Projekt 04881/01

Verfahren zur Herstellung von Kunststoff-Formteilen aus oberflächlich angeschmolzenem Kunststoffgranulat

Projektträger

Dr. Ing. Werner NeuVerfahrenstechnik GmbH
Eichenwinkel 1
89281 AltenstadtZielsetzung und Anlass des Vorhabens Ausgangsmaterial f√ľr die Herstellung von Kunststoff-Formteilen ist im Regelfall ein Kunststoffgranulat (mittlerer Korndurchmesser 4 - 6 mm), welches durch Energiezufuhr vollst√§ndig aufgeschmolzen und in diesem Zustand ausgeformt und anschlie√üend durch W√§rmeabfuhr bis zur Erstarrung abgek√ľhlt und dann entformt werden kann. Die erforderliche Abk√ľhl- oder Formstandzeit steigt mit der Wandst√§rke des Formteils exponentiell an. Ziel des Projektes war es, nur durch Anschmelzen der Oberfl√§che des Granulatkornes den W√§rmebedarf beim Formproze√ü zu senken und durch einen inneren W√§rmeaustausch zwischen schmelzfl√ľssiger Oberfl√§che und kaltem Granulatkern die Formstandzeit erheblich zu reduzieren. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Entwicklungsarbeiten zur Herstellung von Kunststoff-Formteilen aus oberfl√§chlich angeschmolzenem Kunststoffgranulat teilen sich in folgende Arbeitsschritte auf: - Zusammenstellung der thermodynamischen Grundlagen bez√ľglich der W√§rme√ľbertragung durch instation√§re W√§rmeleitung in einem ruhenden kugelf√∂rmigen Granulatkorn. - Erarbeitung thermodynamischer und str√∂mungsmechanischer Ans√§tze bei der instation√§ren W√§rme√ľbertragung in einem hei√üdampf- oder hei√üluftdurchstr√∂mten Granulathaufwerk unter Anwendung mathematischer Iterationsmethoden. - Bau eines Versuchsreaktors f√ľr die gleichm√§√üige, oberfl√§chliche Anschmelzung eines kontinuierlich zugef√ľhrten Kunststoff- granulates zur experimentellen √úberpr√ľfung der erforderlichen Druckdifferenz f√ľr das Heizmedium in Abh√§ngigkeit von der zugef√ľhrten Granulatmenge pro Zeiteinheit, der Granulatsch√ľtth√∂he, der Heizmediumtemperatur, des Granulatkorndurchmessers etc. auf der Basis der theoretisch ermittelten Kenndaten. F√ľr die Ermittlung der thermodynamischen und str√∂mungsmechanischen Grundlagen ist neben der instation√§ren W√§rmeleitung auch der Einflu√ü des instation√§ren Heizmediumgeschwindigkeitsverlaufes im angeschmolzenen Granulathaufwerk zu ber√ľcksichtigen. Ergebnisse und Diskussion Es konnte theoretisch wie experimentell nachgewiesen werden, da√ü es f√ľr die Hauptparameter Anstr√∂mgeschwindigkeit und Temperatur des Heizmediums (z. B. Luft), H√∂he der Granulatsch√ľttung, Granulatkorngr√∂√üe, zugef√ľhrte Granulatmenge pro Zeiteinheit etc. ein Anwendungsfenster existiert, in dem im industriellen Ma√üstab dickwandige Kunststoff-Formteile mit einer homogenen Materialstruktur unter erheblicher Energie- und Fertigungszeiteinsparung hergestellt werden k√∂nnen. Anzumerken ist, da√ü bereits in den ersten Vorversuchen wie auch in den Anf√§ngen der fundierten experimentellen Untersuchungen im Projektma√üstab die Machbarkeit der Verfahrensidee einschlie√ülich der technischen Umsetzung des Verfahrens nachgewiesen werden konnte. Es zeigte sich jedoch sehr bald, da√ü das Experiment allein bei der Verfahrensentwicklung wegen der komplizierten gegenseitigen Einflu√ünahme der Hauptparameter nicht ausreichte. Es waren daher umfangreiche Vorarbeiten auf dem Gebiet der Thermodynamik