Spritzgießen von Zellulosefasern - Entwicklung des Herstellungsprozesses für Anwendungsbereiche von Papier für werkzeugfallende technische Bauteile

Hintergrund des Projekts

Hintergrund und Motivation des vorliegenden Projekts ist das zunehmende Bewusstsein für eine nachhaltige Verwendung unserer Ressourcen bedingt durch den Klimawandel und sinkende Verfügbarkeiten. Kunststoffe stehen zunehmend in der Kritik, aufgrund der deutlichen Belastungen für Umwelt und Mensch, die vor allem durch die Verschmutzung der Meere sichtbar werden. Die Verbraucher fordern daher zunehmend Produkte aus nachhaltigen bzw. kunststofffreien Werkstoffen.

Eine Möglichkeit, dem steigenden Bedarf an alternativen Werkstoffen gerecht zu werden, ist der Einsatz nachwachsender und recyclebarer Werkstoffe. Hierbei stellt Zellulose, als die in der Natur am meisten vorkommende organische Substanz, eine Möglichkeit zur Bewältigung dieser Aufgabe dar. Aktuelle Verfahren zur Formgebung von Papier zu dreidimensionalen Bauteilen können bisher allerdings nur mit geringen Festigkeiten und Designfreiheiten erfolgen, wodurch die Anwendungsbereiche von papierbasierten Bauteilen limitiert sind. Daher soll in diesem Forschungsvorhaben die Herstellung von Papierbauteilen im Spritzgussverfahren ermöglicht werden.

Dieses Verfahren wurde gewählt, da sich dieses durch hohe Detailfreiheit der Bauteile, hohen Automatisierungsgrad, gute Funktionsintegration sowie viele Kombinationsmöglichkeiten zu anderen Verfahren abhebt. Aufgrund der Eigenschaften dieses Verfahrens wird erwartet, die Komplexität sowie Festigkeit der Bauteile erhöhen zu können.

Mit der Möglichkeit komplexe maßhaltige Papierbauteile mit ausreichenden Festigkeiten herstellen zu können besteht die Chance, Anwendungsbereiche von Papier zu erweitern bzw. neu zu erschließen, die zuvor durch nicht nachhaltige Werkstoffe abgedeckt wurden. Somit steht eine Alternative zur Verfügung, die Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen zur Erzeugung von technischen Bauteilen voranzutreiben und die Verwendung fossiler endlicher Rohstoffe zu reduzieren.

Der natürliche Werkstoff Papier erreicht aufgrund guter Infrastrukturen eine Recyclingquote von 80 %. Die Erweiterung des Anwendungsbereichs von Papier hat somit große Vorteile in Bezug auf Umwelt- und Klimaschutz, Kreislaufwirtschaft und Ressourceneffizienz. In diesem Projekt sollen lediglich biologische nachhaltige Materialien verwendet werden, sodass ein nachhaltiger Umgang mit unseren Ressourcen gefördert wird.

Projektziel

Das Hauptarbeitsziel ist die Entwicklung eines Prozesses zur Herstellung von komplexen dreidimensionalen Papierbauteilen im Spritzgussverfahren und die Ermittlung der Substitutionsfähigkeit von technischen Bauteilen aus Kunststoff durch Papier. Dabei sollen Möglichkeiten zur Beeinflussung der rheologischen Eigenschaften der Papiersuspension entwickelt und untersucht werden. Weitergehend wird eine Verarbeitungstechnologie entwickelt, um eine prozesssichere und effiziente Herstellung von Papierbauteilen im Spritzgussprozess zu ermöglichen.

Projektablauf

Zur Erreichung des Ziels erfolgt eine systematische Entwicklung einer Papiersuspension, welche an die Eigenschaften des Spritzgussprozesses angepasst wird. Hierzu werden Lösungen zur Beeinflussung der rheologischen Eigenschaften der Suspension sowie Messmethoden, im Labormaßstab, zur Ermittlung der Verarbeitungseigenschaften entwickelt. Anschließend erfolgen die Entwicklungsarbeiten der Einzel-Prozesse: Aufbereitung, Vorentwässerung, Aufdosieren, Ausspritzen, Formgebung, Entfeuchtung. Nach der Validierung der Einzelprozesse und Komponenten sollen diese zu einer Pilotanlage kombiniert werden.

Die optimalen Prozessparameter sowie Optimierungspotenziale der Anlage werden ermittelt. Sobald dieser Arbeitspunkt abgeschlossen ist, erfolgt eine Parameterstudie zur Herstellung von Papierbauteilen sowie der Ermittlung der mechanischen Eigenschaften und der potenziellen Anwendungsbereiche.

Zur Durchführung eines möglichst zeit- und kosteneffizienten Forschungsprojekts werden systematische Methoden zur Lösungsfindung bzw. zur Entwicklung herangezogen. Es sollen moderne DoE-Methoden zum Einsatz kommen, um die sehr hohe Anzahl der Einzelversuche möglichst zu reduzieren und dabei eine gleichbleibende Qualität bei der Ermittlung der Wirkzusammenhänge zwischen den Parametern und Ergebnissen zu erhalten. Des Weiteren kommen Projektmanagementmethoden zur Überwachung und Steuerung der einzelnen Vorgänge und deren zeitlichen Abstufung zum Einsatz.

Innovation

Bisher ist es nicht möglich eine Papiersuspension mit hohem Papier- und Feststoffanteil im Spritzgussverfahren zu komplexen Bauteilen zu verarbeiten. Es sind keine Untersuchungen bekannt, bei denen die bisherige erschwerte Dosierung bzw. Handhabung der Papiersuspension im Spritzgussverfahren durch rein biologische Fließadditive verbessert wird. Um die Verarbeitung zu ermöglichen sollen naturnahe Additive zum Einsatz kommen, die die rheologischen Eigenschaften soweit beeinflussen, dass ein reibungsloser Herstellungsprozess ermöglicht wird.

Des Weiteren sollen die zu entwickelnden Papierbauteile nicht die bekannten Nachteile, der aktuellen Spritzgussprodukte mit Papieranteil, aufweisen. Die aktuellen Produkte haben Nachteile bezüglich Ressourceneffizienz, Verarbeitung, Recycling, Festigkeit und Zykluszeiten.