Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Auf der Grundlage des Anschmelzverfahrens zur Herstellung homogener dickwandiger Kunststoffplatten soll das energiesparende Verfahren zur Verarbeitung von Granulaten aus Neuware (virgin materials) auch auf den Einsatz von Gebrauchtkunststoffen bzw. treibmittelhaltige Granulate \u00fcbertragen werden. Erste Ergebnisse im Pilot- bzw. Laborma\u00dfstab zeigen, dass durch die Umstellung auf das Str\u00f6mungs-umkehrverfahren nunmehr die Anschmelztechnik uneingeschr\u00e4nkt auf alle uns bekannten Thermoplast-mischungen anwendbar ist. Das bedeutet, dass bei erfolgreicher Umsetzung des Entwicklungsvor-habens sich nicht nur der Fertigungsproze\u00df erheblich beschleunigt, sondern vor allem der Energiebedarf f\u00fcr die thermische Umformung des Polymergranulates auf ein Drittel des bisherigen Wertes gesenkt werden kann.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden1. Arbeitspaket Projektierungsarbeiten
\nEs wird eine erste Versuchsanlage projektiert, die die Herstellung plattenf\u00f6rmiger Kunststoffartikel, einschlie\u00dflich treibmittelhaltiger Granulate, demonstrieren soll.
\n2. Berechnungsarbeiten
\nAuf der Basis vorliegender Versuchsergebnisse aus Laborversuchen werden die mechanischen, str\u00f6mungstechnischen und thermodynamischen Auslegungsarbeiten f\u00fcr eine Versuchsanlage zur Herstellung von Kunststoffplatten bis 1200 mm Bandbreite erarbeitet.
\n3. Konstruktionsarbeiten
\nDie Konstruktion der Versuchsanlage zeichnet sich dadurch aus, dass sie f\u00fcr eine Vielzahl von Kunststoffarten und Kunststoffgemischen einsetzbar ist und die hierf\u00fcr erforderlichen Vorrichtungen und Hilfsantriebe in den Anlagenaufbau mit einbezieht.
\n4. Versuche und Versuchsauswertungen
\nDie Versuchsauswertung bildet die Grundlage f\u00fcr die Beschreibung der Einsatzf\u00e4higkeit des Anschmelzverfahrens. Ber\u00fccksichtigt werden dabei wichtige Einflussgr\u00f6\u00dfen wie Polymerart, Treibmittelaufbau, mechanische Werkstoffeigenschaften, D\u00e4mmverhalten, Energiebilanzen etc. In einer Gegen\u00fcberstellung der Energiebedarfe f\u00fcr das herk\u00f6mmliche W\u00e4rmeleitverfahren, bei dem das Polymergranulat vollkommen aufgeschmolzen werden mu\u00df, und dem Str\u00f6mungsumkehrverfahren, dass lediglich ein Anschmelzen der Oberfl\u00e4che der Einzelgran\u00fclen erfordert, soll der \u00f6kologische Vorteil des neuen Verfahrens herausgearbeitet werden.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Wir sind ein Maschinenbauunternehmen und stellen Doppelbandpressen in Leichtbauweise her. Dabei haben wir uns im Markt der Kunststoffverarbeitung zur kontinuierlichen Fertigung ebener oder schalenf\u00f6rmiger Plattenware in homogener oder schaumstrukturierter Form etabliert. Zu unseren Kunden geh\u00f6ren weltweit Hersteller von Produkten f\u00fcr den Innen- und Au\u00dfenausbau in der Bau- und M\u00f6belindustrie, in der Fahrzeugindustrie, im chemischen Apparatebau etc. Als Ausgangsmaterial verwenden unsere Kunden thermoplastisches Kunststoffgranulat als Neuware oder Recyclat, dieses liegt als Regranulat, Mahlgut oder Agglomerat vor. In der Heizzone der Doppelbandpresse wird zwischen dem oberen und unteren Transportband das zugef\u00fchrte Polymere vollst\u00e4ndig durch W\u00e4rmeleitung aufgeschmolzen, anschlie\u00dfend in der Pressstation homogen ausgeformt und danach in der K\u00fchlstrecke abgek\u00fchlt. Die W\u00e4rmezufuhr erfolgt \u00fcber Heizplatten, an denen die F\u00f6rderb\u00e4nder auf ihrer R\u00fcckseite entlanggleiten.
