Multifunctioneel doseersysteem helpt natuurlijke vezels en kunststoffen met elkaar te verbinden

Gravimetrische Synchrondosier- en Mischeinheid uit de Graviplus-serie met vier Labline-dosermodules; één dosermodule kan automatisch worden bijgevuld met een Metro-voedingsunit, terwijl de andere drie handmatig moeten worden bijgevuld. (Afbeelding: motan-colortronic)

Het modulair opgebouwde doseersysteem kan zonder grote moeite snel worden aangepast met verschillende doseermodules voor korrels, microkorrels, poeder en maalgoed, evenals voor vloeistoffen, en is geschikt voor diverse doseertaken. (Afbeelding: Motan-Colortronic) / The modular dosing system comes with four different dosing modules and can be quickly and easily adapted for feeding granulate, micro granulate, powder, grinding stock and liquids and various dosing tasks. (Image: motan-colortronic)

Het doseersysteem wordt bediend via de Gravinet GP-bedieningseenheid, die wordt bediend met een menu op een 12,1" TFT-touchscreen. (Afbeelding: Motan-Colortronic) / The dosing system is controlled by a Gravinet GP control unit, which is operated using a menu displayed on a 12.1" TFT touch screen. (Image: motan-colortronic)

Voor de ontwikkeling van innovatieve klimaat- en hulpbronnvriendelijke processen en materialen voor de voertuigbouw, hout- en meubelindustrie, evenals talrijke andere toepassingen, is aan de Hochschule Rosenheim een uniek systeem met pilotkarakter geïnstalleerd dat landelijk uniek is. Het doel van het investeringsproject is om de voordelen van hout- of natuurlijke vezers te combineren met die van kunststoffen, om technologisch innovatieve producten uit natuurvezel-kunststofcomposieten te ontwikkelen, evenals geschikte fabricagetechnologieën daarvoor.

„MUNACU“ – een interfacultaire onderzoekscoöperatie

De aanleiding voor het interfacultaire samenwerkingsproject „MUNACU – Multifunctionele natuurvezel-kunststofcomposieten“ was een bekendmaking van het Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF). Volgens deze ondersteunt het BMBF binnen het kader van de subsidieactie „FHInvest“ Fachhochschulen die hun onderzoeksprofiel of een onderzoeksfocus willen uitbreiden met behulp van investeringsprojecten voor het beschikbaar stellen en toepassen van onderzoeksapparatuur.

„Onze uitgangspositie was om de klassieke houtbewerking te koppelen aan de beproefde en efficiënte „One-Shot-techniek“ van spuitgieten“, legt Peter Karlinger uit, professor aan de Hochschule Rosenheim, die het verloop van het project toelicht. Karlinger begeleidt onder andere het vakgebied spuitgieten en doet onderzoek op het gebied van procestechnologie bij spuitgieten, lichtgewichtbouw en cleanroomtechnologie. Samen met zijn collega’s Dr.-Ing. Michael Schemme, wiens specialisatie composietmaterialen is, en Dr. Andreas Michanickl van de faculteit houttechniek en bouw, heeft hij het project „Multifunctionele lichtgewichtbouw met natuurlijke grondstoffen of materialen, vooral met hernieuwbare vezels“ ontworpen.

Holistische systeemconfiguratie

Bij de systeemconfiguratie hebben de onderzoekers een allesomvattend concept gevolgd dat tegelijkertijd aansluit bij het overkoepelende thema „Van grondstof via de vezel tot het onderdeel“. Het pilot-systeem is daardoor vrij complex en bestaat uit meerdere componenten in verschillende gebieden:

- Refinerinstallatie in het laboratorium voor houttechnologie voor de productie van gedefinieerde vezels uit natuurlijke grondstoffen
- DCIM-spuitgietcompounder in het technicum voor kunststofverwerking
- Gravimetrische synchrono-dosering en mengstation met vier doseermodules voor de bevoorrading van de compounder
- Verticale sluiteenheid die tevens als persvorm kan worden ingezet
- Extra spuitgietaggregaat (Bolt-On-aggregaat)
- IMC-spuitgietcompounder met een continue gravimetrische dosering
- 6-assige robot, proefgereedschappen en testinrichtingen

Materialenvoorbereiding en verwerking met DCIM-technologie

Bij Direct Compounding Injection Moulding (DCIM) vinden de voorbereiding van de uitgangsmaterialen en de daaropvolgende vormgeving plaats in één productieproces.

Daartoe werkt een enkel-screw compounder-extruder continu samen met een standaard plastificeer- en spuitgieteenheid. Aan de top van de extruder bevindt zich een omschakelventiel dat de materiaaltoevoer naar de plastificeer- en spuitgieteenheid regelt. Een smelzervoeder is hier niet nodig; ook blijft het spuitgietproces zelf ongewijzigd.

