Herstellung von Kunststoffen: Kernprozesse und Technologien der nächsten Generation

Rohöl ist die Hauptquelle für die bei der Kunststoffherstellung verwendeten Rohstoffe. Einige werden jedoch auch aus anderen Kohlenwasserstoffen, einschließlich Kohle und Erdgas, gewonnen. Aufgrund der zunehmenden Besorgnis über die Umweltverschmutzung durch Kunststoffe und des Drucks, der auf den schwindenden Kohlenwasserstoffquellen lastet, werden erneuerbare Kunststoffquellen wie Stärke und Zellulose zunehmend als praktikable Alternativen in Betracht gezogen. Einige Kunststoffe aus erneuerbaren Quellen sind biologisch abbaubar, was sie umweltfreundlich macht.

Kunststoffe aus erneuerbaren Quellen werden im Allgemeinen als Biokunststoffe bezeichnet, während Kunststoffe aus Kohlenwasserstoffen als synthetische Kunststoffe bezeichnet werden. In seiner Rohform ist Kunststoff für kaum jemanden von Nutzen. Durch verschiedene Kunststoffherstellungsverfahren wird das Rohmaterial jedoch in Harz oder Pellets umgewandelt, eine Form, die für die kunststoffverarbeitende Industrie nützlich ist.

Kurzer Überblick über die grundlegenden Verfahren der Kunststoffherstellung

Erdöl, der Rohstoff für die Herstellung von synthetischem Kunststoff, wird mit Hilfe von Bohrinseln aus unterirdischen Lagerstätten gewonnen. Diese riesigen Bohrer bohren mit Hilfe von Bohrköpfen, die sich durch Gesteinsschichten schneiden, Tausende von Metern in den Boden. Sobald das Rohöl gewonnen ist, durchläuft es den folgenden Prozess, um daraus Kunststoff zu gewinnen:

• Bei der Raffination wird das Rohöl durch Hitze und Destillation in verschiedene Bestandteile zerlegt.
• Naphtha ist eine der Komponenten, die bei der Fraktionierung gewonnen werden und die Grundlage für die Kunststoffproduktion bilden.
• Naphtha wird weiterverarbeitet, um es in kleinere Moleküle, so genannte Monomere, aufzuspalten (z. B. Propylen und Ethylen).
• Die Monomerketten werden zu Polymeren, Kohlenwasserstoffen mit höherem Molekulargewicht, zusammengefügt. Dies geschieht entweder durch Additions- oder Kondensationspolymerisation.
• Das Produkt aus der Polymerisation wird mit Zusatzstoffen oder anderen Verbindungen gemischt, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen.
• Das verarbeitete Polymer kann nun zu Kunststoffprodukten oder Produktteilen geformt werden.

Gängige Additive in der Kunststoffherstellung und ihre Funktionen

Die bei der Herstellung von Kunststoffen verwendeten Zusatzstoffe können die Haltbarkeit, Festigkeit und Flexibilität verbessern. Im Folgenden werden die bei der Kunststoffherstellung häufig verwendeten Additive und ihre Funktionen beschrieben.

• Weichmacher: Erhöhen die Weichheit und Flexibilität, wodurch sich der Kunststoff leichter in verschiedene Formen bringen lässt, z. B. Phthalate.
• Hitzestabilisatoren: Sie machen den Kunststoff resistent gegen Zersetzung oder Verfärbung bei hohen Temperaturen, z. B. zinnorganische Verbindungen und Metallseifen.
• Flammhemmende Mittel: Halogenfreie Flammschutzmittel wie Verbindungen auf Phosphorbasis verringern die Entflammbarkeit und erfüllen gleichzeitig die RoHS-Vorschriften.
• Antioxidantien: Werden hinzugefügt, um die Haltbarkeit von Kunststoffen zu verlängern, indem sie ihn vor dem Abbau durch UV-Licht und Hitzeeinwirkung schützen, z. B. Phenole.
• Schmiermittel: Verbessern das Fließen während des Formens und verringern die Reibung, z. B. Silikon- und Mineralöle.
• Farbe: Macht Kunststoffe attraktiver, kann aber auch den UV-Schutz verbessern, z. B. Titandioxid (TiO2).
• Antistatische Wirkstoffe: Verhindern Sie den Aufbau statischer Elektrizität, die eine Brandgefahr darstellen oder Staub anziehen kann. Gängige Beispiele sind quaternäre Ammoniumsalze und Glycerinester.

