Ultradźwięk nadaje nowy impuls gospodarce o obiegu zamkniętym

W nowym studium wykonalności firma Herrmann Ultraschall zbadała możliwość zgrzewania tworzywa sztucznego pochodzącego z recyklingu. Wynik: przy odpowiednich parametrach można osiągnąć porównywalne wyniki zgrzewania jak w przypadku konwencjonalnych tworzyw sztucznych.

Czysty materiał z recyklingu do tej pory znajdował niewiele zastosowań, ale obecny niedobór materiałów sprawia, że staje się on coraz bardziej interesujący, zwłaszcza dla firm z branży motoryzacyjnej. Tworzywa sztuczne pochodzące z recyklingu warto stosować również ze względu na zrównoważony rozwój. Problem polega na tym, że za każdym razem, gdy tworzywo sztuczne jest ponownie przetwarzane, jego właściwości materiałowe mogą się pogorszyć, ponieważ łańcuchy molekularne stają się coraz krótsze. W ramach badań porównawczych laboratorium Plastics firmy Herrmann Ultraschall zbadało, jak te zmiany wpływają na zachowanie elementów z tworzyw sztucznych podczas drgań.

Konieczne dopasowanie parametrów zgrzewania

Wykorzystując tworzywo sztuczne PA 6.6, często stosowane w przemyśle motoryzacyjnym, inżynierowie aplikacji wykonali sześciokątne próbki do badań porównawczych. Inżynierowie zastosowali konwencjonalne tworzywo sztuczne typu PA 6.6 z 30-procentową zawartością włókien szklanych i porównali próbki z regranulatem wykonanym również z PA 6.6 GF30.

W początkowej fazie testów wstępnych najpierw zbadano podstawową zgrzewalność materiału z recyklingu. Do tych testów technicy wykorzystali jako punkt wyjścia grupę parametrów - tzw. parametry początkowe - które są stosowane również w przypadku konwencjonalnego tworzywa tego samego typu. Wykazano, że chociaż próbki wykonane z tworzywa sztucznego pochodzącego z recyklingu można było niezawodnie zgrzewać za pomocą ultradźwięków, to jednak nie udało się uzyskać jednorodnego połączenia przy zachowaniu parametrów początkowych - na zdjęciach przekroju widać było wyraźną płaszczyznę podziału między częścią górną i dolną. Spowodowało to konieczność dostosowania parametrów zgrzewania.

Sposób na szybkie uzyskanie rozwiązania do zgrzewania z wykorzystaniem parametrów początkowych

W laboratorium ultradźwiękowym parametry początkowe są kombinacją parametrów zgrzewania, które służą jako punkt wyjścia do pierwszych testów zgrzewania. Są one oparte na wewnętrznych wytycznych, które wymieniają zalecane wartości amplitudy i siły dla wszystkich popularnych tworzyw termoplastycznych. Dzięki przewodnikom można szybko i łatwo wygenerować zestawy parametrów początkowych, które często są już obiecujące. W ten sposób pomagają one skrócić czas i koszty opracowania rozwiązania do zgrzewania dla klienta.

Recyklat również uzyskał wynik 3000 niutonów

W celu określenia odpowiednich wartości dla tworzywa z recyklingu w kolejnym badaniu porównawczym (DOE) wśród parametrów początkowych tworzywa określono 18 różnych grup parametrów, w których zmieniano parametry centralne, takie jak siła zgrzewania, amplituda, ścieżka zgrzewania czy siła wyzwalająca. Pięć próbek z każdej z dwóch grup porównawczych zostało zgrzanych z zastosowaniem tych wartości. Wyniki oceniano na podstawie przekrojów, a także prób rozciągania.

W trakcie tej serii testów inżynierowie z laboratorium ultradźwiękowego natrafili na zestawy parametrów, które dawały doskonałe wyniki zgrzewania dla materiału z recyklingu i dla oryginalnego tworzywa sztucznego. Co szczególnie interesujące, dwa zestawy parametrów różniły się jedynie amplitudą, która była o 10 mikrometrów niższa w przypadku tworzywa sztucznego pochodzącego z recyklingu niż tworzywa konwencjonalnego.

