Projekt des Monats

Kunststoffrecycling für die Additive Fertigung

In Forschung und Lehre am Umwelt-Campus treffen sich zwei wichtige Themen der heutigen Zeit: Recycling von Kunststoffen und die Additive Fertigung.

Die Additive oder auch generative Fertigung erlangt in den vergangenen Jahren eine immer wichtigere Bedeutung, da mit dieser Technik sehr schnell Prototypen, Ersatzteile oder Anschauungsmodelle erzeugt werden können. Weiterhin ist es möglich, Bauteile herzustellen, die mit den abtragenden Verfahren nicht herstellbar sind. Auch die einsetzbaren Werkstoffe für den 3D-Druck werden immer zahlreicher, wobei ein großer Schwerpunkt auf dem Einsatz von Kunststoffen – insbesondere Thermoplasten im Fused Filament Fabrication (FFF) 3D-Druck verwendet wird.

Beim 3D-Druck fallen durch Hilfsstrukturen zum Druck oder Fehldrucke (Abbildung 1) aber leider auch Abfälle an.
Zur Verwertung solcher Fehldrucke wird deshalb seit mehreren Jahren am Institut für Betriebs und Technologiemanagement (IBT) des Umwelt-Campus Birkenfeld zum Thema Recyclings von Kunststoffabfälle geforscht.
Zum Recycling der 3D-Drucke ist ein sortenreines Sammeln und Zerkleinern wichtig. Die Sortierung anhand des Recyclingcodes und Anforderungen an die Kunststoffaufbereitung wurden in einer Projektarbeit im Bereich Maschinenbau von Herr Schneider und Herr Bühner systematisch untersucht und u.a. Schulkassen vorgestellt.
Aus sortierten Kunststoffen wurde beispielhaft anhand von Abfällen aus dem 3D-Druck, Kunststoffkaffeebechern bzw. PET Flaschen neues Filament hergestellt.
Die Aufbereitung von Kunststoffabfällen zu dem sogenannten Filament – dem Ausgangsmaterial für den 3D-Druck bedarf aber je nach Kunststoffart und Ausgangsmaterial weiterer Zwischenschritte.
So weisen die Kunststoffe für den 3D-Druck eine unterschiedliche Fehlertoleranz bei der Verarbeitung auf. Einflussfaktoren für erfolgreiche, gleichmäßige Drucke sind beispielsweise die Temperatur, Feuchtigkeit des Ausgangsmaterials bzw. die Umwandlung der Struktur der Kunststoffe (kristallin/ amorph) während des Recyclingprozesses.
Diese Prozessschritte wurden systematisch untersucht und auf die jeweilige Kunststoffart- bzw. – Pelletform optimiert. Am Beispiel unterschiedlicher Abfälle wie PET Flaschen, Deckel von Verpackungen oder PETG Abfälle aus dem 3D-Druck wurden hochwertige Filamente hergestellt.
In aktuellen Arbeiten werden beispielsweise die systematische Aufbereitung der Kunststoffe zu hochwertigem Filament unter Nutzung eines selbst konstruiert und gebauten Granulator untersucht. Abbildung 2 zeigt einen ersten von Nick Schneider gebauten Prototypen der Anlage. Die Anlage wird aktuell im Rahmen einer Abschlussarbeit von Herrn Schneider überarbeitet.

Abbildung 3 zeigt hergestelltes Kunststoffgranulat.
Anhand des entwickelten Prozesses wird aktuell von Herrn Schneider der Einfluss von Recyclingzyklen auf die Verarbeitbarkeit sowie die mechanischen Eigenschaften untersucht.
Zur Herstellung von Filament stehen im Labor für Generative Fertigung mehrere Anlagen zur Verfügung. Eine davon wurde im Hauptfachseminar Entwicklung und Konstruktion im Jahr 2020 konstruiert und gebaut. Zur direkten Erfassung des Durchmessers des hergestellten Filaments wurde von Frau Paulus und Herrn Schu im Rahmen einer Projektarbeit ein Filamentdickenmesser in die bestehende Anlage eingebaut (vgl. Abbildung 4). Der Umbau erfolgte im Innovationslabor Digitalisierung und erfasst die Dicke des erzeugten Filaments und ermöglicht eine direkte Optimierung der Herstellparameter.
Eine weitere Arbeit zur Verarbeitbarkeit von Reststoffen zu hochwertigem Filament wurde am Material PETG von Herrn Kaschta und Herrn L. Janoschek durchgeführt. Die beiden Studenten nutzten den entwickelten Versuchsaufbau, um aus 100% Recyclingmaterial neuwertiges PETG Filament herzustellen und führten mit dem Filament Zugversuche durch (vgl. Abbildung 5)