Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Ausgangsmaterial f\u00fcr die Herstellung von Kunststoff-Formteilen ist im Regelfall ein Kunststoffgranulat (mittlerer Korndurchmesser 4 – 6 mm), welches durch Energiezufuhr vollst\u00e4ndig aufgeschmolzen und in diesem Zustand ausgeformt und anschlie\u00dfend durch W\u00e4rmeabfuhr bis zur Erstarrung abgek\u00fchlt und dann entformt werden kann. Die erforderliche Abk\u00fchl- oder Formstandzeit steigt mit der Wandst\u00e4rke des Formteils exponentiell an. Ziel des Projektes war es, nur durch Anschmelzen der Oberfl\u00e4che des Granulatkornes den W\u00e4rmebedarf beim Formproze\u00df zu senken und durch einen inneren W\u00e4rmeaustausch zwischen schmelzfl\u00fcssiger Oberfl\u00e4che und kaltem Granulatkern die Formstandzeit erheblich zu reduzieren.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Entwicklungsarbeiten zur Herstellung von Kunststoff-Formteilen aus oberfl\u00e4chlich angeschmolzenem Kunststoffgranulat teilen sich in folgende Arbeitsschritte auf:
\n– Zusammenstellung der thermodynamischen Grundlagen bez\u00fcglich der W\u00e4rme\u00fcbertragung durch instation\u00e4re W\u00e4rmeleitung in einem ruhenden kugelf\u00f6rmigen Granulatkorn.
\n– Erarbeitung thermodynamischer und str\u00f6mungsmechanischer Ans\u00e4tze bei der instation\u00e4ren W\u00e4rme\u00fcbertragung in einem hei\u00dfdampf- oder hei\u00dfluftdurchstr\u00f6mten Granulathaufwerk unter Anwendung mathematischer Iterationsmethoden. – Bau eines Versuchsreaktors f\u00fcr die gleichm\u00e4\u00dfige, oberfl\u00e4chliche Anschmelzung eines kontinuierlich zugef\u00fchrten Kunststoff- granulates zur experimentellen \u00dcberpr\u00fcfung der erforderlichen Druckdifferenz f\u00fcr das Heizmedium in Abh\u00e4ngigkeit von der zugef\u00fchrten Granulatmenge pro Zeiteinheit, der Granulatsch\u00fctth\u00f6he, der Heizmediumtemperatur, des Granulatkorndurchmessers etc. auf der Basis der theoretisch ermittelten Kenndaten.
\nF\u00fcr die Ermittlung der thermodynamischen und str\u00f6mungsmechanischen Grundlagen ist neben der instation\u00e4ren W\u00e4rmeleitung auch der Einflu\u00df des instation\u00e4ren Heizmediumgeschwindigkeitsverlaufes im angeschmolzenen Granulathaufwerk zu ber\u00fccksichtigen.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Es konnte theoretisch wie experimentell nachgewiesen werden, da\u00df es f\u00fcr die Hauptparameter Anstr\u00f6mgeschwindigkeit und Temperatur des Heizmediums (z. B. Luft), H\u00f6he der Granulatsch\u00fcttung, Granulatkorngr\u00f6\u00dfe, zugef\u00fchrte Granulatmenge pro Zeiteinheit etc. ein Anwendungsfenster existiert, in dem im industriellen Ma\u00dfstab dickwandige Kunststoff-Formteile mit einer homogenen Materialstruktur unter erheblicher Energie- und Fertigungszeiteinsparung hergestellt werden k\u00f6nnen. <\/p>\n
Anzumerken ist, da\u00df bereits in den ersten Vorversuchen wie auch in den Anf\u00e4ngen der fundierten experimentellen Untersuchungen im Projektma\u00dfstab die Machbarkeit der Verfahrensidee einschlie\u00dflich der technischen Umsetzung des Verfahrens nachgewiesen werden konnte. Es zeigte sich jedoch sehr bald, da\u00df das Experiment allein bei der Verfahrensentwicklung wegen der komplizierten gegenseitigen Einflu\u00dfnahme der Hauptparameter nicht ausreichte. Es waren daher umfangreiche Vorarbeiten auf dem Gebiet der Thermodynamik und Str\u00f6mungsmechanik erforderlich. <\/p>\n
