Hilfreiche Tipps für das richtige Dosieren in Kunststoff-Recycling-Prozessen

Doch wie kann das Recycling von Kunststoff im industriellen Maßstab mit höchster Qualität umgesetzt werden? Derzeit können neue Hoffnungsträger wie biologisch abbaubare Kunststoffe die hohen Erwartungen, die in sie gesetzt werden, nur schwer erfüllen. Die Kunststoffprodukte zersetzen sich nur unter sehr spezifischen Bedingungen. Die Aufklärung der Konsumenten zur fachgerechten Entsorgung kommt nur schleppend voran und die Abfallindustrie hat damit zu kämpfen, diesen neuen Materialstrom richtig zu nutzen. Dies gilt insbesondere für Verpackungen, bei denen herkömmliche Kunststoffe wie PET, PE oder PVC auf absehbare Zukunft scheinbar ohne Konkurrenz bleiben. Um ihre Auswirkungen auf die Umwelt konsequent zu verringern, bleibt der Kunststoffindustrie nur eine Wahl: ihr Wandel zu einer Kreislaufwirtschaft.

Hierfür muss der Prozentsatz des sekundären Rohmaterials bei der Verarbeitung deutlich gesteigert werden. Zudem muss der Sekundärkunststoff genauso einfach zu verarbeiten sein wie neues Material.

Bei der Konfiguration von Recyclingsystemen muss sichergestellt werden, dass der sehr heterogene Sekundärrohstoff zuverlässig verarbeitet werden kann. Die exakte Dosierung muss sowohl für Material mit geringer als auch für Material mit hoher Schüttdichte sicher gestellt sein.

Dieser Beitrag geht auf die bisherigen Fortschritte im Kunststoff-Recycling ein. Es wird gezeigt, welche Potenziale die präzise Dosierung von Sekundärrohstoffen eröffnet. Dazu zählen die Überwachung der unterschiedlichen Prozessvariationen, das Auslesen von Trends und die Ableitung von Reaktionen. Das Sammeln solcher Daten und deren Auswertung im Einklang mit Industrie 4.0-Standards schafft die Voraussetzung, um die zukünftigen Herausforderungen in der Fertigung zu meistern. Dazu zählen eine verbesserte Rückverfolgbarkeit, die Steigerung der Flexibilität sowie die maximale Gesamteffektivität einer Anlage.

Zeit, etwas zu bewegen
Vielen Verbrauchern ist nicht klar, dass der überwiegende Teil von recyceltem Material lokal sortiert werden muss. Ein Großteil der Kunststoffmaterialien wird komprimiert, gebündelt und für die Aufarbeitung in andere Länder geliefert, in erster Linie aufgrund der Kosten und wegen lokaler Umweltauflagen, die eine Verarbeitung vor Ort unpraktikabel machen.  

Die Kunststoffindustrie hat erkannt, dass sie nachhaltiger produzieren muss, um den Forderungen der Endverbraucher mit ihrem sich ändernden Konsumverhalten gerecht zu werden und um die weltweit immer strengeren Umweltgesetze zu erfüllen. Kunststoff-Recycling muss sich deutlich weiterentwickeln. In vielen Bereichen stellt sich allerdings die Frage, wie das Recycling im industriellen Maßstab umgesetzt werden kann, ohne dabei  auf die hohe Qualität des Endprodukts zu verzichten.

Coperion und Coperion K-Tron realisieren seit vielen Jahren Technologielösungen für verschiedene Recycling-Anwendungen. Hierzu zählen mechanisches und chemisches Kunststoff-Recycling, PET-Recycling, Upcycling und vieles mehr. Peter von Hoffmann, General Manager Business Unit Engineering Plastics & Special Applications bei Coperion, ist überzeugt: „Nachhaltigkeit wird immer wichtiger und das Thema Kreislaufwirtschaft steht bei vielen Unternehmen immer stärker im Vordergrund. Wir sind stolz, dass wir mit unserem über Jahre hinweg erworbenen Prozess-Know-how und unseren visionären technologischen Lösungen zu einem vielversprechenden und nachhaltigen Kunststoff-Recycling beitragen können. Unsere Extruder, Dosierer, Material Handling-Anlagen und unsere Komplettlösungen helfen, den Weg der Kunststoffindustrie zur Kreislaufwirtschaft zu ebnen.“

Evolution des Recyclings – Herausforderungen beim Dosieren von Materialien in den Prozess
Ein bemerkenswerter Unterschied zwischen primären und sekundären Materialien macht sich beim Dosieren bemerkbar. Wie praktisch jedes Recyclingmaterial sind Abfallkunststoffe hinsichtlich Größe, Form und Schüttdichte heterogen. Daher ist die richtige Auswahl der Dosiertechnologie sehr wichtig, um einen optimalen Schüttgutstrom zu sichern.

