Ziel der Entwicklung

Das vorliegende Projekt thematisiert die Bedeutung von Rohrsystemen für moderne Infrastrukturen, insbesondere bei der Verlegung von Rohrleitungen, bei denen die Verbindung der Segmente entscheidend für Dichtheit und Langlebigkeit ist. Der Fokus liegt auf der Neuentwicklung des Heizwendel-Schweißens von thermoplastischen Kunststoffrohren, bei dem die speziellen Verbindungsstücke mit integriertem Draht einen hohen Konstruktionsaufwand bedeuten und zu potenziellen Schwachstellen im Rohrsystem führen.
Ziele des Projektes war es, die aufwendig zu fertigenden Formteile zu eliminieren, indem Schweißdraht und Dichtung in einem Bauteil kombiniert werden. Dafür sollte ein neuartiges Elastomerprofil, welches während des Schweißvorgangs direkt erhitzt wird und anschließend als Dichtung fungiert, entwickelt werden. Mit diesem Lösungsansatz sollten eine elastische Versiegelung der Kontaktfläche erzielt und die Flexibilität des Rohrsystems beim Einbau und während der Nutzungsdauer erhöht werden. Ein derartiges Dichtungsprofil verspricht eine höhere Produktivität, Kostenreduktion beim Verlegen und Einsparungen bei den Kunststoffmaterialien. Zudem mindert die verbesserte Abdichtung das Risiko von Leckagen und eröffnet neue technologische Möglichkeiten im Bereich der Rohrleitungssysteme zur Ver- und Entsorgung.
Konkret bedeutete dies die Entwicklung eines Dichtungsmaterials, welches durch die Funktionalitäten „elektrisch leitfähig“ und „expandierfähig“ in der Lage ist, die zu verbindenden thermoplastischen Rohrleitungskomponenten örtlich begrenzt bis zum Schmelzen zu erhitzen, darüber die Rohre stoffschlüssig zu verbinden und gleichzeitig als elastomere Dichtung zu fungieren.
Der Lösungsansatz dazu basierte auf einem Dichtungsprofil, welches zwischen die beiden zu verbindenden Rohre eingebracht und dabei über das Anlegen von elektrischem Strom erhitzt wird und die beiden Rohrenden miteinander verschweißt. Zum Erreichen dieser Zielstellungen wurden im Rahmen des FuE-Projektes die folgenden Schwerpunkte bearbeitet:
– Integration von elektrisch leitfähigen Füllstoffen in ein thermoplastisches Elastomer (TPE) zum Erreichen einer hohen elektrischen Leitfähigkeit
– Erzielen einer stoffschlüssigen Verbindung beim Verschweißen des TPE-Dichtungsprofils mit dem polyolefinischen Rohrwerkstoff (PP/PE)
– Untersuchung der Anbindung des modifizierten TPEs an das Rohrmaterial sowie der Formstabilität der Dichtung bei der zu erzielenden Schweißtemperatur
– Eruierung eines möglicherweise besseren Stoffschlusses durch Expansion des Elastomers beim Verschweißen
– Optimierung der Korrelation zwischen der eingebrachten elektrischen Leistung und der Aufheizgeschwindigkeit
Die geplanten Entwicklungsarbeiten sollten die wissenschaftlichen und technologischen Grundlagen für Innovationen beim Heizwendel-Schweißens schaffen und so die Produktivität beim Verlegen von thermoplastischen Rohrleitungen als zentralen Prozess der Erhaltung, Modernisierung und Erweiterung der Bereiche Ver- und Entsorgungskanäle sowie Kabelschutz steigern. Auch sollten dadurch neue technologische Möglichkeiten beim Verlegen der Rohre eröffnet und durch eine bessere elastische Abdichtung die Gefahr von Leckageschäden beim Bau und im Betrieb gesenkt werden.

