Projekt 35597/01

Upcycling-Filamente aus Thermoformproduktionsabfällen

Projektdurchführung

SE Kunststoffverarbeitung GmbH & Co. KG
Kanalstr. 17
88085 Langenargen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das UpFilt-Projekt (Az: 35597/01-21/2) hat die Rückführung von Verschnittresten aus dem ThermoformProzess in die Fertigung höherwertiger Produkte zum Gegenstand – das sogenannte Upcycling. Das Gesamtprojektziel sieht den Einsatz von Produktionsabfällen am selben Bauteil vor. Dies wird durch zwei wesentliche Projektbestandteile erreicht: Erstens die qualitativ hochwertige und reproduzierbare Wiederaufbereitung von Thermoformverschnitt beim verarbeitenden Unternehmen. Zweitens, die Entwicklung des 3D-Inline-Hinterdruckverfahrens mit Schwerpunkt auf die Prozessgüte.

Angestrebt wird mit dem Verfahren vorrangig eine Reduktion des Abfalls, eine Reduktion des Gesamtenergiebedarfs und die Erhöhung der möglichen Formgebungsvielfalt und Bauteilkomplexität, bei gleichzeitiger Homogenisierung des eingesetzten Materials. Insbesondere der letztgenannte Punkt hat langfristig positive Auswirkung durch die wesentliche Verbesserung der Rezyklierbarkeit am Ende des Produktlebenszyklus. Durch die höhere Formgebungsfreiheit wird das Thermoformen bei kleinen Losgrößen darüber hinaus zu einer Alternative für das Spritzgießverfahren.
Das UpFilt-Projekt (Az: 35597/01-21/2) hat die Rückführung von Verschnittresten aus dem ThermoformProzess in die Fertigung höherwertiger Produkte zum Gegenstand – das sogenannte Upcycling. Das Gesamtprojektziel sieht den Einsatz von Produktionsabfällen am selben Bauteil vor. Dies wird durch zwei wesentliche Projektbestandteile erreicht: Erstens die qualitativ hochwertige und reproduzierbare Wiederaufbereitung von Thermoformverschnitt beim verarbeitenden Unternehmen. Zweitens, die Entwicklung des 3D-Inline-Hinterdruckverfahrens mit Schwerpunkt auf die Prozessgüte.

Angestrebt wird mit dem Verfahren vorrangig eine Reduktion des Abfalls, eine Reduktion des Gesamtenergiebedarfs und die Erhöhung der möglichen Formgebungsvielfalt und Bauteilkomplexität, bei gleichzeitiger Homogenisierung des eingesetzten Materials. Insbesondere der letztgenannte Punkt hat langfristig positive Auswirkung durch die wesentliche Verbesserung der Rezyklierbarkeit am Ende des Produktlebenszyklus. Durch die höhere Formgebungsfreiheit wird das Thermoformen bei kleinen Losgrößen darüber hinaus zu einer Alternative für das Spritzgießverfahren.



Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDiese Ziele werden durch zwei wesentliche Entwicklungen erreicht. Zuerst wird ein zuverlässiges Verfahren zum Upcycling von Kunststoffabfällen zu Kunststofffilament entwickelt, das sich für die Verwendung im Fused-Filament-Fabrication (FFF)-Verfahren eignet. Die Entwicklung des Materials umfasst dabei nicht nur die Methodik zur reproduzierbaren Wiederaufbereitung des Verschnittmaterials, sondern auch eine umfangreiche, rheologische und mechanische Charakterisierung der damit hergestellten Filamente.

Den zweiten wesentlichen Baustein bildet das innovative 3D-Druckverfahren, welches es ermöglicht, Funktionselemente, wie Versteifungsrippen oder Schnappverbindungen direkt an die Rückseite des Bauteils anzudrucken, also das Bauteil zu hinterdrucken. Für dieses Ziel wird das Verfahren des mehrachsigen FFF-3D-Drucks erweitert, so dass es möglich wird, die weitgehend freiförmig gekrümmte Rückseite des Thermoformbauteils in hoher struktureller Qualität zu bedrucken. Dies ist nach aktuellem Stand der Technik oftmals nur durch aufwändige, manuelle Klebeprozesse möglich, die zudem die Materialvielfalt im Bauteil erhöhen und damit die Rezyklierbarkeit beeinträchtigen. Zur Verbesserung der Prozessgüte und -zuverlässigkeit werden hier neue Verfahren zur Regelung des Düsenabstands zum Bauteil und des Druckkopfverhaltens sowie ein Oberflächenaktivierungsverfahren entwickelt und in eine prototypische Demonstrationsanlage integriert.



