Die Schaumextrusion ist eine bedeutende Technologie in der modernen Kunststoffverarbeitung. Sie ermöglicht die Herstellung geschäumter Kunststoffprodukte durch Extrusionsverfahren. Die Fachtagung am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) der RWTH Aachen widmet sich der gesamten Prozesskette und bietet Einblicke in Anlagentechnik, Prozessführung und aktuelle Entwicklungen. Experten aus Industrie und Forschung präsentieren Anwendungsbeispiele und diskutieren Herausforderungen wie Nachhaltigkeit und Leichtbau.
Wichtigste Erkenntnisse
- Die Schaumextrusion ist eine wichtige Technologie in der modernen Kunststoffverarbeitung.
- Sie ermöglicht die Herstellung geschäumter Kunststoffprodukte durch Extrusionsverfahren.
- Die Fachtagung am IKV RWTH Aachen bietet Einblicke in die gesamte Prozesskette.
- Experten aus Industrie und Forschung präsentieren Anwendungsbeispiele und diskutieren Herausforderungen.
- Nachhaltigkeit und Leichtbau sind wichtige Themen in der Schaumextrusionsbranche.
Grundlagen der Schaumextrusion und Verfahrenstechnologie
Die Schaumextrusion ist ein innovatives Verfahren in der Kunststoffverarbeitung, bei dem durch die Einbringung eines Treibmittels in die Kunststoffschmelze Polymerschäume hergestellt werden. Dabei spielen Nukleierungsmittel eine entscheidende Rolle, um die Zellbildung und -struktur zu steuern. Diese Technologie gewinnt zunehmend an Bedeutung für nachhaltige und ressourcenschonende Lösungen, da Polymerschäume eine hohe Steifigkeit und Stabilität bei geringem Materialeinsatz bieten.
Definition und Funktionsweise der Schaumextrusion
Der Prozess der Schaumextrusion umfasst mehrere Verfahrensschritte: Zunächst wird das Treibmittel in die Kunststoffschmelze eingebracht. Durch den anschließenden Druckabfall expandiert das Treibmittel und es entsteht eine poröse Struktur. Nukleierungsmittel dienen dabei zur gezielten Beeinflussung der Schaumbildung und Zellgröße. Das so entstandene schaumförmige Extrudat wird dann weiterverarbeitet. 
Bedeutung für die moderne Kunststoffverarbeitung
Die Extrusionsschäumung spielt eine wichtige Rolle in der modernen Kunststoffverarbeitung. Die Herstellung von leichten, aber stabilen Polymerschäumen ermöglicht den Einsatz in zahlreichen Anwendungsgebieten wie der Verpackung, Isolation oder Automobilindustrie. Darüber hinaus bietet die Technologie Potenziale für nachhaltige Konzepte, da durch den geringeren Materialeinsatz Ressourcen eingespart werden können.
Prozessablauf und Verfahrensschritte
Der Prozessablauf der Extrusionsschäumung lässt sich grob in folgende Verfahrensschritte unterteilen: Einbringung des Treibmittels, Aufschmelzen und Homogenisieren der Kunststoffmasse, Nukleierung zur Steuerung der Zellstruktur, Expansion und Schaumbildung sowie Kühlung und Stabilisierung des Extrudats. Das Zusammenspiel von Materialien, Prozessführung und Anlagentechnik bestimmt letztendlich die Eigenschaften des fertigen Kunststoffschaums.
Anlagentechnik für die Extrusionsschäumung
Die Schaumextrusion ist ein hochentwickeltes Verfahren zur Herstellung von Kunststoffplatten mit einer einzigartigen Zellstruktur. Beim Austritt aus der Düse dehnt sich die Schmelze bis zu einem bestimmten Grad aus, wodurch die Zellstruktur in der Wand der Kunststoffplatte entsteht. Die Umgebung in der Extrusionskammer ist extrem, so dass ein externer Antrieb für die Walzen erforderlich ist, um die schädlichen Bedingungen wie Vakuum und Druck zu verringern.