Vorteile und Lösungen

Das Ziel des Projekts war die Entwicklung einer Dichtung, die sowohl einen abdichtenden Effekt als auch eine hohe elektrische Leitfähigkeit, als Voraussetzung für die Schweißfähigkeit, besitzt. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden verschiedene TPE-Typen mit unterschiedlichen leitfähigen Füllstoffen versetzt, um die Ausbildung eines leitfähigen Netzwerkes in der TPE-Matrix, als notwendige Bedingung für eine hohe Leitfähigkeit, zu erzielen. Dabei stellt die homogene Verteilung der leitfähigen Füllstoffe in der TPE-Matrix besondere Anforderungen an die Compoundiertechnik und die Compoundzusammensetzung. Die Füllstoff-Dispersion konnte verbessert werden, indem Haftvermittler verwendet und die Viskosität des TPE-Polymers angepasst wurden. Je nach verwendetem leitfähigem Füllstoff variieren die Widerstände innerhalb des Materials. Es zeigt sich, dass Kohlenstoffnanoröhrchen zwar geeignet sind ein Polymer leitfähig zu gestalten, jedoch nicht in dem Maße, wie dies für ein schweißbares Dichtungsmaterial erforderlich ist. Auch mit leitfähigem Ruß (Carbon Black) können nicht die erforderlichen Widerstände von <15  erreicht werden. Kombiniert man jedoch die sphärischen Rußpartikel mit zylindrischen Partikeln wie MWCNT oder Carbonfasern, so wird eine deutliche Senkung des Widerstandes erreicht. Zum Erreichen der Zielstellung zeigte sich eine Compoundrezeptur, bestehend aus Carbonfasern und Ruß mit einem Anteil von 50 Ma.-%, als geeignet. Mit der optimierten Rezeptur für das schweißfähige Dichtungscompound wurden in unterschiedlichen Verfahren (Spritzguss, Extrusion) verschiedene Dichtungsgeometrien hergestellt und Schweißversuche durchgeführt. Für erfolgreiche Schweißversuche war es erforderlich, eine geeignete Kontaktierung zu entwickeln. Dies gelang durch die Verwendung von Folienverbindern.
Die Projektarbeiten führten damit zu einem schweißbaren TPE-Compound, aus dem mithilfe gängiger Verarbeitungsverfahren wie Extrusion und Spritzgießen industriell nutzbare Dichtungsgeometrien herstellbar sind, die unter praxisrelevanten Bedingungen zum Verschweißen von PE/PP-Rohrenden eingesetzt werden können.

