Kunststoff Kunststoffrezyklate in technisch anspruchsvollen Bauteilen einsetzen

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Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Murtfeldt Kunststoffe GmbH & Co. KG

GGB Heilbronn GmbH

Novotechnik Messwertaufnehmer OHG

Kunststoffabfälle im Kreislauf zu halten ist ein Ziel aus der ökologisches und gesellschaftlichen Verpflichtung heraus. In einigen Bereichen, z. B. im Bereich Flaschen-PET, gibt es bereits etablierte Kreisläufe. In technischen Anwendungen werden Kunststoff-Rezyklaten bislang jedoch nur wenig eingesetzt. Das will das Fraunhofer LBF gemeinsam mit Partnern nun ändern.

In technisch anspruchsvollen Anwendungen werden Kunststoffrezyklate bislang nur zurückhaltend eingesetzt – aus einem bestimmten Grund: Rezyklat-Kunststoffe unterscheiden sich von Neuwarekunststoffen zum Teil erheblich. Die Unterschiede sind durch Vorschädigungen, Verunreinigungen und Mischungseffekte begründet und haben einen direkten Einfluss auf beispielsweise die (Langzeit-)Beständigkeit, Mechanik, Betriebsfestigkeit und weitere, für technische Bauteile, wesentliche Eigenschaften.

Um Kunststoff-Rezyklate zuverlässig in technischen Anwendungen einsetzen zu können, sollten diese Zusammenhänge grundlegend verstanden sein. Um diese Einflussgrößen in der Bauteilauslegung zu berücksichtigen, sind methodische Ansätze eine Grundvoraussetzung. Bei OEMs und Herstellern von Kunststoffbauteilen aus der Automobil-, Nutzfahrzeug- oder Weißwaren-Industrie liegen diese Grundlagen häufig sehr unvollständig vor.

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Risiko von größeren Streubreiten in den mechanischen Kennwerten

Treibenden Fragestellungen dabei sind beispielsweise, wie mit Chargenschwankungen umgegangen werden kann. Größeren Streubreiten in den mechanischen Kennwerten, können wiederum zu einer größeren Ausfallwahrscheinlichkeiten eines Produktes führen und im schlimmsten Fall sicherheitsrelevant sein. Daher müssen diese bei der Bemessung von Bauteilen berücksichtigt werden. Aktuell führt das zu höheren Sicherheitsfaktoren und damit verbundenen höheren Wandstärken, die dem Leichtbau und so der Ökonomie und Ökologie entgegenwirken.

Des Weiteren ist das Verhalten unter Langezeitbelastung in hochbeanspruchten Anwendungen und eventuellen Änderungen des Materialverhaltens durch äußere Einflüsse nicht genügend bekannt. Um die Produktlebensdauer einer Komponente zuverlässig abschätzen zu können, müssen diese Merkmale bei der Nachweisführung eines Produktes berücksichtigt werden. Und genau hier setzt das Projekt „Kunststoffrezyklate in technischen Bauteilen zuverlässig einsetzen“, dass das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF gemeinsam mit Partnern durchführt, an. Es werden zwei unterschiedliche Rezyklat-Materialien exemplarisch untersucht. Das kann beispielsweise rPP oder rPA sein und richtet sich nach den Anforderungen der Verbundteilnehmenden. „Die Untersuchungen werden parallel an äquivalenten Neuwarematerial durchgeführt, um einen direkten Abgleich von Rezyklat zu Neuware zu ermöglichen“, erklärt Dominik Spancken, bundesweit erster Doktor der Nachhaltigkeitswissenschaften und Wissenschaftler am Fraunhofer LBF.

Wirkzusammenhänge in hochbeanspruchten Anwendungen

Dabei sollen mit den folgenden Forschungsfragen, grundlegende Wirkzusammenhänge aus Stoffstrom, Verarbeitung und Langzeitverhalten in hochbeanspruchten Anwendungen untersucht werden:

• Wie wirken sich Chargenschwankungen auf die Eigenschaften aus?

• Welche Materialeigenschaften der Rezyklate sind für mein Produkt ausreichend?

• Welche Langzeiteigenschaften resultieren für das jeweilige Material?

• Wie lässt sich die Lebensdauer von Bauteilen aus Rezyklaten bewerten und welche Möglichkeiten gibt es diese im Bedarfsfall zu steigern?

• Wie können die geänderten Materialeigenschaften mit einer quantitativen Methode bestimmt, abgeschätzt und in eine Auslegeroutine überführt werden?

Technische Bauteile aus Rezyklaten betriebsfest auslegen

Damit können die Projektpartner die Herausforderungen und Potenziale durch den Einsatz von Kunststoffrezyklaten bewerten und notwendige Materialuntersuchungen zur Qualifikation von Kunststoffrezyklaten ableiten. Mit den gewonnenen Erkenntnissen können sie ihre eigenen Bemessungsmethoden zur Bauteilauslegung anpassen, um technische Bauteile aus Rezyklaten betriebsfest auszulegen. Gegenüber Materialherstellern können sie ihre Anforderungen spezifischer formulieren, um ein höheres Maß an Zuverlässigkeit zu erlangen.

Dieses Verbundprojekt richtet sich an Firmen entlang der Wertschöpfungskette beginnend vom Granulat bis hin zum fertigen Bauteil und dem Recycling:

• OEM´s und Hersteller von Kunststoffbauteilen aus der Automobil-, Nutzfahrzeug- oder Weißwaren Industrie, die zukünftig Bauteile aus Rezyklaten oder aus Mischungen herstellen und deren Zuverlässigkeit und Lebensdauer sicherstellen müssen

• Recycler, Compoundeure, Aufbereiter, Additivhersteller, die Ihre Materialien zukünftig für anspruchsvolle Anwendungen weiterqualifizieren wollen

• Akteure, die sich zukünftig eine neue Quelle erschließen möchten

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