Das Schaumextrusionsverfahren ist entscheidend für die Herstellung von leichteren, elastischen Kunststoffplatten. Mehr als 300 verkaufte Systeme in der Schaumherstellung weltweit haben zu bedeutenden Kosteneinsparungen durch die Reduktion der Dichte um 5‒70% geführt.
„Die Schlüsselkomponenten und das umfangreiche Prozesswissen bilden die Basis für hocheffiziente, patentierte statische und dynamische Mischsysteme mit höchster Dosiergenauigkeit und einfachster Bedienung.“
Innovative Entwicklungen in der Extrusionsverfahren zielen auf eine verbesserte CO2-Reduktion ab. Die Fachtagung am IKV bietet Einblicke in moderne Anlagentechnik und Prozessführung, um den steigenden Anforderungen an Material- und Produktentwicklungen gerecht zu werden.
Hocheffiziente patentierte statische und dynamische Mischsysteme, Inline-Viskositätsmessung für Echtzeitüberwachung, spezifische Nukleierungsadditive und eine einzigartige schaumgerechte Düsenauslegung mit Ringdüsen ermöglichen hervorragende Schäumergebnisse.
Treibmittel und Nukleierungsmittel in der Schaumextrusion
Die Schaumextrusion ist ein innovatives Verfahren in der Kunststoffverarbeitung, bei dem Treibmittel und Nukleierungsmittel eine entscheidende Rolle spielen. Treibmittel sind für die Blasenbildung im Schaum verantwortlich, während Nukleierungsmittel die Zellstruktur beeinflussen.
Chemische und physikalische Treibmittelsysteme
Bei der Schaumextrusion kommen hauptsächlich niedrig siedende Flüssigkeiten wie Kohlenstoffdioxid (CO2) und Stickstoff (N) als Treibmittel zum Einsatz. Im Vergleich zu Kohlenwasserstoffen sind diese Inertgase umweltfreundlicher und nicht brennbar, haben jedoch einen hohen Diffusionskoeffizienten, der den Aufschäumprozess beschleunigen kann. Dies kann jedoch zu Problemen wie Wellenbildung führen, die durch geeignete Maßnahmen wie Werkzeugmodifikation, Materialauswahl und Prozessanpassung reduziert werden müssen.
Einfluss von Nukleierungsmitteln auf die Zellstruktur
Nukleierungsmittel wie Talkum beeinflussen die Zellstruktur des Schaums maßgeblich. Der Einsatz nanoskaliger Schichtsilikate als Nukleierungsmittel kann feinzelligere Schäume mit verbesserten mechanischen Eigenschaften erzeugen. Dabei spielt die Erhöhung der Grenzfläche zwischen Polymer und Nukleierungspartikel eine wichtige Rolle für die Entstehung der Blasen.
Innovative Additive und ihre Wirkung
Neben Treibmitteln und Nukleierungsmitteln können auch innovative Additive die Verarbeitung und die Produkteigenschaften in der Schaumextrusion beeinflussen. Spezielle Materialien wie hochzähes Polyethylen können beispielsweise die Wellenbildung in geschäumten Folien reduzieren, indem sie ein steiferes Materialverhalten und einen flacheren Viskositätsanstieg im relevanten Temperaturbereich aufweisen.
„Der Einsatz nanoskaliger Schichtsilikate als Nukleierungsmittel kann feinzelligere Schäume mit verbesserten mechanischen Eigenschaften erzeugen.“
Nachhaltige Materialien und Recycling-Konzepte
In der Schaumextrusion gewinnen nachhaltige Materialien zunehmend an Bedeutung. Innovationen wie die Verwendung von recyceltem PET für Dämmstoffe oder die Erforschung biobasierter Materialien zeigen den Weg in eine umweltfreundlichere Kunststoffverarbeitung.
