Kontinuierliche Herstellung von Kunststoffprodukten

In den meisten Extrusionsprozessen durchlaufen mehrere Rohstoffe eine komplexe Prozesskette. Entscheidend ist dabei, dass jeder einzelne Prozessschritt optimal auf den Gesamtprozess abgestimmt ist. Nur so können maßgeschneiderte und qualitativ hochwertige Produkte in einem stabilen, ressourcen- und energieeffizienten Prozess hergestellt werden.

Unsere wissenschaftlichen Mitarbeiter erforschen die gesamte Prozesskette der Extrusion von der Aufbereitung über die Schnecken-, Werkzeug- und Prozessauslegung bis hin zur Weiterverarbeitung und Qualitätssicherung. Kennzeichnend für unsere Forschungsaktivitäten ist die integrative Betrachtung aller Prozessschritte. Dies trägt maßgeblich zur Praxisrelevanz und inhaltlichen Qualität unserer Arbeiten bei.

Wir forschen auf dem Gebiet der Extrusion mit folgenden Schwerpunkten:

  • Aufbereitung und Compoundierung
  • Prozesssimulation und Werkzeugauslegung
  • Analyse und Optimierung der Verarbeitungsprozesse

Für unsere Forschungsarbeit steht uns ein hervorragend ausgestattetes Extrusionstechnikum zur Verfügung.

Aktuelle Forschungsprojekte im Bereich Extrusion

Graphen als idealerweise einlagiges Kohlenstoffnetzwerk ist aufgrund seiner hervorragenden physikalischen Eigenschaften ein vielversprechender Nanofüllstoff. Mit Graphen könnten daher die mechanischen Eigenschaften oder Barriereeigenschaften von Kunststoffbauteilen verbessert und Funktionen wie die elektrische und thermische Leitfähigkeit integriert werden. Obwohl das Potenzial Graphen-basierter Kunststoffe in Untersuchungen im Labormaßstab bereits aufgezeigt wurde, existieren bislang keine skalierbaren Verfahren zur Herstellung und Weiterverarbeitung dieser Materialien. Deshalb werden am IKV geeignete Formulierungen und Verarbeitungseinstellungen Graphen-basierter Kunststoffe für funktionsintegrierte Bauteile entwickelt. Da das neuartige Material hohe Anforderungen an die Verfahrenstechnik stellt, werden industriell relevante Verfahren zur Herstellung (Schmelzecompoundierung) und Weiterverarbeitung (z. B. Spritzgießen, Extrusion, Heißprägen) der Graphen-basierten Kunststoffe untersucht und optimiert. 

In einem aktuellen ein BMBF-Verbundprojekt „INNOVATIV Compound“ (Nr. 01LY1512B) entwickelt das IKV mit den Partnern Eisenhuth GmbH & Co. KG, Allod Werkstoff GmbH & Co. KG, Calorplast Wärmetechnik GmbH, Kessen Maschinenbau GmbH, Protech GmbH und Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e. V. elektrisch bzw. thermisch leitfähiger Kunststoffcompounds mit ausgezeichneten Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften für die Herstellung von Bipolar- und Wärmetauscherplatten. Neben der Materialentwicklung spielt die Fügetechnik eine Schlüsselrolle zur Realisierung bei der Stackmontage der Bipolar- bzw. Wärmetauscherplatten. Schwerpunkt des IKV in dem Vorhaben ist die Entwicklung eines fügbaren, hochgefüllten thermoplastischen Compounds und die Evaluierung der geeigneten Fügemethodik. Ziel dieser Technologie ist es, Bipolarplatten und Wärmetauschergeometrien direkt in eine bestehende Anwendung zu integrieren, ohne zusätzliche Dichtungselemente einsetzen zu müssen.

