Rezyklate prozessstabil verarbeiten

Prozesstechnologien zur Herstellung von Mehrschicht- und Mehrkomponentenprodukten wie das neue Skinmelt-Verfahren von Engel machen es möglich, aufbereitete Kunststoffabfälle auch für Kunststoffteile, die besonders hohe Anforderungen an die Oberflächengüte, den Produktschutz oder die Verbrauchersicherheit stellen, verstärkt einzusetzen. Der Schlüssel: Das Rezyklat befindet sich im Bauteilinneren, während die Oberfläche aus Neuware gefertigt wird. Im Gegensatz zu bisherigen Verfahren zur Herstellung solcher Sandwichprodukte erreicht Skinmelt auch bei komplexen Bauteilgeometrien hohe Rezyklatanteile. So weisen die ersten in diesem Verfahren produzierten Transportboxen bereits einen Rezyklatanteil von rund 50 % auf. Bei beiden verarbeiteten Materialien – Rezyklat und Neuware – handelt es sich um Polypropylen. Die Sortenreinheit stellt sicher, dass auch die Sandwichprodukte am Ende ihrer Nutzungsdauer wieder leicht recycelt werden können.

Spritzgießmaschine mit kleinem Footprint

Im Gegensatz zur klassischen Coinjektion werden im Skinmelt-Verfahren die beiden Schmelzen bereits vor dem Einspritzen nacheinander im Haupteinspritzzylinder geschichtet. Als erstes erreicht das Hautmaterial, die Neuware, die Kavität. Diese wird vom nachströmenden rezyklierten PP verdrängt und an die Wandung der Kavität gepresst, während sich der Kern mit Rezyklat füllt. Der erzielbare Rezyklatanteil wird wesentlich von der Formteilgeometrie und dem Füllbild der Kavität bestimmt. Dabei spielt die gewählte Anspritzposition und das Viskositätsverhältnis von Haut- und Kernmaterial eine große Rolle.

Um auch bei einem hohen Rezyklatanteil die Stabilität und Maßhaltigkeit des Produkts sicherzustellen, ist eine sehr gute Reproduzierbarkeit des Verarbeitungsprozesses erforderlich. Engel hat dafür eine besonders kompakte Fertigungslösung auf Basis einer Duo Zweiplatten-Spritzgießmaschine entwickelt. Bei der Duo 3660H/1560W/450 combi, die gezielt für die Fertigung der Transportboxen ausgelegt wurde, befindet sich die zweite Plastifiziereinheit für das Hautmaterial in spitzabgewinkelter Position oberhalb der horizontalen Spritzeinheit, in der das Rezyklat aufgeschmolzen wird. Diese Bauweise ist besonders platzsparend. Ein weiteres Alleinstellungsmerkmal der Engel-Lösung ist die übersichtliche Visualisierung und Animation des Gesamtprozesses in der CC300 Steuerung der Spritzgießmaschine. Das Mischungsverhältnis lässt sich besonders einfach einstellen, um den Rezyklatanteil zu optimieren.

Stabilitätstests erfolgreich bestanden

Der Skinmelt-Prozess wird in der Maschinensteuerung übersichtlich visualisiert und animiert. Auf diese Weise lässt sich das Mischungsverhältnis besonders einfach einstellen, um den Rezyklatanteil zu optimieren.

Zur Bestätigung der Gebrauchstauglichkeit wurden die Skinmelt-Boxen Stapeldruckversuchen unterzogen. Um die Messergebnisse bewerten zu können, wurden zum Vergleich geometrisch identische Transportboxen ohne Sandwichaufbau, die zum einen vollständig aus Neuware und zum anderen vollständig aus Rezyklat gefertigt wurden, getestet.

Interessanterweise erreichten dabei jene Boxen, die vollständig aus Rezyklat bestehen, die mit Abstand höchsten Maximalkraft- und Stauchungswerte. Allerdings zeigte sich, dass beim Einsatz von aufbereiteten Kunststoffabfällen mit großen Streuungen der Eigenschaften gerechnet werden muss. Die Skinmelt-Boxen mit Sandwichaufbau zeigen analog zu den Boxen, die vollständig aus Rezyklat bestehen, zwar eine leichte Tendenz zu einer höheren Streuung, ihre Stabilität ist jedoch nahezu identisch mit der Stabilität der vollständig aus Neuware produzierten Boxen. Der Grund hierfür liegt mit hoher Wahrscheinlichkeit am vergleichsweise geringen Rezyklatanteil in den stabilitätsgebenden Verstärkungsrippen. Diese stellen das Fließwegende dar und sind daher überwiegend mit Hautmaterial gefüllt. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass sich für die Herstellung der untersuchten Stapelboxen – zumindest im Hinblick auf die Stapeleigenschaften – auch ein weniger leistungsfähiges und entsprechend günstigeres Rezyklat als Kernkomponente einsetzen lässt.

