Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Die Herstellung von Gegenst\u00e4nden aus thermoplastischen Kunststoffen erfolgt heute durch vollst\u00e4ndiges Aufschmelzen des eingesetzten Kunststoffgranulates. Die erforderliche Energiemenge und die Abk\u00fchlzeit steigen mit zunehmender Wandst\u00e4rke eines Werkst\u00fcckes exponentiell an. Das Ziel des neuen Verfahrens ist es, den Energiebedarf und die Ausformzeit erheblich zu verringern, indem nur noch die Oberfl\u00e4chen der Gran\u00fclen im Haufwerk angeschmolzen werden. Auf diese Weise ist eine W\u00e4rmeabfuhr aus der Schmelzmasse nach au\u00dfen nicht mehr notwendig und die Prozesszeit reduziert sich auf eine kurze Zeitspanne zur Erzielung eines inneren Temperaturausgleichs in der Formmasse.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEin grundlegender Arbeitsschritt zur Erreichung des Projektzieles ist die mathematische und thermodynamische Berechnung der instation\u00e4ren W\u00e4rmeleitung in einem kugelf\u00f6rmigen Granulatkorn bzw. in einem Granulathaufwerk. Danach ist es m\u00f6glich, unter kurzfristiger Einwirkung eines Heizmediums die Granulatoberfl\u00e4chen anzuschmelzen, ohne dass der Granulatkern wesentlich aufgeheizt wird. Die Umsetzung dieses Anschmelzverfahrens soll in einem kontinuierlich arbeitenden Reaktor erfolgen, in dem das Granulat in einer definierten Schichth\u00f6he zwischen zwei Siebb\u00e4ndern gef\u00fchrt und vom Heizmedium durchsp\u00fclt wird. Die Entwicklung des Reaktors setzt Projektierungs-, Berechnungs- und Konstruktionsarbeiten voraus. Nach Fertigstellung des Reaktors einschlie\u00dflich der notwendigen Peripherie sowie der erforderlichen Rohrleitungen f\u00fcr die Heizmediumf\u00fchrung erfolgt die Versuchsarbeit. Als wichtigste Parameter f\u00fcr die Auslegung der Anschmelzvorrichtung werden die Heizmediumtemperatur, die Verweilzeit des Haufwerkes im Reaktor und die Schichth\u00f6he des Granulates angesehen. Das Versuchsprogramm soll den gegenseitigen Einfluss der Parameter offen legen und Grundlagen f\u00fcr die industrielle Anwendung des Verfahrens erarbeiten. Gleichzeitig sind die erzeugten Plastikteile in ihrem physikalisch\/mechanischen Verhalten (Zug-Dehnung, Kerbschlag etc.) zu untersuchen. Es wurde erwartet, dass der Energiebedarf gegen\u00fcber dem bisherigen Stand der Fertigungstechnik zur Herstellung dickwandiger Kunststoffteile (Wanddicke gr\u00f6\u00dfer als 30 mm) um den Faktor 10 – 14 reduziert werden kann. Die Fertigungszeit vermindert sich nach vorsichtiger Absch\u00e4tzung um den Faktor 3 – 6 je nach Materialdicke. Die Versuchsarbeiten werden in einem kooperierenden Fertigungsbetrieb durchgef\u00fchrt, in dem alle technischen Voraussetzungen f\u00fcr den Versuchsbetrieb vorhanden sind.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die vorliegenden Versuchsergebnisse und Materialuntersuchungen an den Probek\u00f6rpern aus Polypropylen, die nach dem Anschmelzverfahren hergestellt worden sind, zeigen, dass die Methode der partiellen Anschmelzung des Granulathaufwerkes beherrschbar ist und dass die mechanischen, optischen und physikalischen Stoffeigenschaften den in den Pr\u00fcfnormen festgelegten Anforderungen und vom Hersteller angegebenen Richtlinien entsprechen, gr\u00f6\u00dftenteils aber diese \u00fcbertreffen.
\nDieses ist darauf zur\u00fcckzuf\u00fchren, dass die thermische Belastung auf das Polymer bei dem neuen Verfahren zwar vergleichsweise hoch ist, jedoch nur einen Bruchteil der Zeit in Anspruch nimmt, die z. B. beim Extrusionsverfahren erforderlich ist. Bekanntlich resultiert eine thermische Sch\u00e4digung eines Kunststoffes aus dem Produkt Heizmediumtemperatur und Einwirkungszeit. Die praxisnahen Anschmelzversuche ergaben, dass bei der Zuf\u00fchrung der W\u00e4rmeenergie ein vorgegebenes Temperatur-Zeit-Fenster einzuhalten ist. Eine weitergehende Untersuchung zeigt, dass bei einem zu hohen Temperaturgradienten in der Polymerkugel w\u00e4hrend der instation\u00e4ren Aufheizphase in der Grenzfl\u00e4che zwischen aufgeschmolzener Kugelschale und kaltem Kern eine starke Kristallitbildung zu beobachten ist, die zu einer Materialverspr\u00f6dung f\u00fchren kann.
