Den Weg für biobasierte, industriell nutzbare Thermoplaste aus einem geschlossenen Stoffkreislauf ebnen
Der Herstellungssektor in Europa steht unter dem zunehmenden Druck, seine Abhängigkeit von fossilen Stoffen zu verringern und gleichzeitig die Leistung, Kosteneffizienz und Skalierbarkeit zu erhalten. Das EU-finanzierte Projekt VITAL(öffnet in neuem Fenster) hat sich dieser Herausforderung durch die Entwicklung praktischer Fertigungslösungen gestellt, die es ermöglichen, herkömmliche Kunststoffe in bestehenden industriellen Umgebungen durch biobasierte Alternativen zu ersetzen. „Der Übergang von fossilen zu biobasierten und recycelbaren Materialien ist nicht mehr optional, sondern eine strategische Notwendigkeit“, erklärt Lisa Wikström, Koordinatorin des VITAL-Projekts. Im Mittelpunkt von VITAL stand die Entwicklung neuartiger Schäumungsverfahren für biobasierte Polymere wie Polymilchsäure (PLA), biobasiertes thermoplastisches Polyurethan (TPU) und ein biobasiertes Polyamid. Beim Schäumen werden während der Verarbeitung Gasblasen in ein Polymer eingebracht, wodurch der Materialverbrauch und das Gewicht reduziert werden, während die strukturelle Leistung erhalten bleibt.
Drei Wertschöpfungsketten für zirkuläre Biokunststoffe
Die Projektpartner validierten die Verfahren in drei komplementären Wertschöpfungsketten. Die erste Wertschöpfungskette war dem 3D-Schaumdruck gewidmet. Das Team entwickelte einen neuen Druckkopf, der eine direkte Verarbeitung von Polymergranulaten gewährleistet, so sich dass die Herstellung von Filamenten erübrigt wird und Stickstoffgas als Schäumungsmittel verwendet werden kann. Dies ermöglicht die schichtweise Anpassung der Teildichte und damit eine Gewichtsreduzierung von bis zu 66 %. Diese Technologie wurde anhand einer maßgeschneiderten Trennwand aus dem 3D-Drucker für Kreuzfahrtschiffe demonstriert, die aus recycelbarem PLA hergestellt wurde. Die zweite Wertschöpfungskette befasste sich mit dem energiesparenden Schäumen von Perlen. Konventionelles Perlschäumen basiert auf energieintensivem Dampf, der für viele biobasierte Kunststoffe ungeeignet ist. VITAL ersetzte den Dampf durch Radiowellen-Erwärmung, wodurch der Energieverbrauch um bis zu 90 % gesenkt werden konnte. Dank dem Verfahren konnten recycelbare TPU-Perlschäume mit bis zu 60 % biobasiertem Anteil erfolgreich hergestellt werden. Das Verfahren wurde auch erfolgreich an PLA erprobt und eröffnet neue Möglichkeiten für polsternde und stoßfeste Anwendungen in der Automobil-, Verpackungs- und Verbrauchsgüterindustrie. Für die dritte Wertschöpfungskette richtete VITAL den Fokus auf das Schaumspritzgießen (FIM), ein großvolumiges Herstellungsverfahren, das besonders für mechanisch recycelbare Thermoplaste relevant ist. „Hierbei haben wir mehrere wegweisende Entwicklungen erzielt, um zu verstehen, wie dieses Herstellungsverfahren auf biobasierte Thermoplaste angewendet werden kann, wie diese Materialien effektiv recycelt werden können und wie der Einsatz von digitalen Zwillingen und maschineller Prozesssteuerung diese Bereiche verbessern kann“, sagt Wikström. VITAL hat neue robuste und feuerbeständige PLA-Typen entwickelt, die mittlerweile im Handel erhältlich sind, und deren Nutzen an industriellen Spritzgussanlagen demonstriert. Diese Demonstrationen umfassten auch die Erprobung eines Prozesssteuerungssystems mit maschinellem Lernen, das den Energieverbrauch senkte, die Qualität der Teile verbesserte und zur Abfallvermeidung beitrug. Autoinnenteile und Kühlschrankteile wurden mit den gleichen Formen hergestellt, die bei herkömmlichen Kunststoffen Verwendung finden. Die Erprobung der Autoteile zeigte vielversprechende Ergebnisse, macht aber noch weitere Entwicklungsarbeit erforderlich, während die ungeschäumten Kühlschrankteile die Leistungsanforderungen erfüllten und die Treibhausgasemissionen erheblich reduzierten.
Von der industriellen Erprobung zur Marktreife
Das VITAL-Konsortium an Forschungseinrichtungen und Industriepartnern aus der Automobil-, Elektronik- und Schifffahrtsbranche sorgte dafür, dass die Anwendungsfälle den Anforderungen der realen Praxis entsprechen. Das Projekt erzielte aussichtsreiche Ergebnisse bei neuartigen Schäumungsverfahren für biobasierte Thermoplaste, die den Weg für weitere Fortschritte in puncto industrielle Verarbeitung, Materialeigenschaften sowie für andere industrielle Zwecke ebnen. „Das Schäumen ermöglicht eine effiziente Reduzierung der erforderlichen Materialmenge und des Gewichts, und damit der Kosten. Durch die Verringerung der Materialmasse, die Senkung der Energienutzung und die Gewährleistung der Recycelbarkeit zeigt VITAL, dass Nachhaltigkeit und Kosteneffizienz in Zukunft Hand in Hand gehen können“, erklärt Wikström.