Die gängigsten Verfahren zur Verarbeitung von Kunststoffgranulat oder -blöcken zu alltäglichen Produkten sind Spritzguss (für komplexe Formen), Blasformen (für Hohlkörper wie Kunststoffflaschen) und Extrusion (für Fasern oder Folien). Bei der Umwandlung von Kunststoffen in nützliche Produkte stehen die Hersteller weiterhin vor verschiedenen Herausforderungen. Einige dieser Herausforderungen ergeben sich aus der Qualität des Kunststoffs oder dem Herstellungsverfahren. Die meisten dieser Herausforderungen werden mit Hilfe von Technologien bewältigt.

Drei wichtige technologische Impulse, die die traditionelle Kunststoffherstellung untergraben

Die herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Kunststoffen sind meist sehr verschwenderisch, was die Menge an ungenutztem Material angeht, die zurückbleibt. Darüber hinaus sind sie in der Regel arbeitsintensiv und verlängern die Zykluszeiten. Die langfristigen Auswirkungen für den Hersteller sind u. a. höhere Energiekosten, steigende Arbeitskosten und manchmal auch die Nichterfüllung der Anforderungen. Diese Defizite setzen den Hersteller dem Risiko aus, durch einen kompetenteren Konkurrenten ersetzt zu werden.

Zum Glück hat sich in der Kunststoffindustrie in den letzten Jahrzehnten viel getan. Es sind neue Technologien aufgetaucht, die den Herstellern helfen, einige der Herausforderungen zu bewältigen, die die Branche bisher geplagt haben. Sie bieten zwar Lösungen für einige der drängenden Probleme der Branche, bringen aber auch eine Reihe neuer Herausforderungen mit sich. Für kleinere Unternehmen können die Hürden groß genug sein, um sie von der Einführung dieser neuen Technologien abzuhalten.

So ist beispielsweise die Kunststoffherstellung bereits kapitalintensiv, was die Herstellung von Werkzeugen und den Einkauf von Rohstoffen angeht. Die meisten neuen Technologien sind auch nicht billig, so dass sie für Unternehmen mit knappem Budget unerschwinglich sein können. Selbst wenn das Unternehmen die Technologie erwerben kann, muss es seine Mitarbeiter im Umgang mit der neuen Technologie schulen. In einigen Fällen erfordern die neuen Technologien eine Umrüstung der gesamten Anlage.

Ungeachtet der finanziellen Auswirkungen, die die Einführung der neuesten Technologien und Verfahren in der Kunststoffherstellung mit sich bringt, zahlen sich die Kosten im Laufe der Zeit in Form von höherer Produktion und kürzeren Zykluszeiten aus. Hier sind die neuesten Technologien, die die Effizienz in der Kunststoffproduktion verbessern.

Motor 1: Intelligentes Spritzgießen - wie KI die Ausbringungsrate auf 99,5% steigert

Die Erfindung des Spritzgießens im Jahr 1872 durch John und Isaiah Hyatt markierte den Beginn der Großserienfertigung von Kunststoffteilen. Die Maschine hat seit ihrer Entwicklung mehrere Iterationen durchlaufen, um sie zu verbessern. Die jüngste Integration von KI zur Entwicklung intelligenter Spritzgießmaschinen hat die Kunststoffindustrie von reaktiven, vom Menschen abhängigen Systemen zu proaktiven, datengesteuerten Systemen gemacht.

Intelligente Spritzgießmaschinen sind mit Sensoren ausgestattet, die die KI nutzen, um die Ausbeute um bis zu 99,5% zu optimieren. Intelligente Spritzgießsysteme optimieren Produktionsparameter wie Temperatur, Druck, Kühlzeit und Materialfluss. Mit anderen Worten: KI-Systeme steigern die Gesamteffektivität der Maschine und verringern Produktionsverluste durch den Betrieb mit optimalen Parametern.

Intelligente Spritzgießmaschinen verbessern nicht nur die Ausbeute, sondern nutzen KI auch für vorausschauende Funktionen. In Kunststoffherstellungsmaschinen eingebaute Sensoren können potenzielle Probleme erkennen, bevor sie eskalieren und den Produktionsprozess zum Stillstand bringen. Die frühzeitige Erkennung potenzieller Probleme hilft den Maschinenbedienern bei der Durchführung einer vorausschauenden Wartung, die die Ausfallzeiten deutlich verringert.