\nSeit mehreren Jahren besch\u00e4ftigen wir uns, gemeinsam mit unserem Kooperationspartner, der Dr. Werner Neu Verfahrenstechnik GmbH, mit der M\u00f6glichkeit, die thermische Verformung nicht mehr durch eine zeitaufwendige W\u00e4rmeleitung zu erreichen, bei der der W\u00e4rmetransport in der Granulatsch\u00fcttung punktf\u00f6rmig von Gran\u00fcle zu Gran\u00fcle erfolgt, sondern durch konvektive Energiezufuhr. Hierbei str\u00f6mt ein gasf\u00f6rmiger W\u00e4rmetr\u00e4ger wie z. B. Hei\u00dfluft, Hei\u00dfdampf oder Abgas in das Granulathaufwerk und erhitzt die Oberfl\u00e4chen der einzelnen Granulatk\u00f6rner bis auf Schmelzetemperatur, ohne das die gasdurchl\u00e4ssige Struktur des Haufwerks verloren geht. Anschlie\u00dfend erfolgt unter Druck der Formprozess, wobei das Gas als W\u00e4rmetr\u00e4ger aus dem Haufwerk entweichen kann und die einzelnen Gran\u00fclen an ihren Oberfl\u00e4chen zu einer homogenen Struktur zusammenschwei\u00dfen. Wir nutzen hierbei die Eigenschaft des geringen W\u00e4rmeleitungsverm\u00f6gens der Thermoplaste aus. Bei einer mittleren Heizzeit von wenigen Sekunden f\u00fcr das Anschmelzen der Granulatoberfl\u00e4che mit einem Korndurchmesser von ca. 5 [mm] wird das Korninnere nicht erhitzt und wir sparen hierdurch eine erhebliche Energiemenge im Vergleich zum W\u00e4rmeleitungsverfahren. Im Labor- und Technikumsmassstab konnten wir die Machbarkeit dieses Verfahrens schon nachweisen. Anstelle der geschlossenen F\u00f6rderb\u00e4nder haben wir Siebb\u00e4nder verwendet, durch die der W\u00e4rmetr\u00e4ger (Hei\u00dfluft) senkrecht zur F\u00f6rdereinrichtung des polymeren Granulates str\u00f6mte und dieses in Sekundenschnelle gleichm\u00e4\u00dfig oberfl\u00e4chlich aufheizte. F\u00fcr Recyclate, die oftmals durch thermische Sch\u00e4digung eine geringe Schmelzeviskosit\u00e4t aufweisen, kommt es aber oft dazu, dass sich die Siebkonstruktion der B\u00e4nder zusetzt und die praktische Anwendung des Verfahrens behindert.
\nHieraus erfolgte die Feststellung, dass das energieffiziente Anschmelzverfahren nur f\u00fcr thermisch ungesch\u00e4digte Neuware zu verwenden w\u00e4re, wobei der anwachsende Anteil von Recyclaten in der Polymerverarbeitung unber\u00fccksichtigt bliebe. Auf der Grundlage unserer str\u00f6mungsmechanischen und thermodynamischen Erkenntnisse im Bereich der konvektiven Erw\u00e4rmung thermoplastischer Sch\u00fcttg\u00fcter haben wir das Str\u00f6mungsumkehrverfahren erarbeitet, das auch eine Verarbeitung von thermisch vorbelasteten Thermoplasten zul\u00e4sst, ohne das Prinzip der oberfl\u00e4chlichen Anschmelzung des Einzelkornes aufzugeben. Hierbei k\u00f6nnen wir auf die Siebstruktur der Transportb\u00e4nder verzichten. Das Granulat wird jetzt auf einem geschlossenen Unterband abgelegt und durch eine Reihe von Heizd\u00fcsen, die quer zum Bandlauf oberhalb der Sch\u00fcttung angeordnet sind, gleichm\u00e4\u00dfig konvektiv oberfl\u00e4chlich erhitzt. Das Hei\u00dfgas wird dabei am Ausgang der Heizd\u00fcsen durch ein station\u00e4r angeordnetes Lamellenband dem Haufwerk zugef\u00fchrt, durchstr\u00f6mt die Sch\u00fcttung, wird auf dem Unterband umgelenkt und gelangt zwischen den Heizd\u00fcsen wieder nach oben. Das Lamellenband besteht aus parallel angeordneten Metallstreifen, die das Heizgas in vertikaler Richtung gleichm\u00e4\u00dfig ausrichten und in horizontaler Richtung entsprechend einer Labyrinthdichtung den ungenutzten Abfluss des W\u00e4rmetr\u00e4gers oberhalb der Granulatsch\u00fcttung verhindern.