Die am besten geeignete Dosierlösung für die jeweilige Anwendung muss sowohl technisch geeignet als auch wirtschaftlich effizient sein – in Bezug auf die Investition und den Betrieb. Es ist hilfreich, sich auf Anbieter mit einer großen Bandbreite an Dosierlösungen zu verlassen. In Frage kommen neben anderen Produkten Dosierbandwaagen, Vibrations- oder Schneckendosierer. Jede Technologie hat ihre jeweiligen Vorteile. Entscheidend ist, dass der Anbieter das Prozess-Know-how besitzt, um die betrieblichen Anforderungen und die Prozesse zusammen zu führen.

Einfachschneckenextruder, die im Kunststoff-Recycling sehr häufig im Einsatz sind, werden primär mithilfe von volumetrischen Dosierern beschickt, die sich nur für den Einzug von Schüttgut mit konsistenter Dichte eignen. Bei der Handhabung von sekundären Rohmaterialien können die oben beschriebenen Schüttgutmerkmale schnell zu Unregelmäßigkeiten im Flussverhalten führen.

Im Gegensatz hierzu werden Doppelschneckenextruder üblicherweise mit gravimetrischen Dosierern beschickt. Diese arbeiten wesentlich präziser und reagieren dank des Gewichtssignals besser auf Schwankungen bei der Schüttdichte und beim Materialfluss. Außerdem ist ihre Einzugsleistung präzise dokumentiert.

Verbesserte Robustheit – Optionen für das Handling von Materialien mit schwierigen Fließeigenschaften
Vor dem Auswählen der richtigen Dosiervorrichtung muss sichergestellt werden, dass das Material durch den Trichter zum Dosierer passieren kann. Aufgrund von Schwankungen bei den Materialgrößen kann es zur Bildung von Brücken kommen. Rezyklate, die ineinander greifen, neigen zur Brückenbildung oberhalb der Dosierschnecken, was zu einem gravierenden Materialmangel in der Dosiervorrichtung führen kann. Dies könnte die Produktrezeptur verfälschen und zur Erzeugung eines Produkts führen, das nicht den Spezifikationen entspricht. Zur Vermeidung dieses Problems werden oft externe Rührer empfohlen.

Coperion K-Tron Lösung: Vibrationen für Materialien mit schlechten Fließeigenschaften
Bei Differentialdosierern (LIW) können externe Vibrationen, z.B. verursacht durch die Verwendung von üblichen Klopfer auf den Dosierertrichtern, Störungen des Gewichtssignals verursachen, wenn die Steuerung sie nicht herausfiletern kann. Abhilfe schaffen einige neue Regeltechnologien, die auf den Trichter einwirkende Vibrationen herausfiltern – so beispielsweise die Schüttgut-Fließhilfe ActiFlow™ von Coperion K-Tron. ActiFlow besteht aus einem Vibrationsantrieb außen am Trichter befestigt mit einer separaten Steuerung, welche direkt in die Gewichtssystemsteuerungen eingebunden ist. Dieser Antrieb wird mit einer variablen Frequenz und Amplitude auf Basis der Wäge- und Steuerungstechnologie betrieben und erkennt einen nicht gleichförmigen Materialfluss. Dieses Echtzeit-Gerät steigert die externe Vibration dann, wenn es eine Abweichung im LIW-Signal gibt, wie dies im Falle von Materialbrücken der Fall ist. Eine solche, smarte Fließhilfe passt Frequenz und Amplitude jeweils so an, dass Änderungen beim Füllstand des Trichters oder Materialflusses ausgeglichen werden. Auf diese Weise werden Brücken verhindert, bevor sie sich bilden können.

Dosiertechnologie
Dosierbandwaagen sind zuverlässige, relativ einfach aufgebaute, gravimetrische Dosiervorrichtungen, die hohe Präzision und eine effiziente Prozesssteuerung sichern. Sie können auf zuverlässige Weise große Volumen an Schüttgut und Materialien mit variierenden Fließeigenschaften dosieren, da sie das Schüttgut vor der Beschickung wiegen und aktiv die Geschwindigkeit des Förderbands anpassen. Dosierbandwaagen eignen sich beispielsweise für das Verarbeiten von Rezyklaten mit schwankender Schüttdichte.

In vielen Anwendungen ist die Dosierbandwaage mit einer Schneckendosiervorrichtung als Vordosierer kombiniert, um den Massenstrom auszugleichen oder um Materialien, die zur Brückenbildung auf dem Förderband neigen, zuverlässig zu transportieren. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass abhängig von der Platzierung Dosierbandwaagen selbst mit Vordosierern häufig weniger Platzbedarf als andere Dosierlösungen erfordern. Viele Dosierbandwaagen können darüber hinaus optimal mit hitzebeständigen Silikonbändern ausgestattet werden, falls das Schüttgut aus einem beheizten vorgeschalteten Verfahren stammt.

