Auf dem Weg in eine nachhaltige Wirtschaft spielen Recycling- und Biokunststoffe eine immer größere Rolle. Daher wurde ihre Eignung für elektromechanische Baugruppen untersucht, die beispielsweise im Automobilbereich unter schwierigen Umgebungsbedingungen zum Einsatz kommen. Dabei müssen die Bauteile einen dichten Verbund zwischen Kunststoff- und Metallkomponenten aufweisen. Dieser Verbund wurde durch optimierte Plasmavorbehandlungen ermöglicht, die auch jenseits der elektromechanischen Baugruppen in Bereichen mit Haftungsanforderungen Anwendung finden.
Fossile Rohstoffe auf dem Rückzug
Um die Nachhaltigkeit der industriellen Produktion zu verbessern, können Alternativen zu herkömmlichen, auf Rohöl basierenden Werkstoffen verstärkt verwendet werden. Einen Beitrag dazu leistete Innovent in einem gemeinsamen Forschungsprojekt mit der Febana Feinmechanische Baugruppe, in dem untersucht wurde, wie sich elektromechanische Baugruppen mit Bestandteilen aus Kunststoff und Metall auch aus Bio- und Recyclingkunststoffen zusammensetzen lassen.
Diese elektromechanischen Baugruppen werden beispielsweise als Stecker- oder Sensorgehäuse, teilweise mit sicherheitsrelevanter Funktion, in Industrieanwendungen genutzt und enthalten zusätzliche Komponenten wie Leiterbahnen oder Leiterplatten. Sie kommen in anspruchsvollen Umgebungen mit breiten Temperaturbereichen, hoher Feuchtigkeit und teils aggressiven Chemikalien zum Einsatz. Die im Kunststoffgehäuse eingegossenen Komponenten müssen eine gute Adhäsion am Gehäuse beziehungsweise den verwendeten Vergussmassen aufweisen, um das Eindringen von Flüssigkeiten zu vermeiden.
Wie schlagen sich Recycling- und Biokunststoffe?
Um all diese Ansprüche zu untersuchen, hat die Febana Feinmechanische Bauelemente eine Musterbaugruppe entwickelt. In Abbildung 1 ist diese in verschiedenen Fertigungsstufen dargestellt. An dieser konnten das Zusammenspiel zwischen Recycling- und Biokunststoffen mit den Metallkomponenten sowie die Wechselwirkungen zwischen den Materialien untersucht werden. Relevant waren dabei vor allem mechanische und thermische Eigenschaften und die chemische Zusammensetzung der Kunststoffe. Die untersuchten Recyclingkunststoffe erfüllten dabei alle die gewünschten Anforderungen, die Biokunststoffe lagen je nach Füllstoff etwas unter der geforderten Festigkeit.
Um die Haftung zwischen Kunststoff und Metall weiter zu verbessern, wurden Vorbehandlungen mittels Beflammung und Atmosphärendruckplasma durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass die unterschiedlichen Kunststoffe unterschiedliche Plasmaparameter für ein verbessertes Klebeergebnis benötigen. Abbildung 2 zeigt die durch die Plasmabehandlung erzielten Verbesserungen der Benetzbarkeit. Die Flammenbehandlung stellte sich hingegen als ungeeignetes Verfahren für die komplexen Geometrien der Baugruppe heraus. Die mit Plasmaaktivierung erfolgreich hergestellten Materialverbunde in den Testbaugruppen wurden in praxisnahen Tests auf ihre Dichtheit hin untersucht.
Und was lässt sich damit machen?
Diese Untersuchungen zeigen, dass Recyclingkunststoffe nicht als Down-Cycling-Produkte wie Balkonkasten oder Zaunpfahl enden oder gar in der thermischen Verwertung landen müssen, sondern ein wirtschaftlich interessantes Upcycling, zum Beispiel für Anwendungen im Automobilbereich, möglich ist. Auch die Verwendung von Biokunststoffen im Spielwarenbereich ist denkbar.
Mit den gewonnenen Erkenntnissen zur Aktivierung von Recycling- und Biokunststoffen eröffnen sich zudem Felder jenseits der Materialverbunde in elektromechanischen Baugruppen. So kann eine Plasmaaktivierung beispielsweise die Bedruckbarkeit von Kunststoffen mit handelsüblichen Tinten erhöhen, was bei der Produktvermarktung eine wichtige Rolle spielt. Durch die Kombination von Recycling- oder Biokunststoffen mit Atmosphärendruckplasma lassen sich somit fossile Rohstoffe einsparen, Abfälle reduzieren und Materialkreisläufe aufbauen.
