Durch die globale Klimaerwärmung und die damit verbundenen, aktuell weiter verschärften Klimaschutzziele gewinnt die nachhaltige und ressourcenschonende Produktion immer weiter an Bedeutung. Ein elementarer Bestandteil für die Ressourcenschonung ist das Recycling von Materialien als schließender Aspekt der Kreislaufwirtschaft, um die eingesetzten Ressourcen möglichst effizient und lange zu nutzen. So können Umweltbelastungen durch den Abbau primärer Rohstoffe und der Müllerzeugung deutlich vermindert werden. Von den ca. 107 Mio. Tonnen Abfällen, die jährlich in Produktion, Gewerbe und im Haushalt deutschlandweit anfallen, bestehen ca. 7 Mio. Tonnen aus Kunststoff. Von diesen werden aktuell nur 2 Mio. Tonnen pro Jahr recycelt, was gerade mal 28% der gesamten Kunststoffabfälle entspricht. Gründe für diese niedrige Recyclingrate sind vielfältig, gehen aber zu einem großen Teil auf die ca. 20-30% höheren Kosten für das Recycling von Kunststoffen im Vergleich zum Neuprodukt zurück. Der Recyclinganteil soll in Zukunft aber deutlich erhöht werden. Seitens der EU-Kommission im Rahmen des Aktionsplans zur Kreislaufwirtschaft sollen bis 2030 sämtliche Kunststoffverpackungen wiederverwertbar oder wirtschaftlich recycelt werden können.
Beim verbreiteten werkstofflichen Kunststoff-Recycling wird das Material zerkleinert, eingeschmolzen und anschließend werden Fremdkörper rausgefiltert, bevor über einen Extruder ein Kunststoffgranulat für die weitere Verarbeitung erzeugt wird. Durch die deutliche Steigerung der Recyclingmengen in den letzten Jahren erhöhen sich auch die Störstoffanteile, die rausgefiltert werden müssen. Die in der Vergangenheit verwendeten Drahtgewebebänder können (wirtschaftlich) Störstoffanteile bis 5% filtern. Aktuelles Recycling-Material hat deutlich größere Störstoffanteile bis zu 15%, die nur mit neuen lasergebohrten Filtern (Laserfilter) gefiltert werden können. Laserfilter haben aktuell aber noch eine Reihe von Nachteilen. Über einen Schaber werden die Störstoffe von dem Filter abgeführt, dabei wird aber auch die Filterscheibe mit abgeschabt. Dies führt zu einer unkontrollierten Vergrößerung der Bohrungsdurchmesser und damit Änderung der Qualität der gefilterten Kunststoffschmelze. Auch Verstopfungen der Filterscheibe sind häufig und führen zu großen Variationen in der Standzeit der Filter. Die Filtereinheiten haben zudem einen signifikanten Einfluss auf die Betriebskosten der Anlage, da sie die Druckdifferenz und damit den Energieverbrauch signifikant beeinflusst, durch die Standzeit der Filtereinheit die Anlagenverfügbarkeit bestimmt und ein häufiger Austausch hohe Beschaffungskosten bedeutet.
Ziel des Vorhabens ist daher die Entwicklung der Filtereinheit als Kernkomponente von Kunststoff-Recyclingmaschinen, um damit sowohl die Qualität der Kunststoffschmelze zu erhöhen als auch die Betriebskosten und den Energieverbrauch der Recyclingmaschinen zu reduzieren. Dies steigert die Konkurrenzfähigkeit von recycelten Kunststoffen im Vergleich zum Neuprodukt und soll den Kostennachteil vom Recyclingprozess kompensieren. Eine Steigerung des Recyclinganteils auf >50% wird dadurch mittelfristig ermöglicht. Auch Störstoffanteile von mehr als 15% sollen mit der Filtereinheit herausgefiltert werden können. Dies soll über ein Neudesign der Filtereinheit erreicht werden, um höhere Standzeiten der Filtereinheit bei gleichzeitig gesteigerter Filterqualität zu ermöglichen. In diesem Projekt wird ein grundlegend neues Konzept aus Laserfilter und Schaber als auch der Laserprozess untersucht und auf das Anforderungsprofil des Kunststoffrecyclings maßgeschneidert.
Eines der größten Kunststoffrecycling-Firmen in Europa wird die im Projekt neu entwickelten Filtersiebe im realen Betrieb testen. So kann bereits während des Projekts ein Test der Filter in Einsatzumgebung ermöglicht werden.
Das Projekt ist in 7 Arbeitspakete, die teilweise parallel bearbeitet werden, unterteilt.
Im AP 1 werden Lastenheft, Randbedingungen und Testverfahren definiert.
Auf dieser Grundlage wird dann im AP2 eine neue Filtereinheit entwickelt und verschiedene Prozessketten zur Vor- und Nachbehandlung der Filterscheiben getestet. Dieses Arbeitspaket liefert sowohl den Input/die Startbedingungen für die nachfolgenden Arbeitspakete zu den Materialuntersuchungen (AP3) und dem Laserbohrprozess (AP4), ist aber gleichzeitig auch auf die Ergebnisse/Erkenntnissen aus diesen Arbeitspaketen angewiesen.
AP3 untersucht die Materialkombination von Filtersieb und Schaber, inklusive möglicher Härtemethoden.
Ziel der Weiterentwicklung des Bohrprozesses in AP4 ist die Herstellung einer optimierten Lochgeometrie, bei der sich auch nach Materialabtrag die Filterfeinheit nicht ändert. Eine Modulation des zeitlichen Verlaufs eines Laserpulses oder die Nutzung eines Pulsbursts aus zwei oder mehreren unterschiedlichen Laserpulsen sind vielversprechende Ansätze.
Im AP5 werden anhand erzeugter Bohrfelder aus AP4 Nachbearbeitungsschritte zur Entfernung der Oberflächenablagerungen und zur Reinigung der Filterscheibe untersucht.
AP6 beinhaltet die Herstellung von Prototypen auf Grundlage der neu entwickelten Filtereinheit im Rahmen von AP2 und den Zuarbeiten aus AP3 und AP4. Nach der Charakterisierung der Prototypen werden diese im Recyclingwerk eines assoziierten Partners im realen Prozess getestet.
Abschließend werden im AP7 die wirtschaftlichen Aspekte der Prozessketten analysiert und mit dem Stand der Technik verglichen, um die Marschrichtung für die industrielle Produktion neuer Filtereinheiten zu skizzieren.