Die Entwicklung nachhaltiger Schaumprodukte steht im Fokus aktueller Forschung und Industrie. So investiert beispielsweise Covestro in die Konzeptentwicklung zum Recycling von gebrauchten Polyurethan-Matratzenpolstern. Gleichzeitig gewinnt die Liquid State Polykondensation (LSP) an Bedeutung, da sie es ermöglicht, PET-Abfälle verschiedener Formen einfach und sicher zu verarbeiten und daraus lebensmitteltaugliche Folien herzustellen.
„Die LSP-Technologie trägt dazu bei, das weltweite Problem der Kunststoffabfälle anzugehen und wird von führenden Köpfen in der Industrie anerkannt.“
Auch bio-basierte Materialien stehen im Fokus der Schaumextrusion. Forscher arbeiten kontinuierlich an der Entwicklung innovativer, nachhaltiger Schaumprodukte, um den Bedarf an umweltfreundlichen Lösungen in verschiedenen Anwendungsbereichen zu decken.
Insgesamt zeigt sich, dass Nachhaltigkeit und Recycling-Konzepte eine immer wichtigere Rolle in der Kunststoffextrusion spielen. Die Branche ist gefordert, innovative Wege zu finden, um den ökologischen Fußabdruck von Schaumkunststoffen zu reduzieren und so einen Beitrag zu einer umweltverträglicheren Zukunft zu leisten.
Prozesskontrolle und Qualitätssicherung
Die Prozesskontrolle ist von entscheidender Bedeutung für die Qualität der Schaumprodukte. Innovative Ansätze zur schnellen Bewertung des Materialverhaltens beim Schäumen werden ständig weiterentwickelt. Die Optimierung von Prozessparametern wie Druck, Temperatur und Treibmittelkonzentration spielt eine wichtige Rolle für die Extrudatqualität.
Überwachung der Schaumbildung
Moderne Technologien wie Inline-Viskositätsmessgeräte ermöglichen eine präzise Überwachung und Kontrolle des Extrusionsprozesses. Diese Geräte erfassen in Echtzeit die Fließeigenschaften der Kunststoffschmelze und liefern wichtige Informationen zur Qualität des Schaums.
Parameteroptimierung für höchste Extrudatqualität
Durch den Einsatz innovativer Mischsysteme können Prozessparameter wie Druck, Temperatur und Treibmittelzugabe optimal aufeinander abgestimmt werden. Dies führt zu einer verbesserten Zellstruktur, höherer Maßhaltigkeit und einem reduzierten Ausschuss. Einsparungen von bis zu 30% beim Masterbatch-Verbrauch sowie Zykluszeit-Reduzierungen von bis zu 9% sind möglich.
„Mit Promix Schaumextrusions-Systemen können Kosten und Gewicht eingespart werden, und die Umwelt durch den reduzierten Kunststoffverbrauch geschont werden. Die Investition in diese Systeme zahlt sich bereits in wenigen Monaten aus.“
Durch den Einsatz intelligenter Prozessregelung und innovativer Technologien wie statische Mischer, Schmelzemischer und Wärmetauscher können Hersteller die Extrudatqualität sowie die Effizienz ihrer Schaumproduktion deutlich steigern.
Polymerschäume und ihre Eigenschaften
Polymer Schaumstoffe zeichnen sich durch ein geringes Gewicht aus und sind daher für vielfältige Anwendungen wie Wärmedämmung, Verpackung, Schuhtechnologie und konstruktiven Leichtbau geeignet. Die Schaumextrusion ist ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Schaumplatten und -folien, bei dem Forscher die Struktur und Eigenschaften der Polymerschäume gezielt einstellen können.
Durch den Einsatz von biobasierten Polymeren wie Polymilchsäure (PLA) oder recycelten Materialien wie Polyethylenterephthalat (PET) können nachhaltige Schaumstoffe hergestellt werden. Innovative Additive wie supramolekulare Substanzen optimieren zudem die Schaumbarkeit von Werkstoffen wie Polybutylenterephthalat (PBT).