\nEs sind im Laufe der Versuchsarbeiten insgesamt vier g\u00e4ngige Polypropylentypen verschiedener Hersteller untersucht worden. Die zugeh\u00f6rigen Temperatur-Zeit-Fenster differieren nur in engen Grenzen voneinander. Der potentielle Anwender kann daher nach Vorlage der Versuchsergebnisse ohne gr\u00f6\u00dferen Versuchsaufwand das Verfahren im Produktionsbetrieb zum Einsatz bringen.
\nDie positiven Auswirkungen des Anschmelzverfahrens in den wirtschaftlichen, technischen und umweltentlastenden Aspekten lassen sich konkret an einem Beispiel im Produktionsprozess des Kooperationspartners nachweisen: Demnach wird f\u00fcr die Herstellung einer Kammerfilterplatte (60 kg Eigengewicht) aus Polypropylen eine Aufschmelzzeit im Extruder von 1080 Sekunden ben\u00f6tigt, das Anschmelzverfahren verarbeitet diese Polymermasse in nur 40 Sekunden. Der Energiebedarf f\u00fcr die Formtemperierung nach dem alten Verfahren berechnet sich zu 165.960 kJ, das neue Verfahren ben\u00f6tigt 24.890 kJ. In beiden Verfahren wird dasselbe Formwerkzeug mit einer Eigenmasse von 1.800 kg eingesetzt. Beim Aufschmelzverfahren muss aber bei jedem Presszyklus das Werkzeug von 20\u00b0C auf 220\u00b0C erhitzt werden, hingegen ist heute beim Anschmelzverfahren nur eine Temperaturspanne von 100\u00b0C bei der Entformung und 130\u00b0C bei der Bef\u00fcllung erforderlich, also = 30 Grad. Ber\u00fccksichtigt man das Energiebedarfsverh\u00e4ltnis f\u00fcr das Auf- bzw. Anschmelzen der Polymermasse mit 43.200 kJ zu 15.840 kJ, so ergibt sich ein Gesamtenergieeinsparfaktor von f\u00fcnf und ein Zeiteinsparfaktor von sechs.
\nDie Reduzierung des Energiebedarfs um den Faktor 5 entspricht allerdings nicht dem erwarteten Faktor von 10 bis 14. Die Ursache hierf\u00fcr ist allein der gegen\u00fcber der berechneten W\u00e4rmemenge um 15 % erh\u00f6hte W\u00e4rmebedarf im Anlagensystem. Eine Temperierung der Metallform, wie oben erw\u00e4hnt, zwischen 100\u00b0C und 130\u00b0C verbessert zudem die optimale Formf\u00fcllung und die Oberfl\u00e4chenstruktur des Werkst\u00fcckes. Weitere Versuche sollen zeigen, ob die Temperaturdifferenz weiter gesenkt werden kann und da-mit der W\u00e4rmebedarf beim neuen Verfahren nochmals zu reduzieren ist.
\nUnter der Annahme, dass ein Fertigungsbetrieb eine Jahresmenge von 5000 t Polymer verarbeitet, ergibt sich aus den Versuchsergebnissen f\u00fcr das neue Verfahren eine Energieeinsparung, die dem Jahresbedarf von 1000 Haushalten entspricht.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Eine erste Vorstellung des Verfahrens erfolgte auf dem 19.Stuttgarter Kunststoff-Kolloquium 2005. Zur Absicherung der schutzf\u00e4higen Vorhabensergebnisse sind eine deutsche und eine europ\u00e4ische Patentanmeldung eingereicht worden.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die Versuchsergebnisse zeigen, dass die Materialeigenschaften von nach dem neuen Verfahren hergestellten Probek\u00f6rpern mindestens den Pr\u00fcfwerten entsprechen, die vom Hersteller vorgegeben werden. Der Einsatz von elektrischer Energie f\u00fcr den Lufterhitzer ist zu \u00fcberpr\u00fcfen. Betriebe mit Dampferzeugern werden einen Teil des erforderlichen Energiebedarfs f\u00fcr das Heizmedium durch Luft-Dampf-W\u00e4rmetauscher beistellen. Der in die Versuche eingebundene Fertigungsbetrieb hat zwischenzeitlich beschlossen, eine erste Produktionsanlage von ca. 5000 kg\/h einzuf\u00fchren. Damit ist ein erster Schritt in die praktische Anwendung dieser neuen Technik vollzogen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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