In nahezu jedem Elektronikartikel werden Leiterplatten verbaut. Die zunehmende Miniaturisierung von elektronischen Bauteilen, neue Designanforderungen und die steigende Nachfrage stellen neue Ansprüche in Bezug auf Auslegung und Flexibilität der Leiterplatte sowie deren Produktionskosten. Eine mögliche Alternative für derzeitige Leiterplatten auf Phenol- oder Epoxidharzen können thermoplastische Kunststofffolien mit gezielt einstellbaren leitfähigen Schichten sein. Im Rahmen eines DFG-Forschungsprojekts, in Zusammenarbeit mit dem Lehr- und Forschungsgebiet Konstruktion und Entwicklung von Mikrosystemen (KEmikro) der RWTH Aachen, wird die Herstellung von flexiblen Leiterplatten mit SMD-Bauteilen auf Basis von Kunststofffolien erprobt. Vorteile sind der Einsatz kostengünstiger Rohstoffe, die kontinuierliche Produktion, die einfache Verbindung mit weiteren Bauteilen durch Schweißen sowie die Vermeidung von ätzenden und giftigen Stoffen in der Produktion.

Das Schäumen von Kunststoffen ermöglicht Rohstoffeinsparungen und führt zu einzigartigen Folieneigenschaften: Durch das Einbringen eines Treibmittels in die Kunststoffschmelze entsteht ein Schaum, der die Dichte der Folie herabsetzt, eine thermische und akustische Isolierwirkung hervorruft und eine mechanische Dämpfung ermöglicht. Die Kombination eines gängigen Schäumverfahrens mit der Blasfolienextrusion bietet die Möglichkeit, ein hocheffizientes Produktionsverfahren zu nutzen, um geschäumte Folien mit den genannten Eigenschaften zu produzieren. Am IKV wird eine entsprechende Verfahrenstechnik entwickelt, wobei hierzu das im IKV entwickelte und mittlerweile kommerzialisierte OptiFoam-Verfahren verwendet wird, bei dem ein physikalisches Treibmittel direkt in der Schmelze gelöst wird. Schwerpunkte der Untersuchungen am IKV sind der Einfluss des Materialtyps, der Prozessführung und der Anlagengestaltung auf die resultierenden Eigenschaften von physikalisch geschäumten Blasfolien.

Bei der Blasfolienextrusion werden üblicherweise Luftkühlungen eingesetzt, um den Schmelzeschlauch abzukühlen. Diese haben den Nachteil, dass der konvektive Wärmetransport weitaus weniger effizient ist als z. B. die Kontaktkühlung bei der Flachfolienextrusion. Die Zielsetzung dieses Forschungsprojektes ist es daher, eine Kontaktkühltechnologie als Ergänzung der konvektiven Luftkühlung für den industriellen Einsatz praxisnah weiterzuentwickeln. Dazu wird eine Methodik zur Auslegung der verwendeten Kühlhülse auf weitere Kunststoffe erarbeitet. Es werden hierzu die möglichen Massedurchsatzsteigerungen und mechanischen Eigenschaften der so hergestellten Folien ermittelt. Die optische Folienqualität soll durch eine Kombination verschiedener Beschichtungen der Kontaktkühlfläche deutlich verbessert werden, um den Einsatz der Technologie auch bei transparenten Folien zu ermöglichen. 

In der industriellen Praxis konnte sich CO2 bislang nur teilweise als Treibmittel für die Schaumfolienherstellung durchsetzen. Ursachen dafür sind u. a. die schlechte Löslichkeit von CO2 in Kunststoffen und die daher notwendigen hohen Prozessdrücke. Die alternativ als Treibmittel genutzten Alkane haben den Nachteil hoher Kosten und aufwendiger Sicherheitsvorkehrungen. Eine Möglichkeit, die Prozessführung und den Aufschäumprozess mit CO2 als Treibmittel zu verbessern, ist der Einsatz von Treibmittelgemischen. Durch die Auswahl geeigneter Co-Treibmittel wird die Löslichkeit im Kunststoff erhöht. Dadurch kann die Verarbeitung bei geringeren Drücken und niedrigeren Temperaturen erfolgen. Ziel des Vorhabens ist der Aufbau eines umfangreichen Verständnisses der Wirkbeziehungen zwischen Treibmitteleigenschaften, Prozess, Schaumstruktur und Schaumeigenschaften. Durch die Erkenntnisse zur Auswahl maßgeschneiderter Treibmittelgemische können die Zellstruktur und damit die gewichtsspezifischen mechanischen Eigenschaften gezielt angepasst werden, ohne aufwendige Materialmodifikationen vorzunehmen.

