Kunststoffrecycling für die additive Fertigung

Abb. 1: Herstellung der Plastikstreifen

Die Aufbereitung von 3D-Druck Abfällen (z.B. Fehldrucke oder Stützstrukturen) zu Filamenten und dem erneuten Einsatz in der additiven Fertigung mittels filamentbasiertem 3D-Druck wurde in den letzten Jahren in mehreren Projekten der Arbeitsgruppe von Prof. Wahl untersucht und nachgewiesen. Dies erfolgte für die gängigen 3D-Druck Werkstoffe. Die generellen Arbeitsschritte sind hierbei: 1) sortieren; 2) ggf. säubern; 3) zerkleinern 4) aufschmelzen.

Das Thema Kunststoffrecycling mit unterschiedlichen Anwendungsmöglichkeiten wird weiterhin in Transferprojekten wie dem „mobilen Makerspace“ an Schulen praxisnah vorgestellt. Hierzu werden Anlagen zu Schulen transportiert und die Schüler und Schülerinnen sollen unter Anleitung Anlagen im Recyclingprozess anwenden.

Um dieses Angebot auszubauen beschäftigt sich das Hauptfachseminar Entwicklung und Konstruktion im Studiengang Maschinenbau im Wintersemester 2022/23 mit der Konstruktion und dem Bau zweier Maschinen zur Verarbeitung von Kunststoffabfällen.

Bei den beiden Projekten handelt es sich um eine Anlage zur Filamenterzeugung aus PET-Flaschen sowie eine Hand-Spritzgussmaschine. Betreut wurden die Projekte von Herrn Martin Bonenberger und Prof. Wahl.

Filamenterzeugung aus PET-Flaschen

Beim Zerkleinern von PET-Flaschen für die vorhandenen Recyclingwege entstehen Flakes. Dieses schlecht förderbare Schüttgut kann zu Problemen in den nachgeschalteten Verarbeitungsprozessen führen.

Deshalb beschäftigten sich eine Gruppe der Maschinenbaustudenten mit der Erarbeitung einer Alternativlösung. Es galt eine Anlage zu konstruieren und aufzubauen, die PET-Flaschen in Streifen zerschneidet, und diese direkt zu Filament verarbeitet. Weiterhin soll die Anlage transportfähig sein, um in Schulen vorgeführt zu werden.

Entworfen wurde eine Anlage auf drei stapelbaren Grundplatten, die aus den Flaschen Streifen schneidet und diese zu den gängigen Filamentdurchmessern 1,75 mm bzw. 2,85 mm verarbeitet. Die Flaschen werden in Streifen geschnitten (vgl. Abb. 1). Hierzu zieht ein Puller einen Anfangsstreifen ab und die Flasche wird kontinuierlich in Streifen geschnitten. Diese Streifen werden in einem Extruder zu Filament aufgeschmolzen, abgekühlt und aufgewickelt.

Die Anlage soll dabei weitestgehend eigenständig laufen. Lediglich das Verbinden zweier PET-Streifen geschieht manuell, wenn die Flasche einer Schneideeinheit aufgebraucht ist. Die Geschwindigkeit der Antriebsmotoren ist dabei durch Potentiometer einstellbar.

Das Projekt wurde von den Unternehmen Howatherm Klimatechnik GmbH, Neuhäuser Präzisionswerkzeuge GmbH und von der Dachdeckerei Schug unterstützt.

Hand-Spritzgussmaschine

Als weiteres Projekt wurde eine Hand-Spritzgussmaschine mit zwei Formen – einem Kreisel und einem Flaschenöffner konstruiert und gebaut.

Die Anlage soll insbesondere dazu dienen Kunststoffabfälle, welche zu klein für die Filamenterzeugung sind, schnell aufzuschmelzen und mit Hilfe des Spritzgussprozesses zu einem Endprodukt zu verarbeiten.

Zur Umsetzung wurden die für die beiden Spritzgussformen erforderlichen Kunststoffmengen bestimmt. Dieses wird in einen beheizten Zylinder aufgeheizt und nachdem die Bearbeitungstemperatur erreicht mit einem Handhebel in die Spritzgussform ausgepresst. Die Anlage wurde in einem ersten Schritt konstruiert und die Bewegungsabläufe digital untersucht. Anschließend wurden die erforderlichen Bauteile bestellt, gefertigt und zusammengebaut.

In Abhängigkeit der verwendeten Kunststoffe kann die Aufheiztemperatur sowie die zum Durchwärmen erforderliche Aufheizzeit eingestellt werden. Insbesondere aus den im Labor vorhandenen PLA-Abfällen konnten hierbei zuverlässig Kreisel hergestellt werden.

Das Projekt wurde von den Firmen Wolfgang Loch GmbH sowie und Ideal-Standard unterstützt.

Aufbauend auf dem Projekt sollen in nächsten Schritten die Spritzgusswerkzeuge additiv hergestellt werden. Hier können endkonturnahe Kühlschlagen in das Werkzeug eingedruckt werden, um das Endprodukt schneller und gelichmäßiger abzukühlen.

Die beiden Projekte erweitern die vorhandenen Anlagen, um Möglichkeiten des Kunststoffrecyclings zu untersuchen bzw. vorzustellen.

Abb. 2: Von links: Sören Sartorius, Marvin Botzet, Tobias Martin, Janis Klasen, Martin Gorges und Nicolai Strewinsky vor der aufgebauten Anlage

Abb. 3: Von links: Julian Räsch, Christoph Weiser, Taric Ludt, Leonardo Funk, Etienne Backes, Maximilian Schemer und Marian Gutendorf vor der Hand-Spritzgussmaschine