De directe verwerking in één warmteproces biedt zowel technische als economische voordelen. Denk bijvoorbeeld aan een betere materiaalkwaliteit door minder thermische en mechanische belasting (minder shear-belasting) van het materiaal. Ook kunnen bijvoorbeeld langere vezels worden ingebracht en voorzichtig homogeen verdeeld, wat belangrijk is voor de verwerking van natuurlijke vezels. Door het wegvallen van de extra halffabricaatfase ontstaan bovendien kosten- en energiebesparingen. De DCIM-technologie is een gezamenlijke ontwikkeling van KraussMaffei, Motan-Colortronic en de compoundontwikkelaar Exipnos.

Vierdubbele lablijn-dosering – precisie bij het doseren van de componenten

De materiaaltoevoer naar de compounder-extruder gebeurt met een gravimetrische synchrono-dosering en mengeenheid uit de Graviplus-serie van Motan-Colortronic, Friedrichsdorf. Het doseersysteem is uitgerust met vier Labline-doseermodules. Terwijl één doseermodule automatisch kan worden bijgevuld met een Metro-voermiddel, moeten de overige drie handmatig worden bijgevuld. Voor de basisuitrusting zijn doseerschroeven gekozen voor verschillende korrelgroottes (vrij, matig en zwaar vloeiend). Eén doseerapparaat is uitgerust met een dubbel-screw-module.

Het modulaire doseersysteem kan zonder grote inspanning snel worden aangepast aan verschillende doseertaken, waardoor het zich uitstekend leent voor de geplande onderzoeksactiviteiten. Daarnaast zijn optioneel verschillende doseermodules beschikbaar voor granulaten, microgranulaten, poeders en fijn materiaal, evenals voor vloeistoffen. Voor moeilijk vloeiende of niet-vloeiende materialen bevat de „Doseer-Baukasten“ doseermodules met dubbele schroeven en roerwerken.

De Graviplus werkt volgens het differentieel-wegprincipe, dat ook bekend staat als het „loss-in-weight-principe“. In vergelijking met een batch-doseerapparaat biedt de loss-in-weight-techniek een aanzienlijk hogere doseernauwkeurigheid, zoals proefjes bij een eerder project aantonen. Dit aspect is bijzonder belangrijk bij moeilijk doseerbare materialen. Bovendien worden door directe invoer in de compounder-extruder bijna scheidingen uitgesloten. Naast de vereiste doseernauwkeurigheid was dit een andere reden om voor een continu gravimetrisch werkend doseersysteem te kiezen.

In de bedrijfsvoering vergelijkt de besturing de werkelijke doorvoer met de ingestelde streefdoorvoer, waarbij afwijkingen onmiddellijk worden herkend. Afwijkingen worden gecorrigeerd door de snelheid van de doseerorganen aan te passen. Het materiaal wordt continu en gesynchroniseerd in de verzamelvaten afgevoerd. Van daaruit komt het zo verkregen homogene mengsel in de materiaaltoevoer van de compounder. Scheidingen zijn bij deze werkwijze niet te verwachten.

Omdat de materiaalstroom gewichtsgebaseerd continu wordt bewaakt en geregeld, hebben schommelingen in het vulgewicht, veranderingen in de korrelgrootte of wisselend stromingsgedrag bij de differential-dosering vrijwel geen invloed op de doseernauwkeurigheid. Ook dit aspect speelt een belangrijke rol bij de komende onderzoeken in Rosenheim, aangezien vooral het doseren en transporteren van natuurlijke vezels als een enorme uitdaging wordt beschouwd.

Het doseersysteem wordt bestuurd via de Gravinet GP-besturing, die menu-gebaseerd wordt bediend via een 12,1" TFT-touchscreen. Meldingen en alarmen worden in duidelijke tekst weergegeven.

„Naast de hoge doseernauwkeurigheid en reproduceerbaarheid van de resultaten was de eenvoudige bediening van het systeem een duidelijke eis. Met slechts enkele handelingen kunnen wij de proefopstelling variëren en materiaalwissels uitvoeren“, legt Karlinger aanvullend uit.

Geplande onderzoeksfocus

Met de nu beschikbare systeemtechniek krijgen hout- en kunststofexperts een breed scala aan materiaal- en procestechnische onderzoeken. Centraal staat de onderzoek en ontwikkeling van nieuwe materialen en lichtgewichtbouwmethoden om onderdelen met natuurlijke vezels op een milieuvriendelijke, kosteneffectieve en veelzijdige wijze te produceren. In combinatie met de IMC-spuitgietcompounder – die eveneens is uitgerust met een continu gravimetrisch doseersysteem van Motan-Colortronic – zijn daarnaast vergelijkende onderzoeken gepland tussen DCIM en de klassieke gelijktijdige dubbele-schroefextruder.