Das Gesamtziel des Verbundprojekts Schaum-MRS-Reaktor ist die Entwicklung eines Reaktors zur entkoppelten reaktiven Modifikation von Kunststoffen zur Integration in den Schaumextrusionsprozess. Die reaktive Modifikation von Kunststoffen wird zur Verbesserung von für den Schäumprozess und die Schaumeigenschaften relevanter Schmelzeeigenschaften eingesetzt. Beispiele sind die Kettenverlängerung von PET und die chemische Vernetzung von PE. Beide Schäumprozesse unterliegen heute vielfältigen Einschränkungen (mehrstufige Prozesse, eingeschränkte Massedurchsätze).  Entwicklungsziel ist daher eine Technologie, die eine effiziente Produktion maßgeschneiderter Schaumprodukte erlaubt, indem die Materialmodifizierung in den Produktionsprozess integriert und mehrstufige Prozessketten substituiert werden. Dazu wird basierend auf einem Mehrwellenextruder ein Reaktor entwickelt, welcher durch die große Reaktionsoberfläche und eine definierte Verweilzeit eine kontrollierte, vom restlichen Prozess entkoppelte reaktive Modifikation ermöglicht. 

Die Zielsetzung dieses BMBF-Projekts ist die Bereitstellung eines hochwirksamen Flammschutzsystems für den nachhaltigen Biokunststoff Celluloseacetat zum Einsatz in ressourcenschonenden Schaumwaren. Die Flammschutzausrüstung eines geschäumten Kunststoffproduktes ist aufgrund der hohen Porosität des Schaumes deutlich schwieriger als die eines ungeschäumten Produktes. Zudem dürfen im Zuge der REACH-Verordnung viele bisher verwendete Flammschutzmittel aufgrund ihrer Toxizität nicht weiter verwendet werden. Nur ein halogenfreier, nicht toxischer Flammschutz garantiert eine langfristige Umweltverträglichkeit und Nachhaltigkeit. Die Entwicklung eines neuen flammgeschützten Werkstoffsystems, das sich für die Schaumherstellung eignet, wird zusätzlich dadurch erschwert, dass Flammschutzmittel bei der Produktion von Schäumen gleichzeitig als Nukleierungsmittel und Weichmacher wirken. Als Innovativer Entwicklungsansatz soll ein neues Flammschutzsystem entwickelt werden, dass diese Funktionen vereint. 

Die Auslegung und Fertigung komplexer Profilextrusionswerkzeuge ist durch zahlreiche Einfahrversuche vor dem Produktionsstart gekennzeichnet. Eine Möglichkeit zur Reduktion dieser Einfahrversuche besteht darin, diese mit virtuellen Einfahrversuchen auf einem Rechner zu substituieren. Vor diesem Hintergrund entwickelt das IKV zusammen mit dem Lehrstuhl CATS der RWTH Aachen im Rahmen des Exzellenzclusters „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“ ein Framework zur automatisierten Optimierung der Fließkanalgeometrie in Profilextrusionswerkzeugen. Die Software berücksichtigt die Strömung im Fließkanal sowie das viskoelastische Schwellen nach dem Werkzeugaustritt und passt die Fließkanalgeometrie automatisiert so an, dass am Werkzeugaustritt eine gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung vorliegt und das Profil anschließend gleichmäßig aufschwillt.

In einem Teilprojekt des Exzellenzclusters „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“ wird eine Prozesskette zur Herstellung mikro- und nanostrukturierter Kunststoffoptiken erforscht. Dabei verfolgen Forscher des IKV das Ziel einer ganzheitlichen Betrachtung der Prozesskette von der Auslegung optischer Strukturen über die Werkzeugstrukturierung und -beschichtung, den Replikationsprozess bis hin zur Funktionsprüfung. Die Kernkompetenz des IKV ist dabei die Analyse und Optimierung der Replikation im Spritzgieß- sowie im Extrusionsprägeprozess mithilfe von variothermen Temperierverfahren. Die Einbindung aller für die Fertigung strukturierter Kunststoffoptiken relevanten Disziplinen ermöglicht eine ganzheitliche Betrachtung der Produktionskette und dadurch größtmögliche Qualität in jedem Teilschritt und im Endprodukt.

