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Polymer Engineering: Fraunhofer Institut macht Fortschritte bei Schäumtechnologien

Effiziente Dämmwerkstoffe, Schäume für Strukturanwendungen, biobasierte, flammgeschützte sowie Hochleistungsschäume sind derzeit stark am Markt angefragt. Forscher der Gruppe „Schäumtechnologien“ am Fraunhofer ICT (Institut für Chemiesche Technologie) befassen sich intensiv mit der Entwicklung von geschäumten Materialien, deren Eigenschaften maßgeschneidert für die jeweiligen Anwendungen sind. Neben der Materialentwicklung legen die Forscher ein großes Augenmerk auf die Verbesserung der Verfahren. Dabei ist umfangreiches Know-how für Partikelschäume und zu kontinuierlich hergestellten Extrusionsschäumen (XPS-Verfahren) entstanden. Anlagenseitig ist das ICT bei dem kontinuierlichen Verfahren eine Kooperation mit einem namhaften deutschen Hersteller für die XPS-Anlage sowie Lewa für die Dosierung eingegangen. Dabei ist ein für Forschungs- und Entwicklungsaufgaben flexibel einsetzbares Technikum am ICT entstanden, in dem Entwicklungen von der Rohstoff-Formulierung bis hin zur Bauteilprüfung möglich sind.

Forschungsprojekte zu Partikelschäumen und Halbzeugen

Durch die am Institut verfügbare neue Anlagentechnik können komplexe Themen in der Herstellung von Schäumen behandelt und bis hin zu vorseriennahen Anwendungen erprobt werden. Für die Partikelschäume ist dabei die gesamte Verarbeitungskette von der Herstellung der sogenannten Beads über die Weiterverarbeitung bis hin zum Formteilprozess etabliert. Neben Partikelschäumen wie zum Beispiel mit Pentan beladene EPS-Partikel oder direktgeschäumte Partikel aus Polypropylen (EPP), werden auch direktgeschäumte Halbzeuge gefertigt. Darüber hinaus werden in beiden Prozessen verschiedene Biopolymere auf Basis von Milchsäure und Celluloseestern zu Partikeln und Halbzeugen entwickelt. Im Rahmen des EU-Projekts FoAM-BUILD (EU FP7 609200) werden Hochleistungsdämmmaterialien für Verbundsysteme auf Basis von expandiertem Polystyrol-Partikelschaum hergestellt. Das EU-Projekt WALiD (EU FP7 309985) hat die Entwicklung von Sandwichkernmaterialien für Rotorblätter von Windkraftanlagen zum Thema. Dafür werden verschiedene Hochleistungsthermoplaste im Direktschaumprozess mit verschiedenen Treibmittelmischungen geschäumt, beispielsweise Polyester zur Herstellung von X-PET. Des Weiteren laufen diverse Projekte in Kooperation mit Industrieunternehmen, die sich beispielsweise der Optimierung von Treibmittelrezepturen für eine bessere Schäumbarkeit widmen.

Kundenspezifische Anpassung an vielfältiges Einsatzspektrum

Damit die seit Juli 2015 installierte Lewa-ecofoam-Anlage, ein redundant aufgebautes, absolut dichtes System, in den unterschiedlichen Projekten gleichermaßen einsetzbar ist, sollten alle gängigen Treibmittel damit dosiert werden können. Um dem vielfältigen Einsatzspektrum gerecht zu werden, wurden alle wichtigen Prozessparameter wie Saugdruck, Kühlung und Gegendruck bereits in der Planungsphase geklärt. Aufgrund der beengten Platzverhältnisse vor Ort wurde die Anlage mit mechanischem Teil und Schaltschrank auf einem gemeinsamen Grundrahmen bewusst kompakt aufgebaut und komplett anschlussfertig inklusive Verrohrung und Verdrahtung geliefert und montiert. Für die fluidberührten Komponenten der ecofoam wird generell hochwertiger V4A-Edelstahl (1.4571 oder qualitativ vergleichbar) und als Membranwerkstoff PTFE beziehungsweise alternativ V4A-Edelstahl (1.4401) verwendet. Somit war keine spezielle Anpassung der Komponenten notwendig, da die eingesetzten Werkstoffe durch ihre Beständigkeit für alle gängigen Treibmittel, von halogenisierten Kohlenwasserstoffen über Butan, Pentan oder Propan bis hin zu CO2, einsetzbar sind.

Mit der Lewa ecofoam-Anlage lassen sich Treibmittel wie CO2, Propan, Butan, halogenierter Kohlenwasserstoff und Pentan mengengenau in die Kunststoffschmelze eines Extrusionsprozesses eindosieren. | Foto: LEWA GmbH

Mit der Lewa ecofoam-Anlage lassen sich Treibmittel wie CO2, Propan, Butan, halogenierter Kohlenwasserstoff und Pentan mengengenau in die Kunststoffschmelze eines Extrusionsprozesses eindosieren. | Foto: LEWA GmbH

Da die Treibmittel jedoch in flüssigem Zustand vorliegen müssen und ausreichend Abstand zum jeweiligen Dampfdruck haben sollten, verbaute Lewa verschiedene Zusatzkomponenten, wie etwa einen Kühlmantel an jedem Pumpenkopf, einen saugseitigen Platten-Wärmetauscher (Kühler) und einen Durchlaufkühler. Diese Komponenten sind für CO2-Anwendungen erforderlich, damit vor dem Eintritt in die Pumpe für die Kühlung des CO2 gesorgt wird. Die anfängliche Fluidtemperatur von 20 °C bei einem zugehörigen Dampfdruck des CO2 von 57 bar kann so auf circa 5 °C reduziert werden. Somit ist eine ausreichende Sicherheit vor Kavitation im System erreicht. Bei anderen Treibmitteln, wie etwa Butan, kann auf die Kühlung verzichtet werden, sofern es die saugseitigen Bedingungen zulassen.

Wartungsarme Technik und schnelle Regelung

Dank der Lewa-Membrantechnologie, die sich durch ihren hohen Wirkungsgrad, absolute Dichtheit und ein integriertes Überwachungssystem auszeichnet, lässt sich die ecofoam auch bei schwierigen Betriebsbedingungen genau, sicher und zuverlässig betreiben. Außerdem ist der Wartungsaufwand im Vergleich zu Systemen mit Kolbentechnologie wesentlich geringer. Das System kann bei Extruderdrücken bis 400 bar eingesetzt werden. Ein saugseitiger Schmutzfänger, zwei Kontaktmanometer zur Drucküberwachung in der saug- und druckseitigen Rohrleitung sowie ein bauteilgeprüftes Sicherheitsventil zum Schutz vor Überdruck tragen weiterhin zu einer sicheren Anlagenausführung bei. Durch die Kombination von Drehzahlregelung und manueller Hubverstellung der Pumpe kann ein Volumenstrom über einen weitreichenden Stellbereich von 0,1 l/h bis 10 l/h realisiert werden. Da das System mit einem hochgenauen Masse-Durchflussmesser sowie der LEWA smart control Regeleinheit ausgestattet ist, wird stets eine schnelle und präsize Regelung erreicht. Der Volumenstrom des Treibmittels wird dabei immer in Abhängigkeit von dem Extruderdurchsatz geregelt. Die Plausibilität der Vorgaben (Sollwerte) und Rückmeldungen (Istwerte) werden dabei kontinuierlich überwacht. Somit ist jederzeit eine gleichbleibende Qualität des Endprodukts gesichert.