Wiremesh Protec GmbH
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52525 Heinsberg
Durch die globale Klimaerw盲rmung und die versch盲rften Klimaschutzziele gewinnt eine nachhaltige und ressourcenschonende Produktion zunehmend an Bedeutung. Ein zentraler Bestandteil hierf眉r ist das Recycling im Sinne der Kreislaufwirtschaft, um Rohstoffe m枚glichst effizient und lange zu nutzen. Dadurch k枚nnen Umweltbelastungen durch Rohstoffabbau und Abfall deutlich reduziert werden.
Von den j盲hrlich in Deutschland anfallenden 107 Mio. Tonnen Abf盲llen bestehen rund 7 Mio. Tonnen aus Kunststoff. Davon werden aktuell nur etwa 2 Mio. Tonnen recycelt. Hauptursache f眉r diese geringe Recyclingquote sind die im Vergleich zu Neuware etwa 20鈥�30 % h枚heren Recyclingkosten.
Beim werkstofflichen Kunststoffrecycling wird das Material zerkleinert, eingeschmolzen und von Fremdstoffen gereinigt, bevor mittels Extruder neues Kunststoffgranulat erzeugt wird. Durch die steigenden Recyclingmengen nehmen jedoch auch die St枚rstoffanteile zu. W盲hrend bisher eingesetzte Drahtgewebefilter wirtschaftlich nur bis etwa 5 % St枚rstoffe filtern k枚nnen, weisen heutige Recyclingmaterialien h盲ufig Verunreinigungen bis 15 % auf. Daf眉r werden zunehmend lasergebohrte Filterscheiben eingesetzt.
Diese Laserfilter besitzen jedoch erhebliche Nachteile. 脺ber einen Schaber werden die St枚rstoffe von dem Filter abgef眉hrt, dabei wird aber auch die Filterscheibe mit abgeschabt. Dies f眉hrt zu einer unkontrollierten Vergr枚脽erung der Bohrungsdurchmesser und damit 脛nderung der Qualit盲t der gefilterten Kunststoffschmelze. Zus盲tzlich treten h盲ufig Verstopfungen auf, die zu starken Schwankungen der Standzeit f眉hren.
Ziel des Vorhabens ist daher die Entwicklung einer Filtereinheit mit erh枚hter Standzeit und gleichzeitig gesteigerter Filterqualit盲t. Dadurch sollen sowohl die Qualit盲t der Kunststoffschmelze verbessert als auch die Betriebs- und Energiekosten von Kunststoffrecyclingmaschinen reduziert werden. Dies erh枚ht die Wettbewerbsf盲higkeit recycelter Kunststoffe gegen眉ber Neuware und tr盲gt zur Kompensation der wirtschaftlichen Nachteile des Recyclingprozesses bei.
Das Projekt ist in 7 Arbeitspakete, die teilweise parallel bearbeitet werden, unterteilt.
Im AP 1 werden Lastenheft, Randbedingungen und Testverfahren definiert.
Auf dieser Grundlage wird dann im AP2 eine neue Filtereinheit entwickelt und verschiedene Prozessketten zur Vor- und Nachbehandlung der Filterscheiben getestet. Dieses Arbeitspaket liefert sowohl den Input/die Startbedingungen f眉r die nachfolgenden Arbeitspakete zu den Materialuntersuchungen (AP3) und dem Laserbohrprozess (AP4), ist aber gleichzeitig auch auf die Ergebnisse/Erkenntnissen aus diesen Arbeitspaketen angewiesen.
AP3 untersucht die Materialkombination von Filtersieb und Schaber, inklusive m枚glicher H盲rtemethoden.
Ziel der Weiterentwicklung des Bohrprozesses in AP4 ist die Herstellung einer optimierten Lochgeometrie, bei der sich auch nach Materialabtrag die Filterfeinheit nicht 盲ndert. Eine Modulation des zeitlichen Verlaufs eines Laserpulses oder die Nutzung eines Pulsbursts aus zwei oder mehreren unterschiedlichen Laserpulsen sind vielversprechende Ans盲tze.
Im AP5 werden anhand erzeugter Bohrfelder aus AP4 Nachbearbeitungsschritte zur Entfernung der Oberfl盲chenablagerungen und zur Reinigung der Filterscheibe untersucht.
AP6 beinhaltet die Herstellung von Prototypen auf Grundlage der neu entwickelten Filtereinheit im Rahmen von AP2 und den Zuarbeiten aus AP3 und AP4 mit anschlie脽ender Durchf眉hrung von Tests.
Abschlie脽end werden in AP7 die Prozessketten mit den einzelnen Bearbeitungsschritten wirtschaftlich betrachtet und mit dem Stand der Technik verglichen.