Gesteigerte Durchsätze  in der Extrusion führen oft zu einer schlechteren Homogenität der Schmelze. Aus diesem Grund werden in der industriellen Praxis zunehmend statische Mischer eingesetzt, die mit sich überkreuzenden Stromteilern die Schmelze umlagern und dadurch homogenisieren. Diese Mischelemente werden bisher hauptsächlich empirisch in aufwendigen, experimentellen Iterationsschleifen ausgelegt. Das IKV erarbeitet daher eine Methodik zur simulativen Optimierung von statischen Mischern, mit der sich gute Mischwirkungen bei geringem Druckbedarf erzielen lassen. Für eine hohe Mischleistung ist eine große Designfreiheit entscheidend. Da gängige Fertigungsverfahren zahlreichen Restriktionen unterliegen, wird zudem in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Lasertechnik   (ILT)   das   additive Fertigungsverfahren des Selective Laser Meltings (SLM) zur Fertigung der Mischer angewendet. Im Fokus der Untersuchungen stehen besonders diejenigen Mischervarianten, die erst durch SLM möglich werden.

Eine wirtschaftliche Verarbeitung von Silikonkautschuken im Blasformverfahren ist bislang nicht etabliert. Das IKV entwickelt daher eine Verfahrenstechnik, sodass das Blasformverfahren erstmals eine automatisierte Herstellung komplexer Hohlkörper aus Festsiliconkautschuk in einem Schritt ermöglicht. Maßgeblich für eine sichere Umformung des Festsiliconkautschuks im Blasformwerkzeug ist eine homogene und hinreichende Vorvernetzung des Festsiliconkautschuks. Dazu wird ein modularer, temperierter Blaskopf entwickelt, in dem die Vorvernetzung des Silikonkautschuks stattfindet. Weiterhin soll das entwickelte Verfahren auf weitere Kautschuke übertragen werden.

Die systematische Nutzung von Strukturelementen zur Verbesserung der mechanischen Hohlkörpereigenschaften und die Berücksichtigung der prozessspezifischen Randbedingungen ist in der Blasformindustrie derzeit nicht Stand der Technik. Durch den Einsatz von Strukturelementen können die mechanischen Eigenschaften der Bauteile sowohl positiv als auch negativ beeinflusst werden. Für einen gezielt positiven Effekt muss daher der genaue Einfluss der Versteifungsstruktur bekannt sein. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wird ein Simulationsmodell entwickelt, welches das mechanische Verhalten blasgeformter Flaschen präzise vorhersagen und die Flaschengeometrie mittels Versteifungselemente automatisiert hinsichtlich einer verbesserten mechanischen Performance optimieren kann. 

Im Thermoformen steht die Steigerung der Materialeffizienz sowohl aus ökologischen als auch ökonomischen Gründen im Fokus. Vor diesem Hintergrund wird am IKV eine Verfahrenstechnik entwickelt, mit der konventionell im Thermoformen eingesetzte Infrarot-Heizstrecken um die Möglichkeit der Temperaturprofilierung des Halbzeugs erweitert werden. Durch die so eingebrachten lokalen Temperaturunterschiede wird das Verformungsverhalten optimiert, so dass sich der Materialeinsatz bei Einhaltung der notwendigen Bauteileigenschaften reduzieren lässt. Zusätzlich zur Entwicklung der Verfahrenstechnik ist die Simulation des Aufheizprozesses mit Temperaturprofilierung durch Masken ein wichtiger Projektbestandteil. Die Simulation ermöglicht die gewonnen Erkenntnisse des Projekts hin zu industriell relevanten Randbedingungen einfach zu übertragen.

