primär auf die Phasen der Materialvorbereitung, Zuführung und nachträglichen Qualitätskontrolle (QA) beschränkt sind. Das Fehlen von Echtzeit-Feedback und Materialüberwachung im Werkzeug sowie während des Kavitätsfüllvorgangs erschwert die unmittelbare Identifizierung und Behebung von Problemen.

Bisher waren die Möglichkeiten zur Materialanalyse begrenzt. Lieferanten von Materialien arbeiten bereits intensiv daran, die Qualität von recycelten Materialien durch präzise Sortier- und Reinigungsprozesse zu verbessern. Obwohl dieser Ansatz vielversprechende Ergebnisse gezeigt hat, wird es angesichts der steigenden Nachfrage nach recycelten Materialien und alternativen Feedstocks herausfordernd sein, eine konstant hohe Bauteilqualität zu gewährleisten, ohne zusätzliche Maßnahmen zu ergreifen.

Auch die Hersteller von Maschinen sind aktiv und arbeiten an der Entwicklung von Technologien zur Optimierung der Verarbeitung von recycelten Materialien. Der Fokus liegt dabei hauptsächlich auf der Anpassung des Schussgewichts und des Maschinendrucks, um eine gleichmäßige Dosierung in das Werkzeug sicherzustellen. Sobald das Material jedoch in die Formkavität gelangt, wird die Überwachung und Kontrolle deutlich komplexer. Innendrucksensoren bieten zwar einige Einblicke, ihre Effektivität ist jedoch auf die frühen Phasen des Formprozesses beschränkt. Sobald die erste Kunststoffschicht erstarrt und die sogenannte „Frozen Skin“ entsteht, werden sie weniger empfindlich oder "blind" und können nicht tiefer in das Bauteil eindringen.

Die dielektrische Analyse (DEA) stellt eine hochmoderne Messtechnik dar, welche es ermöglicht, Materialien anhand ihrer elektrischen Eigenschaften präzise zu charakterisieren. Hierbei erfolgt die Erfassung der Molekülkettenbeweglichkeit innerhalb eines Werkstoffs als Reaktion auf ein angelegtes Wechselstromfeld. Durch die Integration von DEA-Sensoren direkt in die Werkzeugausstattung können Echtzeitdaten über die Materialeigenschaften während des Formgebungsprozesses bereitgestellt werden. Diese kontinuierliche In-situ-Überwachung des Polymermaterials im Inneren des Bauteils eröffnet die Möglichkeit, mittels DEA-Technologie diverse Herausforderungen im Umgang mit recycelten Materialien zu bewältigen. Insbesondere können Abweichungen im Erstarrungs- und Kristallisationsverhalten aufgrund von Materialschädigungen und -zusammensetzungen präzise identifiziert werden. Die Detektion und Analyse von Abweichungen wird mittels speziell trainierter Software-Algorithmen durchgeführt, welche die Disziplinen Materialwissenschaft und Maschinenparameter miteinander verknüpfen.

Das Sensxpert Digital Mold System von Netzsch Process Intelligence präsentiert eine Lösung, die Sensordaten, Maschinenparameter, Materialwissenschaft und Machine Learning vereint, um die Kunststoff-Produktionsprozesse kontinuierlich zu überwachen und zu steuern. Zu den Schlüsselfunktionen zählen die Echtzeit-Erkennung von Abweichungen und die dynamische Anpassung des Prozesses. Diese Fähigkeiten gewährleisten eine sofortige Erkennung von Materialverhalten-Abweichungen und ermöglichen ein entsprechendes Gegensteuern, um eine konstante Bauteilqualität zu gewährleisten. Sensxpert fungiert als zentrale Steuereinheit, die Druck-, Temperatur- und Dielektrik-Sensordaten, Maschinenparameter und Materialwissenschaft zusammenführt und dem Anwender als Co-Pilot zur Seite steht.

Für Hersteller von Kunststoffprodukten stellt die Technologie einen signifikanten Fortschritt dar, um die Produktionsleistung zu steigern. Durch die Minimierung von Defekten und Ausschussraten wird eine konstante Bauteilqualität sichergestellt. Zudem ermöglicht sie eine umfassende Datentransparenz, die die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften gewährleistet. Auf diese Weise können recycelte Materialien effizient verarbeitet werden.

Mit dem Ziel, einen Gesamtblick auf technologische Lösungen zu liefern und Industrie-Erfahrungswerte entlang der Wertschöpfungskette von Kunststoffen zu vereinen, haben sich folgende Firmen zu Avidens zusammengeschlossen:

• Das auf Materialwissenschaft, Sensorik und künstliche Intelligenz in der Kunststoffindustrie spezialisierte Unternehmen Sensxpert
• Die Experten für Kunststofftechnik und Verarbeitung Schwarz Plastics Solutions
• Netzsch Analyzing & Testing
• Sowie der Präzisionsformenbauer Precupa

Des Weiteren haben sich der Kunststoffdistributor Meraxis, als Schwester des Kunststoffverarbeiters Rehau, und der Anbieter für Digitalisierungslösungen von Labordaten Labv der Kooperation angeschlossen. Durch die gezielte Kombination von Materialwissenschaft, Maschinendaten, Verarbeitungswissen und Prozessparametern die gemeinsam als Datensätze verwertet werden, können durch diesen Zusammenschluss praxisorientierte Lösungen für die Industrie angeboten werden – sei es als Dienstleistung im Technikum, als Equipment oder als Turn Key Lösung.