Ein Mehrwert für die Umwelt: Fertigung überwachen, Ausschuss reduzieren

Kunststoffe und ihre Vielfältigkeit können eine gewisse Faszination ausüben. So war es auch bei Nele Zerhusen: Schon während der Schulzeit hat das Thema sie in seinen Bann gezogen. In ihrer Bachelorarbeit erforschte sie einige Jahre später, wie Kunststoffe zum Wohle der Umwelt weiterentwickelt werden können. Ihre herausragende Arbeit wurde schließlich mit dem Preis der Deutschen Kautschuk-Gesellschaft geehrt.

Im Interview mit K-MAG spricht Nele Zerhusen darüber, was sie an der Forschung rund um Kunststoffe fasziniert, was die Ergebnisse ihrer Forschung für die Industrie bedeuten und wie sich die Kunststoff-Forschung in ihren Augen weiterentwickeln wird.

Warum haben Sie sich für ein Studium der Werkstoffwissenschaften entschieden?

Nele Zerhusen: Schon in meiner Schulzeit habe ich mich besonders für Chemie und Physik interessiert, sodass ich mein Schulpraktikum bei einem kunststoffverarbeitenden Unternehmen im Labor absolviert habe. Ziemlich schnell hat sich herausgestellt, dass es ein naturwissenschaftlich beziehungsweise technischer Studiengang werden soll. Durch einen Bekannten wurde ich auf das duale Studium bei Pöppelmann gestoßen. An dem Studiengang hat mir besonders gefallen, dass sowohl chemische als auch physikalische Module zum Inhalt gehören, die direkt auf die Praxis bezogen werden. An Kunststoff selbst fasziniert mich besonders die Vielfältigkeit und die Einsatzmöglichkeiten.

Worum ging es in Ihrer Abschlussarbeit und zu welchem Ergebnis sind Sie gekommen?

Zerhusen: In den letzten zwei Jahrzehnten wurde die Technologie zur Erzeugung und Detektion von Terahertz-Strahlung beträchtlich weiterentwickelt, sodass die besonderen Eigenschaften der Strahlung nutzbar gemacht werden konnten. Erst seit einigen Jahren hat TeraTonics den STRIPP-Sensor zur Inline-Kontrolle mithilfe von Terahertz Strahlung eingeführt. In meiner Bachelorarbeit habe ich diesen neuen und schnellen Ansatz der Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie mit der Röntgen-Computertomographie verglichen. Verglichen wurden die Verfahren anhand der Aufnahmen eines Bauteils aus der Thermoplast-Schaumspritzguss-Verarbeitung (TSG). Die Bewertungskriterien waren die Dichteverteilung sowie Zellstruktur, -größe und -verteilung, über das gesamte Bauteil sowie einzelne Bauteilmaße. Das Ergebnis ist, dass die Messmethode nach der Anwendung und der Fragestellung ausgewählt werden muss.

Die Single Shot Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie mit dem STRIPP-Sensor der Firma TeraTonics S.A.S. arbeitet mit einer Messgeschwindigkeit von 500 cm2/ 30s und kann direkt an der Spritzgussmaschine eingesetzt werden. Die Terahertz-Strahlung ist nicht ionisierend, sodass auf Sicherheitsvorkehrungen hinsichtlich der Strahlenschutzverordnung verzichtet werden kann. Diese Faktoren und die geringe Größe des Sensors selbst ermöglichen eine 100-Prozent-Überwachung der Serie. Ein weiteres Argument für den STRIPP-Sensor sind die vergleichsweise geringen Kosten.

Die Bilder des Sensors haben eine gute räumliche Auslösung und machen die Abbildung der Dichteverteilung oder die Detektion von potenziellen Defekten möglich. Die Auflösung des Sensors ist durch die Wellenlänge der Terahertz-Strahlung begrenzt, sodass für die Messungen höherer Auflösungen die Computertomographie (CT) eingesetzt werden muss. Die CT wiederum ist in der Anschaffung und im Unterhalt recht kostspielig, insbesondere für industrielle Bauteile, die häufig ein großes Probenvolumen erfordern.

Was bedeuten die Ergebnisse Ihrer Forschung für das Unternehmen Pöppelmann?