Im zweistufigen Streckblasprozess werden etwa 70 % der Produktionskosten von Kunststoffflaschen für das zu verarbeitende Material aufgewendet. Der Schlüsselfaktor zur Reduktion des Materials wird in der Auslegung des Preforms und der Bestimmung der dazugehörigen Verarbeitungseinstellungen gesehen. Daher wird am IKV eine rechnergestützte Optimierungsroutine zur automatischen Preformauslegung für vorgegebene Topload-, Sideload- und Barriereeigenschaften der zu fertigenden Flasche entwickelt. In der simulativen Preformgauslegung werden sowohl die Eigenschaften des Materials, Einflüsse des Spritzgieß- und Streckblasprozesses als auch die Anforderungen an die zu fertigende Flasche berücksichtigt werden. Damit soll die Entwicklungszeit neuer kundenindividueller Verpackungen drastisch gesenkt werden, da langwierige empirische Auslegungsschritte vermindert werden.

Die Verstreckung des Materials im Streckblasformen führt zu einer starken Orientierung der Molekülketten, wobei sich stabile, lamellare Strukturen ausbilden, die wiederum zu einem starken Anstieg der Festigkeit des Materials führen. Zur Vorhersage des Materialverhaltens werden in der Prozessauslegung zunehmend Materialmodelle verwendet, die im Falle von Polyethylenterephthalat (PET) im Wesentlichen durch Feder-Dämpfer-Modelle beschrieben werden. Diese Modelle können die Verformung innerhalb des kalibrierten Bereiches gut vorhersagen, werden aber außerhalb dieses Bereichs zunehmend ungenauer. In einem  Forschungsprojekt wird deshalb ein Materialmodell entwickelt, implementiert und validiert, welches das Spannungs-Dehnungs-Verhalten von PET auf Basis der Reptationstheorie vorhersagt. Das Ziel ist die erstmalige Entwicklung, Umsetzung und Bewertung eines rein physikalischen Materialmodells für die Verstreckung PET, dass Spannungen für ein breites Spektrum an Dehnraten bei verschiedenen Temperaturen gleichmäßig präzise vorhersagen kann.

Dr.-Ing. Nafi Yesildag

Abteilungsleiter Extrusion und Kautschuktechnologie +49 241 80-28372 nafi.yesildag@ikv.rwth-aachen.de

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Wir erarbeiten Lösungen für die Industrie

Die Extrusion ist das bedeutendste Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Halbzeugen und Produkten aus Kunststoff. Das zeigt sich zum Beispiel in den jährlich verarbeiteten Rohstoffmengen. Die Anwendungsbereiche dieser Verarbeitungstechnologie sind äußerst vielfältig: Extrusionsprodukte reichen von Verpackungen im Lebensmittel- und Konsumgüterbereich über technische Profile aus dem Möbel- und Fensterbau bis hin zu blasgeformten Hohlkörpern für Getränke oder Kraftstofftanks. Darüber hinaus kommt die Technologie der Extrusion auch bei der Aufbereitung und Compoundierung von thermoplastischen Materialien zum Einsatz.

Die anwendungsnahen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten des IKV sind gekennzeichnet durch die integrative Betrachtung aller Prozessschritte. Nur so können maßgeschneiderte und qualitativ hochwertige Produkte in einem stabilen, ressourcen- und energieeffizienten Prozess hergestellt werden.

Häufige Fragestellungen

Kooperationsprojekte mit unseren Partnern aus der Industrie behandeln oft mehrere der folgenden  Fragestellungen, für die wir individuelle und unmittelbar umsetzbare Lösungen erarbeiten:

  • Extrusionsgerechte Materialauswahl
  • Entwicklung funktionaler Compounds und Herstellung von Compounds im Labormaßstab
  • Werkzeug- und Prozessauslegung mittels Simulation
  • Analyse des Einfluss des Verarbeitungsprozesses auf die Halbzeugeigenschaften
  • Machbarkeitsstudien und Bewertung der Verarbeitbarkeit
  • Bewertung der Weiterverarbeitbarkeit von Halbzeugen
  • Ermittlung von Verarbeitungseigenschaften
  • Verfahrensentwicklung und -analyse
  • Parameterstudien und Optimierung
  • Verfahrensauswahl

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