\nDie Auswertung der Versuchsergebnisse f\u00fcr Thermoplaste in Granulat-, Agglomerat- und Mahlgutform und Anstr\u00f6mgeschwindigkeiten des Heizgases in Bereich 5 [m s-1] und 25 [m s-1] zeigt, dass bei einer Lamellenstegh\u00f6he von 20 [mm] und einem lichten Abstand der Stege von 4 [mm] f\u00fcr Sch\u00fctth\u00f6hen zwischen 5 [mm] und 5o [mm] ein sehr gleichm\u00e4\u00dfiges Anschmelzen der Gran\u00fclen im Sch\u00fcttgut zu beobachten ist. Das Ergebnis ist, dass die ausgeformten Polymerplatten spannungsfrei und eben hergestellt werden k\u00f6nnen.
\n Es ist uns gelungen, mit diesem Str\u00f6mungsumkehrverfahren eine Fertigungsmethode zu entwickeln, die dem herk\u00f6mmlichen W\u00e4rmeleitverfahren \u00f6kologisch und \u00f6konomisch erheblich \u00fcberlegen ist. Danach betr\u00e4gt der Energie-bedarf je nach untersuchter Polymerart zwischen 0,04 [kWh kg-1] und 0,056 [kWh kg-1]. Dieses entspricht gegen\u00fcber dem bisherigen Fertigungsverfahren einem Energieeinsparfaktor zwischen 2,6 [-] und 3,6 [-].
\nIm Bereich der Plattendicken von 2 [mm] und 12 [mm] ist bei gleichem Energieeintrag in der Doppelbandpresse f\u00fcr das Str\u00f6mungsumkehrverfahren eine Erh\u00f6hung der zul\u00e4ssigen Bandgeschwindigkeit um das 3-fache m\u00f6glich, wodurch auch der \u00f6konomische Vorteil des Str\u00f6mungsumkehrverfahrens gegen\u00fcber dem W\u00e4rmeleitverfahren erkennbar ist.
\nAnzumerken bleibt, dass die mechanischen und physikalischen Pr\u00fcfdaten f\u00fcr die Bewertung der Werkstoffeigenschaften der hergestellten Plattenware oberhalb der vom Hersteller angegebenen Richtwerte liegen. Dieses ist sicherlich auf die nur kurzfristige thermische Beanspruchung bei der Umformung des Polymergranulates zur\u00fcckzuf\u00fchren.
\nF\u00fcr die Durchf\u00fchrung unserer Entwicklungsarbeiten wurden wir mehrfach finanziell von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt unterst\u00fctzt, wof\u00fcr wir uns an dieser Stelle sehr herzlich bedanken.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die Grundlagen des Anschmelzverfahrens sind patentiert worden [EP 07], das Str\u00f6mungsumkehrverfahren soll kurzfristig nach Aussage des Europ\u00e4ischen Patentamtes durch eine Patenterteilung gesch\u00fctzt werden. Wir bieten unsere neue Verarbeitungs-
\ntechnik weltweit an und sind auf allen Verkaufsmessen der Polymerverarbeitungstechnik vertreten. Die Versuchsergebnisse sollen jetzt in 2 Fachzeitschriften ver\u00f6ffentlicht werden. Die Verleihung des Innovationspreises IKU im Jahre 2010 f\u00fcr unser Anschmelzverfahren hat wesentlich zum Bekanntheitsgrad unserer Verfahrenstechnik in Fachkreisen beigetragen.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Wir haben mit der Entwicklung und Erprobung des neuen Fertigungsverfahrens zur kontinuierlichen Herstellung von Plattenware aus Neuware oder Gebrauchtkunststoffen sowie diversen Kunststoffgemischen die technische Umsetzung der Anschmelztechnik aufzeigen k\u00f6nnen. Es werden nach vorsichtiger Sch\u00e4tzung allein im Fu\u00dfbodenbereich weltweit 1,2 Millionen Tonnen Thermoplaste verarbeitet. Nach Einf\u00fchrung des Str\u00f6mungsumkehrverfahrens kann allein f\u00fcr diese Anwendung eine Energiemenge eingespart werden, die dem W\u00e4rmeverbrauch von 24.000 Haushaltungen entspricht.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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