Was die Produktgröße betrifft, so weiß jeder Hersteller, wie wichtig es ist, seinen Kunden gleichbleibend hochwertige Teile oder Produkte zu liefern. KI-gestützte Systeme analysieren Sensordaten in Echtzeit, um Abweichungen bei den Prozessparametern vorherzusagen, die zu Defekten führen können, und werden häufig mit der maschinellen Bildverarbeitung zur Erkennung von physischen Fehlern kombiniert.

Intelligente Systeme nutzen die Datenanalyse, um mögliche Probleme mit Formteilen oder Produkten vorherzusagen. Auf der Grundlage dieser Daten können die Hersteller proaktiv Anpassungen an ihren Prozessen vornehmen, um das Auftreten von Fehlern zu verhindern. Auf diese Weise können sie auch Material- und Energieverschwendung vermeiden. Die folgende Tabelle zeigt die wichtigsten Bereiche, in denen KI-Eingriffe beim Spritzgießen zur Optimierung der Ausbeute beigetragen haben.

AI-optimierte Parameter beim Spritzgießen und ihre Realisierungsmethoden

Das Schöne an KI-gestützten Systemen ist, dass sie mit der Zeit immer besser werden, da sie mehr Daten für ihr Training generieren. Daher werden die anfänglichen Vorteile mit der Zeit immer besser, was zu nachhaltigeren Kunststoffherstellungspraktiken und einer geringeren Umweltbelastung führt.

Motor 2: Nachhaltige Materialien

Eine der größten Herausforderungen bei der Herstellung von Kunststoffen ist das Material. Die Kohlenwasserstoffquelle von Kunststoffen ist nicht erneuerbar. Die Bildung von Kohlenwasserstoffen dauert aufgrund des geologischen Drucks, der auf organische Stoffe einwirkt, Millionen von Jahren. Angesichts der steigenden Nachfrage nach Kohlenwasserstoffen als Kraftstoff besteht die Gefahr, dass die Reserven weltweit zur Neige gehen. Aus diesem Grund müssen Kunststoffe aus nachhaltigeren Materialien wie pflanzlichen Produkten hergestellt werden.

Herstellung von Biokunststoffen: Rohstoffe und Verfahren

Zu den Rohstoffen für die Herstellung von Biokunststoffen gehören Maisstärke, Maniok, Zuckerrohr, Algen oder Pflanzenöle. Diesen Lebensmitteln ist gemeinsam, dass sie reichlich Zucker und Stärke enthalten, die verarbeitet werden, um die Monomere zu erhalten, die die Bausteine für den Kunststoff bilden. So wandeln die Hersteller beispielsweise Maisstärke zunächst in Milchsäure um, die sie dann zu Polymilchsäure (PLA) oder Polyhydroxyalkanoaten (PHA) polymerisieren.

Der Polymerisationsprozess ist wohl der kritischste Schritt bei der Herstellung von Biokunststoffen, da er die Eigenschaften des Kunststoffs bestimmt. Wenn das Endprodukt biologisch abbaubar sein soll, wird die Polymerisation unter diesem Gesichtspunkt durchgeführt. Die Eigenschaften des resultierenden Biokunststoffs werden durch einen Prozess namens Blending weiter verfeinert. Dabei werden Zusatzstoffe mit dem biobasierten Polymer gemischt.

Der Schwerpunkt verlagert sich auch auf Post-Consumer-Harze (PCR) und Kunststoff-Mahlgut als nachhaltigere Materialquellen für die Kunststoffherstellung. Dieser Übergang wird auch dazu beitragen, den Druck bei der Gewinnung von Kunststoffen aus natürlichen Quellen zu verringern und die Belastung der Umwelt durch Kunststoffe zu reduzieren.

PCR werden in Konsumgütern wie Verpackungsmaterial und Flaschen verwendet, während Regranulate Abfälle oder Reste aus der Kunststoffherstellung sind, die gesammelt und zur Wiederverwendung zu Granulat gemahlen werden. PCRs müssen sortiert und kategorisiert werden, um zu vermeiden, dass Verunreinigungen in neue Produkte gelangen. Verunreinigungen können die Leistung, Effizienz oder Lebensdauer des Endprodukts beeinträchtigen.