Zerhusen: Durch dieses Projekt hatte ich die Möglichkeit die Technologie in der Tiefe besser zu verstehen, die Einsatzmöglichkeiten zu testen und erste Erfahrungen mit dem Sensor bei TeraTonics zu sammeln. Auf diese Weise konnte ich viele Informationen über die Technologie für das Unternehmen in Erfahrung bringen, sodass die Einsatzmöglichkeiten für verschiedene Projekte eingeschätzt werden können.

Was macht die Messtechnologie mittels STRIPP-Sensors innovativ und welchen Mehrwert bietet sie für Kunststoffverarbeiter?

Zerhusen: Durch diesen Sensor eröffnet sich die Möglichkeit, verschiedene Bauteile in der Serienfertigung zu 100 Prozent zu überwachen. Da das Messgerät nicht ionisierend und gesundheitlich unbedenklich ist, sind keine entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen zu treffen.

Inwiefern hilft die Messtechnik, Kunststoffe besser im Sinne einer Kreislaufwirtschaft zu nutzen oder zu entwickeln?

Zerhusen: Der STRIPP-Sensor ist als Inline-Kontrolle von Kunststoffbauteilen gedacht und ist nicht Teil der Kreislaufwirtschaft. Allerdings ermöglicht die Technologie eine 100-Prozent-Überwachung in der Serienfertigung. Fehler im Prozess, beispielsweise Abweichungen in der Zellverteilung im TSG, können frühzeitig erkannt werden. In Zusammenhang mit Industrie 4.0 soll der STRIPP-Sensor zukünftig ein Echtzeit-Feedback an die Fertigungsanlagen geben. Daraus resultiert eine Ausschussreduzierung.

Was glauben Sie, wie sich die Forschung rund um Kunststoffe und Kreislaufwirtschaften weiter entwickeln wird?

Zerhusen: Das Bewusstsein der Gesellschaft hinsichtlich der Umwelt hat sich in den letzten Jahren sehr verändert. Die Kunststoffabfälle in den Meeren und auf dem Land resultieren in einem negativen Image der Kunststoffe. Um weitere Kunststoffe in der Umwelt zu reduzieren, sollten Kunststoffabfälle reduziert oder wiederverwendet werden. Zur Reduzierung der Kunststoffabfälle sollten die Prozesse mit einem minimalen Ausschuss gestaltet werden. Hierzu zählt die Optimierung der Anlagen, beispielsweise durch den STRIPP- Sensor, sowie der Wiedereinsatz von prozessbegleitenden Abfällen, wie Angüssen.

Die Möglichkeiten des recycelten Materials sind meiner Meinung nach nicht vollständig ausgeschöpft. Um diesen Einsatz zu steigern, gilt es, mehr Kunststoffartikel recyclingfähig zu gestalten und das Vertrauen der Kunden in Post Consumer Materialien (PCR) zu steigern.

Damit die Kunststoffartikel recyclingfähig sind, ist es erforderlich, bereits im Entwicklungsprozess Einfluss zu nehmen. Ein Beispiel ist der Trend, Joghurt-Becher aus Polypropylen (PP) mit einem Etikett aus Pappe zu gestalten. Der PP-Becher ist problemlos recyclefähig. Das Papp-Etikett muss jedoch vor der Entsorgung abgetrennt werden. Geschieht dies nicht, ist das Recycling des Bechers erschwert. In der Entwicklung der Verpackung sollten diese Hindernisse für das Recycling vermieden werden.

Besonders im Pharma- und Medizin-Bereich ist der Einsatz von PCR durch verschiedene Normen und Regularien nicht möglich. Um das Vertrauen der Kunden in das Material zu steigern, sind verschiedene Versuche nötig. Hierzu zählen Analysen der Struktur und Zusammensetzung, die Ermittlung verschiedener Kennwerte und das Aufbauen von Wareneingangskontrollen. Ich denke, dass das Interesse an PCR-Material in Zukunft immer weiter steigt. Dies ist ein wichtiger Schritt zur Reduzierung des CO2-Fußabdrucks verschiedener Kunststoffartikel und zur Reduzierung des Kunststoffs in der Umwelt.