Herstellung und Verarbeitung nachwachsender Rohstoffe

Das Projektziel ist die additive Herstellung von Mustern formstabiler geschäumter Körper, bspw. auf Basis von Maisstärke, die als Umverpackung und Füll- bzw. Polstermaterial zugleich fungieren. Diese Schaumkörper werden hinsichtlich ihrer Einsatzmöglichkeit als Verpackungsmaterial praxisnah geprüft. Zusätzlich werden Verfahren und Material einer Life-Cycle-Analyse unterzogen.

Nach heutiger Erkenntnis gehören Ökologie und Ökonomie zusammen. Die effiziente um-weltschonende Nutzung von natürlichen erneuerbaren Rohstoffen wird eine Schüsselkompetenz zukünftiger Gesellschaften sein. Nur die Unabhängigkeit von Versorgungsunsicherheiten, Ressourcenknappheit sowie hohen und stark fluktuierenden Preisen bei Rohstoffen kann die Grundlage für eine langfristig stabile wirtschaftliche und auch soziale Entwicklung sein. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wird ein neuartiges additives Fertigungsverfahren entwickelt, das die Fertigung passgenauer produktindividueller Verpackungen auf Basis nachwachsender Rohstoffe ermöglicht. In Bezug auf die förderpolitischen Hauptzielsetzungen des Förderprogramms „Nachwachsende Rohstoffe“ wird damit die Entwicklung eines innovativen, international wettbewerbsfähigen biobasierten Produkts und dessen Herstellungsverfahrens vorangetrieben. Mit der Entwicklung des Bioschaumdruckverfahrens geht zugleich eine effiziente und umweltschonende Ressourcennutzung einher. Zum einen entfallen bei der neuentwickelten Verpackungstechnologie der Einsatz von petrochemischen Kunststoffen sowie der material- und energieintensive Formenbau bei Formteilen. Zum anderen wird durch eine passgenaue produktindividuelle Verpackungslösung eine Optimierung der Ladekapazitäten von Transporteinheiten sowie eine Minimierung des Verpackungsgewichts erzielt. Dies hat letztendlich einen geringeren spezifischen Transportenergiebedarf und folglich eine weitere Reduzierung von klimaschädlichen Treibhausgasen (z. B. CO2) zur Folge.

Im Verlauf des Vorhabens wird am Fachgebiet Maschinenelemente eine Prototypenanlage zur Produktion von Verpackungsmustern, deren Größendimensionen (x-, y-, z-Koordinate) im Bereich von bis zu 120 cm liegen sollen, im Technikumsmaßstab entwickelt, ausgelegt und in einer Technikumshalle der TU Dortmund in Betrieb genommen. In diesem Zusammenhang müssen eine entsprechende Kinematik sowie die Werkzeuggeometrie zur Materialaufbringung entwickelt werden. Auch muss die Thematik einer möglicherweise erforderlichen Nachbehandlung, bspw. zum Schutz vor Feuchtigkeitseinflüssen, Berücksichtigung finden. Die geometrischen Informationen der Muster und Testverpackungen werden im Rahmen des Projekts in Form von CAD-Dateien (z. B. STL-Dateiformat) verarbeitet. Diese Dateien stellen im Allgemeinen ein Negativabbild des zu schützenden Produkts dar und können leicht aus Konstruktionsdateien generiert werden.

Projektpartner:

Projektträger/Fördermittelgeber:

Entwicklung

• Spindelpresse mit einem Hubweg von ca. 1800 mm
• Herstellung komplexer Stempel- und Matrizenformen mittels 3D-Druck
  • Integrierte Vakuumansaugung zur Fixierung des Kaschiermaterials
• Fahrbarer Arbeitstisch für den Wechsel zwischen Press- und Füllposition
  • Kontinuierliche Krafterfassung unterhalb des Arbeitstisches
• Induzierung des Wassernebels für eine homogene Materialbenetzung innerhalb der Förderleitung
• Neuentwickelte Ejektordüse im Materialspeicher als Schüttgutschleuse zur Förderleitung
• Voneinander unabhängig steuerbare Material- und Wasserzufuhr direkt an der Anlage
  • Bedienung durch eine Einzelperson möglich

Demonstrator Verpackung

Ein wesentlicher Vorteil von papierbasierten Werkstoffen im Vergleich zu typischen kommerziellen Kunststoffen besteht in deren rascher und natürlicher Abbaubarkeit. Papierbasierte Werkstoffe und insbesondere naturfaserbasierte Formwerkstoffe haben daher vor dem Hintergrund der Ressourcenschonung und Energieeffizienz ein außerordentliches Innovationspotenzial.