Die Zellgröße der meisten Schaumstoffe liegt zwischen 0,05 und 1 Millimeter. Ihre Druckfestigkeit reicht von weichen Materialien unter 15 Kilopascal bis hin zu harten Schäumen mit über 80 Kilopascal. Die Dichte der Schaumstoffe, also ihr Raumgewicht, beträgt oftmals nur 10 Kilogramm pro Kubikmeter – das bedeutet, dass sie zu 99% aus Luft oder anderen Treibgasen bestehen.
Die thermischen Isolationseigenschaften der Schäume hängen maßgeblich vom verwendeten Treibgas ab. Beim Schaumextrusionsverfahren wird das Polymer dabei auf das 20- bis 50-fache seines Ursprungsvolumens aufgeweitet, was die Herstellung kostengünstig macht im Vergleich zu Autoklav-Methoden.
Anwendungsgebiete geschäumter Kunststoffprodukte
Geschäumte Kunststoffprodukte finden vielfältige Verwendung in verschiedenen Industriezweigen. Ein großer Anwendungsbereich ist die Verpackungsindustrie, wo sie als leichte und isolierende Verpackungen eingesetzt werden. Im Bausektor dienen sie als effiziente Dämmstoffe, insbesondere für Wände und Dächer. PET-Schaumkerne werden zudem in Sandwich-Leichtbauweisen verwendet. Auch in der Kabelbranche kommen spezielle Schaumtechnologien zum Einsatz.
Die Herstellung von geschäumten Kunststoffteilen bringt einige Vorteile mit sich. Durch den Einsatz von Extrusionsverfahren und Schaumherstellung können Energie und Material eingespart werden, was zu ihrer wachsenden Beliebtheit führt. Sowohl Thermoplaste als auch Duromere und Elastomere können technisch geschäumt werden, was die Vielseitigkeit in der Schaumteilherstellung erhöht.
„Geschäumte Kunststoffprodukte sind in verschiedenen Industriezweigen weit verbreitet, darunter Fahrzeugbau, Logistik, Luft- und Raumfahrt, Verpackungswesen und Bausektor.“
Offenzellige, geschlossenzellige und Integralschäume sind verschiedene Arten von Schaumteilen, die je nach Verfahren entstehen können. Physikalisches Schäumen erfolgt durch die Einbringung eines reaktionsträgen Gases in die Kunststoffschmelze, während chemisches Schäumen feste Additive erfordert, um CO2 während der Verarbeitung zu erzeugen.
Neuere Verfahren wie Plastinum Foam Injection Moulding kombinieren die Vorteile des physikalischen und chemischen Schäumens für eine bessere Kontrolle und Handhabung. Diese innovativen Entwicklungen in der Schaumtechnologie tragen dazu bei, dass geschäumte Kunststoffprodukte in immer mehr Anwendungsbereichen zum Einsatz kommen.
Innovative Entwicklungen in der Schaumtechnologie
Die Welt der Schaumextrusion erlebt derzeit eine Reihe spannender Innovationen. Eine der vielversprechenden Technologien sind neue Meltcooling-Verfahren, die eine nachhaltigere Herstellung von Schäumen ermöglichen. Dabei werden energieeffizientere Kühlsysteme eingesetzt, um den Kunststoff beim Extrusionsprozess schonend zu temperieren.
Darüber hinaus treibt die Industrie die Schaumextrusion von Hochleistungskunststoffen weiter voran. Diese Materialien bieten hervorragende mechanische Eigenschaften und eröffnen neue Anwendungsmöglichkeiten für geschäumte Produkte. Forscher arbeiten an Lösungen, um die Schaumextrusion dieser anspruchsvolleren Polymere zu optimieren.
Besondere Aufmerksamkeit gilt auch der Verwendung von recycelten und biobasierten Materialien in der Schaumextrusion. Innovative Ansätze zielen darauf ab, den Einsatz von Sekundärrohstoffen in dieser Branche deutlich zu erhöhen und so die Kreislaufwirtschaft voranzubringen.
