Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Vorwärmung in der Kunststoffverarbeitung – Empirische Ermittlung materialspezifischer Kennwerte und Entwicklung eines Expertensystems

Aufgrund hoher Stromkostenanteile und steigender Energiepreise ist für kunststoffverarbeitende Unternehmen eine effiziente Prozessgestaltung ein entscheidender Faktor für ihre Wettbewerbsfähigkeit.

Eine Möglichkeit bis zu 15 % Energiekosten einzusparen, liegt in der Vorwärmung der verwendeten Materialien mittels Abwärme. Für die Praxis fehlt es bislang jedoch an Kenntnissen zum spezifischen Vorwärmverhalten der Materialien und Einschätzungsmöglichkeiten zu tatsächlichen Einsparungen.

Ziel des Projekts ist der verstärkte Einsatz der Materialvorwärmung und somit eine Steigerung der Energieeffizienz sowie eine Senkung der Produktionskosten. Kern der Arbeiten sind daher umfassende experimentelle Bestimmungen der spezifischen Vorwärmeigenschaften von Kunststoffgranulaten, Füllstoffen und ausgewählten Compounds, die Ermittlung der jeweiligen Einsparpotenziale bei den Verarbeitungsprozessen sowie die Analyse der Auswirkungen auf die Prozess- und Produktqualität.

Durch eine Vorwärmung können Energiekosten verringert oder der Durchsatz erhöht werden. Im Fall eines mittelgroßen Compoundierbetriebs können so entweder eine Einsparung von ca. 63.000,- €/Jahr oder eine jährliche Umsatzsteigerung von 1,675 Mio. € erreicht werden.

Die Ergebnisse der Versuche bilden das Datenfundament eines webbasierten Expertensystems zum Thema Vorwärmung in der Kunststoffverarbeitung. Produktionsspezifische Kennwerte, jeweilige Energieeinsparpotenziale, mögliche Durchsatzerhöhungen beim Compoundieren/Extrudieren und Spritzgießen, Kostenvorteile und CO2 Äqv.-Einsparungen werden hier berechnet und in spezifische Handlungsempfehlungen für KMU übertragen. Das Expertensystem soll auch nach Projektabschluss mit Kenndaten erweitert werden, so dass Wissenslücken zur Vorwärmung sukzessive geschlossen werden und Energie- und Kosteneinsparpotenziale in möglichst großem Umfang gehoben werden.

Ergebniszusammenfassung:

Das Forschungsvorhaben wurde mit der Bereitstellung des kostenfreien Anwendertools als bleibendes Ergebnis erfolgreich abgeschlossen. Der Fokus des Tools ist auf den anwendungsspezifischen Einsparpotenzialen des Energiebedarfs durch den Einsatz von Vorwärmung gelegt. Bei einer frühen Testphase des Anwendertools unter Industriepartnern haben bereits 80 % das Feedback „Sie würden es Kollegen weiterempfehlen“ ausgewählt. Der konkrete Mehrwert des Tools ist eine einfache Potenzialbetrachtung anhand weniger, einzugebender Parameter. Die zu erwartende Einsparung der Antriebsleistung ist abhängig von den gesetzten Rahmenbedingungen und hat sich bei den durchgeführten Versuchen im Bereich von 7 bis 19% bewegt. Im Rahmen des Projektes wurden umfangreiche Compoundier- und Spritzgussversuche gefahren, bei denen Energieflüsse messtechnisch erfasst wurden, um eine energetische Analyse vornehmen zu können. Die Versuchsmaterialien wurden auf unterschiedliche Prozesseingangstemperaturen vorgewärmt. Folglich konnte dieser Einfluss auf den Verarbeitungsprozess dargestellt werden. Beim Compoundieren ist aufgrund des hohen Energiebedarfs zum Plastifizieren im Vergleich zum Gesamtenergiebedarf eine Vorwärmung besonders attraktiv. Im Forschungsvorhaben konnte der reduzierende Einfluss einer Vorwärmung auf den elektrischen Energiebedarf des Hauptantriebes nachgewiesen werden, sowie hinreichende Korrelationen ermittelt werden, um dieses Optimierungspotenzial zu modellieren und auf weitere spezifische Rahmenbedingungen anwenden zu können.Umfangreiche thermische und mechanische Analysen sind durchgeführt worden. Somit konnte bei den gefahrenen Vorwärmtemperaturen im Bereich von etwa 23 °C bis zu 80 °C ein negativer Einfluss auf die Produktqualität bei den gefahrenen Versuchen nicht nachgewiesen werden.