Zielgruppe und Zielmarkt

Der eigentliche Markt, den das Projekt primär berührt sind Kunststoffrohre für die Versorgungs- und Telekommunikationsinfrastruktur. Die am stärksten wachsende Nachfrage ist in den Bereichen Trinkwasser und Landwirtschaft zu finden. Das deutsche Kanalnetz für Abwasser umfasst ca. 594.321 km und die Trennkanalisation, die sich aus 214.281 km Schmutzwasser- und 133.355 km Regenwasserkanälen zusammensetzt, zeigen die Größenordnung, in der Kunststoffrohre Verwendung finden. Dazu kommen noch etwa 1…1,5 Mio. km Leitungsnetz im privaten Bereich. Auch das Trinkwassernetz mit seinen 544.000 km, das Fernwärmenetz mit 34.000 km und das zu Teilen aus Kunststoffrohren bestehende Gasnetz mit 600.000 km sind beachtlich. Das aktuell aus 800.000 km bestehende Breitbandnetz wird sich im Zuge der Digitalisierung in Deutschland noch vergrößern. Ein weiteres Einsatzgebiet für das Entwicklungsprodukt stellen Kabelschutzrohre für Energie- Medien-, Signal- und Datenleitungen dar. All diese verschiedenen Leitungsnetze stellen einen großen Markt für Kunststoffrohre dar, zu deren Verbindung die entwickelten elastischen, heiz- und schweißbaren Profildichtungen eingesetzt werden können.
Neben dem Neubau besteht auch ein hoher Sanierungsbedarf in den vorhandenen Leitungsnetzen. Ein häufiger Schadensfall ist dabei die Nahtstelle des Rohrsystems, also die Verbindung einzelner Rohre untereinander sowie deren Einführungspunkte.
Bedingt durch den hohen Sanierungsbedarf in den bestehenden Kanalnetzen und dem hohen Bedarf beim Neubau von Rohleitungen für den Transport von Medien und für den Kabelschutz, ergibt sich ein bedeutender Markt für form-/stoffschlüssige Rohrverbindungen, realisiert über elastische, elektrisch hochleitfähige und damit schweißbare Profildichtungen, wie sie im Projekt entwickelt wurden. Die angesprochenen Märkte werden im Zuge des Strukturwandels weiter wachsen – unabhängig vom konjunkturellen gesamtwirtschaftlichen Verlauf, da die Elemente der Infrastruktur von hoher Priorität für die Volkswirtschaft des Landes und dessen Wettbewerbsfähigkeit sind.
Mit den entwickelten Dichtungen, die die Funktionalitäten „hoch elektrisch leitfähig“ und damit „schweißbar“ und gleichzeitig „abdichtend“ vereinen, kann der Neubau und die Sanierung von Rohrleitungsnetzen für unterschiedliche Einsatzzwecke in einer hohen Qualität durchgeführt werden.
Damit sind Unternehmen aus der Rohr- und Kanaltechnologie, insbesondere Hersteller von Kunststoffrohren und Formteilen, die unmittelbaren Nutzer des Entwicklungsproduktes. Im weiteren Sinne profitieren aber auch Peripheriebranchen wie die Hersteller von Dichtungen, die Compoundeure des innovativen Elastomer-Materials oder Dienstleister, deren Aufgaben Ingenieurdienstleistungen zur Beratung & Planung sind. Die Entwicklung tangiert damit die gesamte Wertschöpfungskette vom Material-Compound über die Dichtung selbst bis hin zum einbaufertigen Rohr. In der genannten Wertschöpfungskette angesiedelte Unternehmen sind überwiegend KMU-geprägt und können die innovative Verbindungstechnik ihren Auftraggebern, den Netzbetreibern, Planern und Entscheidern aus dem kommunalen Bereich im In- und Ausland, für den Ausbau und den Werterhalt der unterirdischen Rohleitungsnetze anbieten und vom Know-how der Entwicklung profitieren.
Die Vorzüge der entwickelten Dichtung:
– Stoffschlüssige und trotzdem flexible Schweißverbindung
– Reproduzierbare Schweißqualität
– Sicherheit beim Schweißvorgang (niedrige Spannungen)
– Reduzierung der Arbeitsschritte beim Schweißen vor Ort
– Vorteile beim Recycling ausgebauter Rohre, da kein Metall vom Heizdraht enthalten ist
– Kein Vorreinigen der zu schweißenden Rohre notwendig
– Verwendung der bereits etablierten Schweißgeräte
bilden gute Voraussetzungen für einen erfolgreichen Markteintritt.
Die Vermarktung der Projektergebnisse erfolgt im Rahmen der Überführung laufender und zukünftiger Projekte bzw. von Kooperationen mit Industriepartnern des TITK, über industrienahe Entwicklungen bei Fragen zur Verteilung von Füllstoffen in Matrizes, über Aufträge aus der Industrie zu speziellen Baugruppen bzw. Verfahren im Bereich Elastomer, über die Erschließung neuer Kunden bei Problemen der Rezepturgestaltung von Spezialelastomeren und generell bei Dienstleistungen und Prüfungen zu leitfähigen Composites.
Somit wird das Projekt eine Reihe von nachfolgenden Entwicklungen und damit Kooperationen mit der Wirtschaft anstoßen.