Motor 3: Hybride Fertigung - 3D-Druck

Bislang ist der 3D-Druck die fortschrittlichste Technologie zur Herstellung von Kunststoffen. Mit dieser neuen Technologie können Hersteller komplexe Teile oder Produkte direkt aus einer Designsoftware heraus herstellen. Diese Technologie ist besonders effizient für die Herstellung von Prototypen oder für Situationen, in denen sich die Entwürfe ständig weiterentwickeln.

Derzeit gibt es verschiedene Arten von 3D-Drucktechnologien. Die am weitesten verbreitete ist jedoch die Fused Filament Fabrication (FFF), die wegen ihrer höheren Präzision und niedrigeren Kosten bevorzugt wird. Dabei werden thermoplastische Filamente wie Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) verwendet, das für seine Hitzebeständigkeit, Haltbarkeit und Stärke bekannt ist.

Das Material wird erhitzt und durch den Kopf des 3D-Druckers extrudiert. Beim Druckvorgang wird das extrudierte Material Schicht für Schicht aufgeschichtet, um das in der angeschlossenen Computersoftware entworfene Produkt zu formen. Die Schritte zur Herstellung von Kunststoffen durch 3D-Druck sind wie folgt:

Modellierung

Der erste Schritt bei der Herstellung von Kunststoffprodukten durch 3D-Druck ist die Erstellung eines Modells des Produkts oder Teils mit einer 3D-Modellierungssoftware wie CAD. Alternativ können Sie die gewünschten Modelle auch in speziellen Online-Bibliotheken finden und herunterladen.

Schneiden von

Zum Schneiden des Modells wird eine spezielle Software wie ideaMaker verwendet. Bei diesem Vorgang wird ein G-Code (eine Liste von Anweisungen) erstellt, der dem Drucker den besten Bewegungspfad für den Bau des Modells vorgibt. Stellen Sie immer sicher, dass Ihre Software mit Ihrem Drucker kompatibel ist.

Drucken

Die Slice-Datei wird auf den Drucker hochgeladen. Anschließend wird der Drucker kalibriert, um die Genauigkeit zu verbessern. Einige Drucker verfügen über transparente Panels oder eine App, über die Sie den Druckfortschritt überwachen können.

Nachbearbeitung

Sobald der Druckvorgang abgeschlossen ist, nehmen Sie das Produkt oder Teil aus dem Drucker. Wenn das Modell eine Stütze hat, entfernen Sie diese. Weitere Nachbearbeitungsschritte können Polieren, Schleifen, Montieren oder Einfärben sein, um dem Produkt eine glänzende Oberfläche zu verleihen und es für den Markt vorzubereiten.

Wie Technologien echte Schmerzpunkte lösen

Technologische Eingriffe in die Kunststoffherstellung gehen über die Material- und Prozessoptimierung hinaus und betreffen auch die Endbearbeitung und das Branding. Nach der Herstellung von Kunststoffteilen können die Hersteller beispielsweise bei der Montage auf Probleme stoßen, vor allem wenn die Teile miteinander verklebt werden müssen. Herkömmliche Methoden hinterlassen oft Narben an den Stellen, an denen die Teile zusammengefügt wurden, was die Attraktivität des Produkts beeinträchtigen kann.

Wenn Ingenieure optimierte Energiedirektoren verwenden, können Ultraschallfrequenzen lokalisierte Wärme an Verbindungsschnittstellen erzeugen, um Materialien effizient und mit minimalen sichtbaren Spuren zu verbinden.

Lasergravurwerkzeuge haben auch die Art und Weise verändert, wie Marken auf Kunststoffprodukten angebracht werden. Früher erstellten die Hersteller Etiketten auf Aufklebern, die auf den Kunststoffkörper geklebt wurden. Alternativ konnten sie ihr Logo auch direkt auf die Produkte aufmalen. Diese Aufkleber oder Farben lassen sich jedoch leicht ablösen, was dem Ziel des Herstellers, sein Logo sichtbar zu machen, zuwiderläuft. Außerdem entfernen Fälscher manchmal absichtlich die Etiketten und ersetzen sie durch ihre eigenen.

Mit Lasergravurwerkzeugen graviert der Hersteller sein Logo oder Etikett präzise in den Produktkörper ein und garantiert, dass es während der gesamten Lebensdauer des Produkts dort verbleibt. Die Technologien zur Kunststoffherstellung werden sich weiter entwickeln, und die Hersteller, die sie einsetzen, werden die anderen in puncto Produktionseffizienz und Verbraucherzufriedenheit übertreffen.