„Die Schaumextrusion hat sich in den letzten Jahren rasant weiterentwickelt. Heute können wir Materialien und Prozesse nutzen, die vor einem Jahrzehnt noch undenkbar waren.“
Die Schaumextrusion ist ein dynamischer Bereich der Kunststoffverarbeitung, in dem ständig neue Lösungen entstehen. Von energieeffizienten Kühlsystemen über leistungsfähigere Hochleistungspolymere bis hin zu nachhaltigen Materialien – die Innovationen in dieser Technologie eröffnen vielversprechende Perspektiven für die Zukunft.
Herausforderungen bei der Schaumextrusion
Die Kunststoffextrusion mit Schaumbildung stellt die Branche vor beträchtliche Herausforderungen. Zum einen erfordern anspruchsvolle Materialien wie hochkristalline Polymere oder Hochleistungskunststoffe spezielle Verarbeitungstechniken, um optimale Schaumstrukturen zu erzeugen. Die Exfolierung nanoskaliger Partikel und die homogene Dispergierung von Additiven wie Nukleierungsmittel sind hier zentrale Aufgaben für die Prozessoptimierung.
Zudem müssen Prozessstörungen wie Schwankungen in der Schaumbildung oder Inhomogenitäten im Extrudat zuverlässig beherrscht werden. Die Überwachung der Schaumstruktur in Echtzeit und eine präzise Regelung der Prozessparameter sind daher von entscheidender Bedeutung für eine hohe Produktqualität.
Materialtechnische Limitationen
Nicht jeder Kunststoff eignet sich in gleichem Maße für die Schaumextrusion. Manche Materialien neigen zur vorzeitigen Zersetzung oder weisen unzureichende Schäumbarkeit auf. Spezielle Additive und Modifizierungen der Polymerzusammensetzung sind häufig notwendig, um diese Limitationen zu überwinden.
Prozessoptimierung und Störungsmanagement
Die Steuerung und Überwachung des Extrusionsprozesses erfordert ein hohes Maß an Erfahrung und Kompetenz. Nur durch eine kontinuierliche Optimierung der Prozessparameter kann eine stabile Schaumbildung und eine gleichmäßige Produktqualität sichergestellt werden. Zudem müssen Störungen wie Blasenbildung oder Ungleichförmigkeiten im Extrudat schnell erkannt und behoben werden.
„Die Herausforderungen der Schaumextrusion liegen im Zusammenspiel von Materialauswahl, Prozessführung und Qualitätssicherung. Nur wer diese Faktoren perfekt aufeinander abstimmt, kann die Vorteile dieser innovativen Technologie voll ausschöpfen.“
Zukunftsperspektiven und Trends
Die Zukunft der Schaumextrusion konzentriert sich auf nachhaltige Lösungen und verbesserte Materialeigenschaften. Der Trend geht hin zur Verwendung von recycelten und biobasierten Materialien, um den ökologischen Fußabdruck zu reduzieren. Gleichzeitig wird die Optimierung der Energieeffizienz in den Extrusionsverfahren immer wichtiger, um die Ressourcen zu schonen und die Produktionskosten zu senken.
Darüber hinaus eröffnen sich neue Anwendungsfelder für geschäumte Kunststoffprodukte, insbesondere im Bereich der nachhaltigen Mobilität. Hier bieten Polymerschäume vielversprechende Lösungen für leichtere und effizientere Fahrzeugkomponenten. Die Integration von Industrie 4.0-Technologien, wie maschinelles Lernen und vernetzte Prozesssteuerung, wird in der Schaumextrusion zunehmen, um die Prozesskontrolle und Qualitätssicherung weiter zu verbessern.
Insgesamt wird die Weiterentwicklung der Schaumextrusion von der Suche nach nachhaltigeren und innovativeren Materialien sowie der Optimierung der Verfahrenstechnik geprägt sein. Durch den Einsatz neuer Technologien und die Erschließung neuer Anwendungsfelder wird sich die Schaumextrusion als zukunftsfähige Kunststoffverarbeitung behaupten.