und Str√∂mungsmechanik erforderlich. In der einfach aufgebauten Versuchsapparatur ist gezeigt worden, da√ü eine Endlosplatte z. B. aus einem Polyolefin mit einer Enddicke von 22 mm, bei einer Anstr√∂mgeschwindigkeit von ca. 10 m/s und einer Lufttemperatur von 260¬įC mit 3 cm/s aus dem Versuchsreaktor gezogen werden kann. Die Heizzeit der Sch√ľttung betr√§gt 5 s und der notwendige Pre√üdruck 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√§nderter Abzugsgeschwindigkeit w√§hlbar und wird durch eine Mehrstufenanordnung des Reaktors erreicht. Dieses Mehrlagensystem gestattet z. B. den Einbau von Festigkeitstr√§gern in das Fertigprodukt oder die Verwendung von Recyclaten im Platteninneren. Die Materialkennwerte der Plattenware liegen z. B. f√ľr die Kerbschlagz√§higkeit und f√ľr die Bruchdehnung bis zu 20 % √ľber den Angaben der Materialhersteller, sicherlich beeinflu√üt durch die kurzzeitige thermische Belastung des Thermoplasten. Aus √∂konomischer Sicht eignet sich das Fertigungsverfahren nur f√ľr Formteile mit einer Mindestwandst√§rke von 10 mm - 15 mm, da f√ľr d√ľnnwandige Formteile die herk√∂mmlichen Fertigungszeiten nur geringf√ľgig zu unterbieten sind. Aus √∂kologischer Sicht √ľberzeugt die drastische Reduzierung des W√§rmebedarfs beim Umformproze√ü und damit die Einsparung an Heizenergie. Der mittlere Energiebedarf bei den beschriebenen Anschmelzverfahren betr√§gt 0,072 kWh/kg Thermoplast (z. B. PE oder PP). Herk√∂mmliche Fertigungsverfahren wie z. B. die Kombination von Aufschmelz-Extruder und Formpressen ben√∂tigen unter Vernachl√§ssigung s√§mtlicher W√§rmeleitungs-, 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√§chst aufgrund der Voruntersuchungen nicht erwartet worden. √Ėffentlichkeitsarbeit und Pr√§sentation Im Laufe der Verfahrensentwicklung sind insgesamt 9 Patentanmeldungen ver√∂ffentlicht worden, davon sind zwischenzeitlich nach sorgf√§ltiger Pr√ľfung bereits 8 Patente erteilt worden. Es existieren bereits enge Kontakte mit mittelst√§ndischen Unternehmen sowohl auf der Anwenderseite als auch auf der Seite der Anlagenbauer. Es wird kurzfristig beabsichtigt, die wesentlichen Untersuchungsergebnisse in einer Fachzeitschrift zu ver√∂ffentlichen. Fazit Die in dem Projekt erarbeiteten Ergebnisse zeigen, da√ü unter Ausnutzung der geringen W√§rmeleitf√§higkeit eines Thermoplastes es gelingt, Kunststoffgranulat im Haufwerk mit einem geeigneten Heizmedium bei hoher Temperatur und geeignetem Vordruck innerhalb weniger Sekunden oberfl√§chlich anzuschmelzen, so da√ü sich unter anschlie√üendem Pre√üdruck das noch por√∂se Haufwerk homogen zusammenpressen l√§√üt. Der W√§rmeaustausch zwischen schmelzfl√ľssiger Oberfl√§che und dem noch kalten Kern eines jeden Granulatkornes f√ľhrt dazu, da√ü sich innerhalb weniger Minuten im gepre√üten Haufwerk unabh√§ngig von der Schichth√∂he eine kalorische Mitteltemperatur einstellt, bei der das Werkst√ľck entformt werden kann. Dabei kann der Gesamtenergiebedarf im Vergleich zu herk√∂mmlichen Formpre√üverfahren um einen Faktor ‚Äļ 10 reduziert werden. Das Verfahren ist industriell anwendbar.

√úbersicht

Telefon

08337/75304

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Bundesland

Bayern

Fördersumme

208.806,49 ‚ā¨

Förderzeitraum

06.02.1995 - 04.11.1999