In der einfach aufgebauten Versuchsapparatur ist gezeigt worden, da\u00df eine Endlosplatte z. B. aus einem Polyolefin mit einer Enddicke von 22 mm, bei einer Anstr\u00f6mgeschwindigkeit von ca. 10 m\/s und einer Lufttemperatur von 260\u00b0C mit 3 cm\/s aus dem Versuchsreaktor gezogen werden kann. Die Heizzeit der Sch\u00fcttung betr\u00e4gt 5 s und der notwendige Pre\u00dfdruck in der nachgeschalteten Doppelbandpresse kann auf 5 bar begrenzt bleiben. Die Plattenbreite ist beliebig und wird durch die Abmessungen des Versuchsreaktors und der Doppelbandpresse begrenzt. Die Plattendicke ist ebenfalls bei unver\u00e4nderter Abzugsgeschwindigkeit w\u00e4hlbar und wird durch eine Mehrstufenanordnung des Reaktors erreicht. Dieses Mehrlagensystem gestattet z. B. den Einbau von Festigkeitstr\u00e4gern in das Fertigprodukt oder die Verwendung von Recyclaten im Platteninneren. Die Materialkennwerte der Plattenware liegen z. B. f\u00fcr die Kerbschlagz\u00e4higkeit und f\u00fcr die Bruchdehnung bis zu 20 % \u00fcber den Angaben der Materialhersteller, sicherlich beeinflu\u00dft durch die kurzzeitige thermische Belastung des Thermoplasten.<\/p>\n
Aus \u00f6konomischer Sicht eignet sich das Fertigungsverfahren nur f\u00fcr Formteile mit einer Mindestwandst\u00e4rke von 10 mm – 15 mm, da f\u00fcr d\u00fcnnwandige Formteile die herk\u00f6mmlichen Fertigungszeiten nur geringf\u00fcgig zu unterbieten sind. Aus \u00f6kologischer Sicht \u00fcberzeugt die drastische Reduzierung des W\u00e4rmebedarfs beim Umformproze\u00df und damit die Einsparung an Heizenergie. Der mittlere Energiebedarf bei den beschriebenen Anschmelzverfahren betr\u00e4gt 0,072 kWh\/kg Thermoplast (z. B. PE oder PP). Herk\u00f6mmliche Fertigungsverfahren wie z. B. die Kombination von Aufschmelz-Extruder und Formpressen ben\u00f6tigen unter Vernachl\u00e4ssigung s\u00e4mtlicher W\u00e4rmeleitungs-, Strahlungs- und Konvektionsverluste mindestens 0,9 kWh\/kg. Hierdurch ist eine Reduzierung des Energiebedarfs um den Faktor 12 bis 14 erreicht. Dieser Einsparungseffekt ist zun\u00e4chst aufgrund der Voruntersuchungen nicht erwartet worden.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Im Laufe der Verfahrensentwicklung sind insgesamt 9 Patentanmeldungen ver\u00f6ffentlicht worden, davon sind zwischenzeitlich nach sorgf\u00e4ltiger Pr\u00fcfung bereits 8 Patente erteilt worden. Es existieren bereits enge Kontakte mit mittelst\u00e4ndischen Unternehmen sowohl auf der Anwenderseite als auch auf der Seite der Anlagenbauer. Es wird kurzfristig beabsichtigt, die wesentlichen Untersuchungsergebnisse in einer Fachzeitschrift zu ver\u00f6ffentlichen.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die in dem Projekt erarbeiteten Ergebnisse zeigen, da\u00df unter Ausnutzung der geringen W\u00e4rmeleitf\u00e4higkeit eines Thermoplastes es gelingt, Kunststoffgranulat im Haufwerk mit einem geeigneten Heizmedium bei hoher Temperatur und geeignetem Vordruck innerhalb weniger Sekunden oberfl\u00e4chlich anzuschmelzen, so da\u00df sich unter anschlie\u00dfendem Pre\u00dfdruck das noch por\u00f6se Haufwerk homogen zusammenpressen l\u00e4\u00dft. Der W\u00e4rmeaustausch zwischen schmelzfl\u00fcssiger Oberfl\u00e4che und dem noch kalten Kern eines jeden Granulatkornes f\u00fchrt dazu, da\u00df sich innerhalb weniger Minuten im gepre\u00dften Haufwerk unabh\u00e4ngig von der Schichth\u00f6he eine kalorische Mitteltemperatur einstellt, bei der das Werkst\u00fcck entformt werden kann. Dabei kann der Gesamtenergiebedarf im Vergleich zu herk\u00f6mmlichen Formpre\u00dfverfahren um einen Faktor \u009b 10 reduziert werden. Das Verfahren ist industriell anwendbar.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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