Wenn kleinere Rezyklate oder Randschnitte dosiert werden oder Glasfasern dem Compoundierprozess zugegeben werden, sind Vibrationsdosierer eine sehr gute Lösung. Diese sind in unterschiedlichen Größen mit anwendungsspezifischen Varianten der Rinne verfügbar und eignen sich somit für eine sehr breite Palette an Schüttgütern. Vibrationsdosierer arbeiten ohne mechanische Teile, die Verschleiß unterliegen. Dies ist für den Dauerbetrieb sehr vorteilhaft – Vibrationsdosierer sind praktisch wartungsfrei. Auf das Schüttgut wirken keinerlei mechanische Kräfte ein. Der Schlüssel zu einer erfolgreichen Implementierung besteht darin, den Materialfluss oberhalb der Vibrationsrinne sicher zu stellen, ohne dass es zu Brückenbildungen kommt.

Allerdings stoßen insbesondere Unternehmen, die größere Rezyklatmengen verarbeiten möchten, mit dieser Dosiertechnologie an Grenzen. Weist das Material äußerst unregelmäßige Größen und Formen auf, sollte eine Schneckendosiervorrichtung verwendet werden – im Allgemeinen mit einer einzelnen Schnecke. Die sich drehende Schnecke fördert und dosiert das Material von einem Trichter in das ihr folgende Verfahren. Mithilfe der Schnecke und eines horizontalen Rührwerks wird ein gleichmäßiger Massenstrom sichergestellt. Schneckendosierer sind in verschiedenen Größen und Konfigurationen verfügbar. Es muss zwischen Einfach- und Doppelschneckendosierer unterschieden werden. Beide Formen sind in gravimetrischen und volumetrischen Ausführungen verfügbar.

Insbesondere Doppelschneckendosierer werden auch zu einem späteren Zeitpunkt entlang der Wertschöpfungskette eingesetzt, beispielsweise bei der Compoundierung. Hier besticht die Technologie durch die genaue Dosierung selbst von feinstem Schüttgut, was häufig auf Zuschlagstoffe zutrifft. Dank der hohen Präzision der Wägetechnologie und genauen Steuerungsalgorithmen werden Zusatzstoffe exakt entsprechend der Rezeptur sicher in den Prozess dosiert, und die Qualität des Endprodukts wird konstant optimiert.

Um Unterbrechungen bei der Dosierung zu verhindern, veranlasst die Steuereinheit regelmäßig die Nachfüllvorrichtung, den Dosiertrichter mit Material zu füllen. Während jedes kurzen Nachfüllzyklus steigt das Nettogewichts-Signal vom Trichter, sodass dieser Wert nicht als Steuersignal für die aktuelle Materialzufuhr verwendet werden kann. Um dies auszugleichen, wird die LIW-Dosiervorrichtung während des Nachfüllens vorübergehend im volumetrischen Modus betrieben.

Die Dosierungssteuerung kann in ein übergreifendes Prozessleitsystem integriert werden, das die gesamten Dosiervorrichtungen und weitere Ausrüstungen überwacht.

Verbesserte Produktivität durch Trendauswertung des Dosierers
Die Fähigkeit des LIW-Dosierers, Verfahrensdaten in Echtzeit zu sammeln, kann dabei unterstützen, kleine Verfahrensprobleme abzufangen, bevor sich diese zu großen Problemen entwickeln. Die fortschrittlichen Steuerungstechnologien von heute decken die Kommunikation über eine Vielfalt von Protokollen ab, wobei einige sogar integriertes Ethernet und optionale WLAN-Module umfassen. Neuere Steuerungen können Datensätze über eine längere Zeitspanne speichern, zum Beispiel bis zu sechs Monate. Dazu zählen beispielsweise die Dosierleistung, das Nettogewicht und die Beziehung zwischen Antriebszahl und Dosierleistung (Dosierfaktor). 

Zusammenfassung
Mehr Nachhaltigkeit und ein Kreislauf des Kunststoffs erfordern zukunftsorientierte Recyclingprozesse und Technologielösungen. Kunststoff-Recycling muss sowohl technisch als auch wirtschaftlich machbar sein. Die Auswahl der richtigen Dosierlösung und die Vorteile, die dadurch für ein Recyclingverfahren entstehen, werden wichtiger denn je. Dosierer müssen höchste Zuverlässigkeit und Flexibilität im Prozess sichern. Solide, mechanische Dosierer kombiniert mit hochmodernen Steuereinheiten führen auf viele Jahre hinaus zu robusten, präzisen Dosierlösungen und geben die Gewissheit, optimal auf künftige Herausforderungen beim Recycling von Kunststoffen vorbereitet zu sein.