Rezyklate für nachhaltige Strukturbauteile in Hausgeräten

Der Einsatz von Recyclingkunststoff in technisch hochbelasteten Bauteilen

Nachhaltigkeit, Kunststoffrezyklate, Recycling

Basisträger einer Geschirrspülmaschine aus rezykliertem Kunststoff

Das Fraunhofer LBF hat in Kooperation mit der Robert Bosch GmbH und BSH Hausgeräte GmbH den Einsatz von Kunststoffen aus dem Recycling in technisch hochbelasteten Anwendungen untersucht. Durch den Einsatz von so genannten Rezyklaten werden gegenüber Neuwaren Kunststoff bis zu 70 % an Ressourcen für die Herstellung des Werkstoffes eingespart. Dies hebt Rezyklate als nachhaltigen Kunststoff hervor. 

Detailansicht des Lagerdom am Basisträger der Geschirrspülmaschine

Nachhaltigkeit von Rezyklaten

Der Einsatz von Rezyklaten in technischen Anwendungen birgt ein enormes Potenzial zur Einsparung von CO2. Derzeit werden Rezyklate in technisch anspruchsvollen Anwendungen eher zögerlich eingesetzt, da oft die für die Lebensdauer die notwendigen Kennwerte meist nicht bekannt sind. Dazu haben die Partner Bosch, BSH und LBF ein Polypropylen Rezyklate hinsichtlich morphologischer und mechanischer Eigenschaften umfangreich untersucht und mit dem derzeitigen Neuwarenmaterial vergleichen.

Material

Das Rezyklatmaterial stammt aus gebrauchten Gehäusen von Starterbatterien und wurde von Bosch und der Firma BSB Braubach compoundiert und hinsichtlich deren Einsatzanforderungen optimiert. Dazu wurden die Polypropylen Gehäuse zerkleinert, gereinigt und getrocknet. In einem angeschlossenen Compoundierprozess wurde die Schmelze gesiebt sowie mit Additiven, Stabilisatoren und Füllstoffen (hier 30 Gewichtsprozent Talkum) versehen und anschließend granuliert.

Materialeigenschaften

Um die Unterschiede in den Eigenschaften von Rezyklat- und Neuwarenmaterial besser verstehen zu können wurden an Materialproben umfangreiche analytische und mechanische Untersuchungen durchgeführt. Analytisch wurde beispielsweise die Molmassenverteilung, der Kristallinitätsgrad oder die Verunreinigungen durch Metalle oder Fremdpolymere untersucht. Mittels mechanischer Untersuchungen wurden die Wechselwirkungen von statischer und zyklischer Belastung von Kerben, Bindenaht, Temperatur, Belastungsverhältnis und Alterung auf die Lebensdauer untersucht. Um das Rezyklat und Neuwarenmaterial umfänglich für den geplanten Einsatzzweck zu charakterisieren wurden 250 statische Zugversuche und 450 Schwingfestigkeitsversuche durchgeführt.

Kunststoffgranulat

Anwendung

Das Rezyklatmaterial könnte als Ersatz für das bisherige Neuwarenmaterial in Hausgeräten einem Basisträger einer Geschirrspülmaschine eingesetzt werden, der mittels dem Spritzgießverfahren hergestellt wird. Der Basisträger liefert aufgrund seiner Abmaß (600 x 400 x 100mm³) und einem Gewicht von 2 kg beim Einsatz von Rezyklaten einen immensen Beitrag zu einem nachhaltigeren Gesamtsystem. Für den Einsatz von Rezyklaten in dem Basisträger muss für die höchst beanspruchte Stelle eines Lagerdoms unter anderem auch ein zyklischer Festigkeitsnachweis erbracht werden. Dieser Lagerdom wird durch das Öffnen und Schließen im Betrieb bis zu 100.000-mal zyklisch beansprucht.

Lebensdauerabschätzung

Die an den Probenversuchen ermittelten mechanischen Eigenschaften wurden mittels numerischer Berechnungen so aufbereitet, dass diese in das Konzept des höchst beanspruchten Werkstoffvolumen V80 und im Konzept des Spannungsgradienten χ* einfließen. Anhand von Bauteilversuchen und numerischer Berechnung wurde die Beanspruchung der Beanspruchbarkeit der Probenversuche gegenübergestellt. Dabei zeigt sich, dass auch das Rezyklatmaterial für beide Konzepte die zyklische Belastung am Bauteil betriebsfest ertragen kann.

Nachhaltigkeit und Ressourceneinsparung

Bei einer jährlichen Produktion von 3 Millionen Einheiten werden durch den geringeren Ressourcenaufwand des Rezyklat jährlich circa 2.500 Tonnen Rohöl (Binnenschiff mit 110 m Länge) eingespart. Damit kann ein wesentlicher Beitrag zu nachhaltigen Hausgeräten geleistet werden.