- W przypadku obu korpusów uzyskaliśmy przedział około 3000 niutonów. Jest to całkiem imponujące. W rzeczywistości spodziewaliśmy się gorszych wartości zarówno w przekroju poprzecznym, jak i podczas próby rozciągania. Jednak przy ustalonym w DoE zestawie parametrów w każdym przypadku uzyskaliśmy porównywalnie dobre wyniki - wyjaśnia Jochen Ochs, kierownik laboratorium aplikacyjnego Plastics w firmie Herrmann.

Seria testów dostarcza więc nie tylko pozytywnych wyników, ale przede wszystkim ważnych danych doświadczalnych, które można przekazać klientom przy okazji ich przyszłych zapytań. Jednak nie można sformułować ogólnego stwierdzenia dotyczącego zgrzewalności tworzyw sztucznych pochodzących z recyklingu za pomocą ultradźwięków tylko na podstawie tego badania. Podobnie jak w przypadku konwencjonalnych tworzyw sztucznych, każdy skład musi być badany indywidualnie.

- Dla nas najważniejsze jest to, że tworzywo sztuczne jest termoplastyczne, niezależnie od tego, czy jest to tworzywo z recyklingu, czy konwencjonalne - wyjaśnia Jochen Ochs. Dodaje przy tym: - W karcie katalogowej możemy odczytać niektóre współczynniki dotyczące właściwości mechanicznych i termicznych. Jednak nie znajdziemy w niej prawdziwego wskaźnika jakości zgrzewalności, ponieważ istnieją inne współczynniki, które często ujawniają się dopiero podczas próby zgrzewania - niemniej dzięki wieloletniemu doświadczeniu firmy można było zawczasu dokonać precyzyjnych ocen.

Biotworzywa jako ekologiczna alternatywa

Badanie tworzyw sztucznych pochodzących z recyklingu jest już drugim badaniem laboratorium ultradźwiękowego firmy Herrmann dotyczącym bardziej ekologicznego wykorzystania tworzyw sztucznych. Kilka lat temu przeprowadzono pierwsze badania nad zgrzewalnością biologicznych tworzyw sztucznych.
W tym celu przebadano próbki o trzech różnych składach: dwa z badanych biotworzyw stanowiły mieszanki, czyli kompozyty z biotworzywa i standardowego tworzywa sztucznego. Trzeci materiał składał się w stu procentach z biopolimerów. Podczas gdy obie mieszanki były w stanie osiągnąć podobne wyniki do standardowych tworzyw sztucznych, czyste biotworzywo wytrzymało tylko połowę sił rozciągających. Jednak jest to wynik, który wystarcza dla szerokiego zakresu typów aplikacji.

Wniosek

Dzięki recyklingowi i biotworzywom dla wielu firm z branży tworzyw sztucznych otwierają się nowe możliwości uzyskania bardziej zrównoważonej produkcji. Zwłaszcza wysokiej jakości regranulat, który jest ponownie wykorzystywany po raz pierwszy, może stać się ważnym elementem oszczędzania zasobów w przyszłości. W przypadku wątpliwości co do zastosowania bardziej przyjaznych środowisku tworzyw sztucznych odpowiednio wyposażone laboratoria ultradźwiękowe mogą pomóc w wyborze właściwego materiału i dać pewność, wykonując testy zgrzewania.

Od odrzutu do regranulatu
W procesie regranulacji czyste odrzuty z tworzyw sztucznych są najpierw przetwarzane w zakładach w celu uzyskania czystego regeneratu. Następnie regenerat jest topiony, homogenizowany i odgazowywany w mieszalniku. Dzięki temu regranulat uzyskuje właściwości mechaniczne zbliżone do oryginalnego tworzywa sztucznego i może być dalej odpowiednio przetwarzany. Decydującym czynnikiem jest tu jednak jakość i czystość.

Zdjęcia: Herrmann Ultraschall