Ergebnisse und Diskussion

Die Untersuchungen zeigen die Eignung eines Hinterdruckverfahrens bestehend aus einer Kombination von Thermoformen und additiver Fertigung als Alternative zum Spritzgießen, insbesondere für große Bauteile und Kleinserien. Das Upcycling von Randzuschnitten aus dem Thermoformprozess ermöglicht zudem einen geschlossenen Materialkreislauf, wodurch Abfall reduziert und die verwendeten Materialien homogenisiert werden. Bei schlagzähen Kunststoffen wie ABS erweist sich die Tropfengröße der Elastomerphase als wichtiges Qualitätsmerkmal im Upcycling-Prozess.

Zur Bestimmung der Verdruckbarkeit der Filamente, der inter- und intralaminaren Festigkeiten innerhalb von additiv gefertigten Strukturen sowie der Haftfestigkeit von additiv gefertigten Strukturen auf den thermogeformten Substraten wurden im Vorhaben geeignete Verfahren beschrieben und getestet. Weiterhin wurden im Vorhaben Technologien im Bereich der Oberflächenaktivierung, der Abstandsregelung und des Kollisionsschutzes entwickelt, integriert und erprobt. Die entwickelte Methode zum Ausgleich von Höhenschwankungen kann während des Druckprozesses auch erhebliche Positionierfehler ausgleichen. Die Untersuchungen zeigen die Notwendigkeit einer lokalen thermischen Aktivierung und einer aktiven Abstandsregelung für die Verfahrenskombination aus Thermoformen und additiver Fertigung auf.

Die Erprobung an der geschaffenen Produktionszelle zeigt noch Einschränkungen bei der seriennahen Einsetzbarkeit des Prozesses. So ist die Streuung der erreichten Haftfestigkeit an der Roboteranlage insbesondere bei gekrümmten Bahnen hoch. Einen wesentlichen Einfluss hierauf hat die Positionsabsolutgenauigkeit des Roboters, welche sich für die erforderliche Prozessstabilität als nicht ausreichend zeigt. In einem zukünftigen Projekt sollte daher neben einer Optimierung der erreichten Robotergenauigkeit auch der Einsatz alternativer Kinematiken geprüft werden. Hierzu könnte der im Vorhaben entwickelte Endeffektor mit Druck- und Extrudertechnik fast unverändert weiterverwendet werden.



Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

2021-02-19 Schrift: Projektvorstellung auf ISW Webseite
2021-06-22 Schrift: Pressemitteilung IKT zum Projektstart
2021-09-06 Präsentation: Projektvorstellung bei „ARENA2036 for You“
2022-09-22 Präsentation: Projektvorstellung in ARENA2036 für eine dänische Delegation
2022-10-19 Messeauftritt: Projektvorstellung auf der K-Messe 2022 anhand eines Demonstratoraufbaus
2022-10-28 Präsentation: Vorstellung Projektfortschritt bei ARENA2036 Projektstatustag
2023-03-02 Präsentation und Schrift: 28. Stuttgarter Kunststoffkolloquium mit wiss. Veröffentlichung
2023-06-07 Schrift: Projektvorstellung mit technischen Details in Fachzeitschrift „Kunststoffe“
2023-09-29 Präsentation: Vorstellung Projektfortschritt bei ARENA2036 Projektstatustag
2023-10-25 Präsentation und Schrift: Konferenz CIRP CMS 2023 mit wiss. Veröffentlichung 2024-06-20 Präsentation und Schrift: Konferenz VDI PIAE 2024 mit wiss. Veröffentlichung
2021-02-19 Schrift: Projektvorstellung auf ISW Webseite
2021-06-22 Schrift: Pressemitteilung IKT zum Projektstart
2021-09-06 Präsentation: Projektvorstellung bei „ARENA2036 for You“
2022-09-22 Präsentation: Projektvorstellung in ARENA2036 für eine dänische Delegation
2022-10-19 Messeauftritt: Projektvorstellung auf der K-Messe 2022 anhand eines Demonstratoraufbaus
2022-10-28 Präsentation: Vorstellung Projektfortschritt bei ARENA2036 Projektstatustag
2023-03-02 Präsentation und Schrift: 28. Stuttgarter Kunststoffkolloquium mit wiss. Veröffentlichung
2023-06-07 Schrift: Projektvorstellung mit technischen Details in Fachzeitschrift „Kunststoffe“
2023-09-29 Präsentation: Vorstellung Projektfortschritt bei ARENA2036 Projektstatustag
2023-10-25 Präsentation und Schrift: Konferenz CIRP CMS 2023 mit wiss. Veröffentlichung 2024-06-20 Präsentation und Schrift: Konferenz VDI PIAE 2024 mit wiss. Veröffentlichung



Fazit

Die Zielsetzung des Vorhabens wurde weitgehend erfüllt und verspricht eine gute Einsatzfähigkeit in der Praxis.