Durch die Fokussierung auf Ressourcenschonung und Nachhaltigkeit in der industriellen Produktion und dem Umweltbewusstsein in der Politik und Gesellschaft kommt heutzutage den hochfesten Faserwerkstoffen eine herausragende Bedeutung zu. Gegenstand der Forschungen ist die Qualifizierung und Weiterentwicklung des naturbasierten Konstruktionswerkstoffs Vulkanfiber zur Herstellung von HighTech-Leichtbaukomponenten. Als geeignetes Biopolymer zur Substitution bestehender Werkstoffkonzepte wird u.a. in einer Greenpeace Studie aus 2005 die biologisch abbaubare Vulkanfiber auf Cellulose-Basis benannt.

Vulkanfiber zählt zu den hochfesten naturbasierten Faserwerkstoffen, wobei technische Papiere unter Zugabe von Pergamentierungsmittel durch einen Verschmelzungsprozess zu einem homogenen leistungsfähigen Material verbunden werden. Im letzten Herstellungsschritt werden die Hilfsstoffe ausgewaschen und umweltgerecht wieder in den Fertigungsprozess zurückgeführt. Das Endprodukt wird u.a. als Dichtungsmaterial in Trinkwasser-führenden Armaturen eingesetzt. Die relevanten Werkstoffkennwerte technischer Vulkanfiber liegen auf dem Niveau hochwertiger technischer Kunststoffe.

Im Hinblick innovativer Nutzung von Verbundwerkstoffen, Biocomposites, Sandwichstrukturen und Materialbeschichtungen ergeben sich völlig neue Anwendungsfelder im Bereich der Automobilbau- und Luftfahrtindustrie.

Die Werkstoffkennwerte

• hohe Festigkeit (Zugfestigkeit 120 N/mm2, Biegefestigkeit 160 N/mm2, Druckfestigkeit 80 N/mm2)
• hohe Steifigkeit (Zug-E-Modul 8.000 N/mm2, Biege-E-Modul 7.000 N/mm2, Druck-E-Modul 3.500 N/mm2)
• geringe Dichte (1,1 bis 1,45 g/cm3)
• hohe Zähigkeit (Schlagzähigkeit bis 120 kJ/m2, Kerbschlagzähigkeit bis 30 kJ/m2)
• hohe Härte (Kugeldruckhärte bis 100 N/mm2)
• hohe Durchschlagfestigkeit (bis 8 kV/mm)
• hohe Temperaturfestigkeit (130 °C unbegrenzt, 180 °C mehrere Stunden, 300 °C kurzfristig)

Die Eigenschaften

• sehr dehnfähig (Formteile durch Biegen und Tiefziehen herstellbar); 1/3 elastische und 2/3 plastische Verformung
• gegen viele chemische Einflüsse, insbesondere von Lösungsmitteln, resistent
• zäh, bruchfest, flexibel, elektrisch isolierend, extrem funkenlöschend, nicht entzündlich
• spangebend bearbeitbar, keine Splitter oder scharfen Bruchkanten bei mechanischer Zerstörung
• nach Produktlebensdauer kompostierbar, Nutzbarkeit als Dämmmaterial, Heizwertabgabe in Pelletöfen (Recyclingquote = 100 %)

Durch nicht allen Anforderungen der Lieferkette genügende Transportverpackungen entstehen dem Einzelhandel jährlich finanzielle Schäden im neunstelligen Bereich. Einen Großteil dieser Transportverpackungen bilden die Konstruktivpolster aus Naturfaserstoffen, deren Charakterisierung und Simulation Gegenstand der Forschung des Fachgebiets sind.

Hierzu verfügt das Fachgebiet Maschinenelemente über zwei Pilotanlagen unterschiedlicher Automatisierungsgrade zur Herstellung von Faserformproben mit beliebigen Herstellparametern. Mittels Universalprüfmaschinen können verschiedenste Belastungsarten in allen drei Raumrichtungen, in einem weiten Dehnratenbereich und auf beliebigen Belastungspfaden aufgebracht und die Materialantworten erfasst werden.

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die ganzheitliche Charakterisierung von Faserformwerkstoff und die Simulation von Verpackungselementen. Die Simulation trägt langfristig zum besseren und effizienteren Einsatz von Faserformwerkstoffen bei, da dessen Verhalten prädiktiv simuliert werden kann.