Für Anwendungen mit besonders komplexen Lastprofilen kommt es – ähnlich wie bei der Auswahl und Abstimmung von Haut- und Kernkomponente – auf das Teamwork in den Entwicklungskonsortien an. Aufgrund der individuellen Modifizierbarkeit des Hautmaterials sind mit dem Skinmelt-Sandwichspritzgießen selbst Anwendungen im Lebensmittelbereich möglich.

Unterschiedlich aufbereitete Regranulate im Stresstest

Um das Potenzial der intelligenten Assistenzsysteme für die Kreislaufwirtschaft fundierter bewerten zu können, hat Engel gemeinsam mit dem Recyclingspezialisten Erema die Wirksamkeit von IQ Weight Control bei der Verarbeitung von rezykliertem Polypropylen genauer untersucht. Ausgangsmaterial für die Rezyklate waren Geotextilien, die als Baustellenvliese im Einsatz waren und entsprechend starke Verunreinigungen aufwiesen. Die Textilien wurden gereinigt, aufgearbeitet und regranuliert.

Um realistische Bedingungen simulieren und Chargenwechsel durchführen zu können, kamen unterschiedliche Kombinationen von Recyclingtechnologien und Verarbeitungsparametern zum Einsatz. Die resultierenden Regranulate hatten unterschiedliche Melt-Flow-Indizes (MFI) und wiesen beim Verarbeiten entsprechend unterschiedliche Eigenschaften auf. Es wurden unter anderem verzweigte Stufenplatten aus zwei verschiedenen Rezyklaten produziert. Die Wanddicken variierten zwischen 0,5 und 3 mm, wobei sich die dünnsten Bereiche am Fließwegende befanden. Eines der Materialien wurde als Referenz definiert. Beim Wechsel vom Referenzmaterial auf das andere Rezyklat zeigte sich, dass ohne die intelligente Prozessregelung das Schussgewicht deutlich abfällt und die Kavität nicht mehr vollständig gefüllt wird. Beim Einschalten von iQ Weight Control wurde das Schussgewicht in den Bereich der mit dem Referenzmaterial erzielten Werte angehoben, und es wurden durchgehend Gutteile produziert.

Untermauert wurde dieses Ergebnis durch die Analyse der aufgezeichneten Forminnendruckverläufe. Es zeigte sich, dass die Anpassung des Umschaltpunkts und der Nachdruckhöhe zu annährend identischen Forminnendruckverläufen für das Referenz- und das Vergleichsmaterial führt.

Intelligentes Assistenzsystem im Praxistest

Eine Versuchsreihe mit Musterteilen zeigt das große Potenzial der intelligenten Assistenz für die Rezyklatverarbeitung auf. Ohne IQ Weight Control wird die Kavität nach dem Chargenwechsel nicht vollständig gefüllt. Mit dem Assistenzsystem dagegen werden durchgehend Gutteile produziert.

In der Herstellung von Boxen und Behältern aus aufbereiteten Post-Consumer-Abfällen findet das intelligente Assistenzsystem IQ Weight Control von Engel bereits Einsatz. Die Herausforderung in der Praxis liegt in den starken Schwankungen der Rezyklateigenschaften. Sowohl die Art und Stärke der Verschmutzung der Kunststoffabfälle als auch das Verfahren, mit dem die Abfälle gereinigt, aufbereitet und regranuliert werden, nehmen indirekt oder direkt Einfluss. Hinzu kommt, dass die meisten Produzenten ihre Wertstoffe von mehreren Anbietern aus unterschiedlichen Regionen beziehen, wodurch sich zusätzlich sowohl regionale als auch saisonale Unterschiede in der Zusammensetzung ergeben können.

Im Vergleich zu Neuware ist beim Einsatz von Post-Consumer-Rezyklaten mit stärkeren Schwankungen der Viskosität der Kunststoffschmelze zu rechnen. Mit IQ Weight Control werden selbst gravierende Schwankungen im Rohmaterial erkannt und das Einspritzprofil, der Umschaltpunkt und der Nachdruck für jeden Schuss einzeln an die aktuellen Produktionsbedingungen angepasst. Auf diese Weise wird eine konstante Einspritzmenge erzielt und höchste Produktivität gesichert.

Mit der Herstellung von Musterteilen aus 100 % rezykliertem ABS macht Engel die Herausforderung transparent (Grafik). Zur Demonstration werden Materialchargen unterschiedlichen Ursprungs in kurzen Abständen gewechselt. Auf dem CC300 Display der Spritzgießmaschine lässt sich verfolgen, wie IQ Weight Control die Verarbeitungsparameter an die veränderte Schmelzeviskosität anpasst. Mit dem Assistenzsystem werden schon ab dem ersten Schuss nach dem Chargenwechsel Gutteile produziert. Wird es deaktiviert, so werden die Bauteile nach dem Materialwechsel nicht mehr vollständig gefüllt.

Mit der Steigerung der Prozessstabilität leisten intelligente Assistenzsysteme einen wesentlichen Beitrag zum Aufbau einer Kreislaufwirtschaft für Kunststoffe. Sie machen es möglich, Rezyklate auch für anspruchsvolle Anwendungen, die bislang zwingend Neuware erforderten, einzusetzen.