Im Projekt wurden zun盲chst die Anforderungen an die Filtereinheit definiert und geeignete Werkstoffkombinationen untersucht. Auf Basis einer Literaturrecherche, der Analyse der im Recyclingprozess auftretenden St枚rstoffe sowie tribologischer Untersuchungen erwies sich insbesondere Schnellarbeitsstahl (HSS) in Kombination mit einem Schaber aus 1.2379 als vielversprechende Werkstoffpaarung. Die Ergebnisse zeigen gegen眉ber dem bislang eingesetzten Werkstoff 1.2344 deutlich geringere Verschlei脽tiefen und damit das Potenzial einer bis zu doppelt so hohen Standzeit der Filterscheiben.
Parallel dazu wurde der Laserbohrprozess zur Erzeugung verschlei脽g眉nstiger Bohrungsgeometrien untersucht. Neben einem Einzelpulsprozess wurde insbesondere ein Zweipulsprozess untersucht, der ein hohes Potenzial zur weiteren Verbesserung der Bohrungsgeometrie zeigte. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Konizit盲t der Bohrungen gegen眉ber dem aktuellen Stand der Technik deutlich reduzieren l盲sst. Die angestrebte Zielgeometrie auf der Lasereintrittsseite konnte im Rahmen des Projekts noch nicht vollst盲ndig erreicht werden. Die bisherigen Ergebnisse zeigen jedoch die M枚glichkeit einer verschlei脽best盲ndigeren Geometrie gegen眉ber dem aktuellen Stand der Technik auf.
Dar眉ber hinaus wurden geeignete W盲rmebehandlungs- und Nachbearbeitungsprozesse in Zusammenarbeit mit Fachunternehmen und Spezialisten f眉r W盲rmebehandlungstechnik ausgelegt und in die Prozesskette integriert. Die Umstellung von einer Gasnitrierung vor dem Laserbohren auf ein Plasmanitrieren nach dem Laserbohren erm枚glichte die Herstellung rissfreier Nitrierschichten bei gleichzeitig guter Planlage der Filterscheiben.
Auf Basis der entwickelten Prozesskette wurden Prototypenscheiben hergestellt. Eine Erprobung im industriellen Recyclingprozess konnte aufgrund fehlender Anlagenverf眉gbarkeiten w盲hrend der Projektlaufzeit nicht durchgef眉hrt werden. Die Bewertung des Standzeitpotenzials erfolgte daher auf Grundlage tribologischer Untersuchungen sowie eines Vergleichs mit dem Stand der Technik.
Die wirtschaftliche Bewertung zeigt, dass der Einsatz von HSS trotz zus盲tzlicher Materialkosten von lediglich rund 4 % ein hohes wirtschaftliches und 枚kologisches Potenzial besitzt. Bei einer erwarteten Verdopplung der Standzeit reduziert sich der scheibenbezogene Kostenanteil pro Einsatzzyklus um rund 48%. Gleichzeitig sinkt der Energiebedarf pro Einsatzzyklus um rund 85 kWh, da statt zwei nur eine Scheibe ben枚tigt wird.
Das Projekt LaFiKus wurde in der Fachzeitschrift F&S(Filtrieren & Separieren) Ausgabe 04/2023 vorgestellt.
Im Rahmen des Projekts konnte die bestehende Prozesskette zur Herstellung lasergebohrter Filterscheiben f眉r das Kunststoffrecycling hinsichtlich Werkstoffsystem, W盲rmebehandlung und Laserbohrprozess untersucht und weitgehend optimiert werden.
Dabei wurden geeignete Werkstoffkombinationen, W盲rmebehandlungsverfahren sowie Nachbearbeitungsprozesse identifiziert und untersucht. Besonders hervorzuheben ist das hohe Potenzial des Werkstoffs HSS hinsichtlich der Verschlei脽best盲ndigkeit und der daraus resultierenden signifikanten Erh枚hung der Standzeit der Filterscheiben im industriellen Einsatz.
Insgesamt zeigen die Projektergebnisse technisches und wirtschaftliches Potenzial der Filterscheiben hinsichtlich Standzeit, Ressourceneffizienz und Energieeinsparung im Kunststoffrecyclingprozess.
Die angestrebte Zielgeometrie der Bohrungen konnte im Rahmen des Projekts noch nicht vollst盲ndig erreicht werden. Die Ergebnisse aus AP4 zeigen jedoch, dass insbesondere der untersuchte Zweipulsprozess ein hohes Potenzial zur weiteren Optimierung der Bohrungsgeometrie besitzt. Nach Abschluss des Projekts wird angestrebt, die Weiterentwicklung des Laserprozesses fortzuf眉hren, um die angestrebte Lochgeometrie unter seriennahen Prozessbedingungen vollst盲ndig zu erreichen.