Der Produktbereich Polymer Engineering am Fraunhofer ICT spielt bei der anwendungsnahen Entwicklung von Kunststoffbauteilen eine maßgebliche Rolle. Zusammen mit Partnern und Kunden erarbeiten Wissenschaftler neuartig miteinander vernetzte Verfahrensschritte und erweitern […]
Der Produktbereich Polymer Engineering am Fraunhofer ICT spielt bei der anwendungsnahen Entwicklung von Kunststoffbauteilen eine maßgebliche Rolle. Zusammen mit Partnern und Kunden erarbeiten Wissenschaftler neuartig miteinander vernetzte Verfahrensschritte und erweitern dadurch ständig die Einsatzgrenzen heutiger polymerer Materialien. Aus langjähriger Zusammenarbeit mit Industrieunternehmen und Geldgebern der öffentlichen Hand besitzt das Forschungsinstitut das entsprechende Wissen und die Erfahrung, um individuelle und spezifische Lösungen für Kunden anzubieten. Durch die enge Verzahnung der einzelnen Kompetenzbereiche am ICT können komplexe Aufgaben ganzheitlich betrachtet und zu Systemlösungen optimiert werden.
Die Fraunhofer-Gesellschaft fördert und betreibt international vernetzt anwendungsorientierte Forschung zum unmittelbaren Nutzen für die Wirtschaft und zum Vorteil für die Gesellschaft. Das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT ist eines von derzeit 66 Instituten der Fraunhofer-Gesellschaft.
Neben der Vertragsforschung für die Industrie arbeitet das Fraunhofer ICT auch gemeinsam mit Unternehmen der Wirtschaft an Forschungsaufgaben, die durch Bund und Länder sowie durch die Europäische Union cofinanziert werden.
Aktuelle Forschungsaktivitäten in Polymer Engineering
Mit anwendungsnaher Forschung an Kunststoffen und vorserienreifer Produktentwicklung beschäftigen sich erfahrene Wissenschaftler intensiv im Produktbereich Polymer Engineering. In thematisch fokussierten Arbeitsgruppen entwickeln sie neue Prozesse und Werkstoffe, um leichte, strukturelle und semistrukturelle Kunststoffkomponenten herzustellen. Energieeffiziente, ressourcenschonende und großserienfähige Fertigungsprozesse für Leichtbaustrukturen im Anlagen-, Maschinen- und Fahrzeugbau stehen dabei im Fokus.
Den Mittelpunkt der Forschungsaktivitäten in der Thermoplastverarbeitung bilden derzeit drei Ansätze: die Direktverarbeitung langfaserverstärkter Thermoplaste (LFT-D) in Kombination mit dem Fließpressverfahren (LFT-D-CM) und der Spritzgießtechnologie (Spritzgießcompoundierverfahren LFT-D-IM), die Verarbeitung und Funktionalisierung lokaler Endlosfaserverstärkungen sowie das Thermoplast-Schaumspritzgießen (TSG) mit chemischen und physikalischen Treibmitteln.
Eine bedeutende Rolle im Forschungsalltag spielt die Materialentwicklung. Auf diesem Gebiet versuchen die Fraunhofer-Forscher, Compounds mit außergewöhnlichen Eigenschaften herzustellen. Beispielsweise werden in der Nanotechnologie Verarbeitungstechniken zur Herstellung elektrisch leitfähiger Composites und Bauteile oder neuartige Verfahren, zum Beispiel zur Geruchsminimierung oder zur schonenden Einarbeitung von Naturmaterialien, entwickelt.
Die Schwerpunkte in der Entwicklung von geschäumten Kunststoffen liegen in den Bereichen Partikelschäume und Extrusionsschäume. Mit beiden Ansätzen werden neuartige Schaumkunststoffe mit maßgeschneiderten Eigenschaften hergestellt. Neben der Weiterentwicklung von gängigen Polymeren wie Polystyrol und Polypropylen liegt der Fokus zunehmend auf Polymeren aus nachwachsenden Rohstoffen wie zum Beispiel Cellulose.
Fraunhofer at the »Science Campus« auf der K 2013 in Düsseldorf
Den Gemeinschaftsstand der Fraunhofer-Gesellschaft im »Science Campus« finden Besucher in Halle 07 am Stand 70B05. Insgesamt präsentieren sich dort zehn Fraunhofer-Institute, die im Themenfeld Kunststofftechnologie forschen und neue Anwendungen entwickeln. An einer Spritzgießanlage demonstrieren Wissenschaftler vor Ort den vollständigen Produktionsprozess des Schaumspritzgießens und geben einen Einblick in das aktuelle Forschungsgebiet des LFT-Schäumens.
Die K 2013 startet in diesem Jahr eine Initiative mit dem neu ins Leben gerufenen »Science Campus«. Diese Plattform versammelt wissenschaftliche Institute und ähnliche Organisationen unter einem Dach und dient als zentrale Anlaufstelle für den Kontakt des Besuchers mit der Wissenschaft. Mit diesem Pilotprojekt wollen die Initiatoren der K-Messe die ganzheitliche Innovationsbotschaft unterstreichen.
Neuartiges Verfahren im Schaumspritzgießen erhöht die Biegesteifigkeit leichter geschäumter Thermoplastbauteile
Zur K-Messe zeigen Wissenschaftler des ICT den vollständigen Produktionsprozess des Schaumspritzgießens und geben damit einen Einblick in das aktuelle Forschungsgebiet des LFT-Schäumens. „Ein großes Leichtbaupotenzial bietet dieses Verfahren vor allem bei flächigen, auf Biegung belasteten Bauteilen, da hohe Biegesteifigkeiten bei geringem Flächengewicht realisiert werden können“, erklärt Alexander Roch, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer ICT. Als weitere Vorteile sind eine erhöhte Maßhaltigkeit, kürzere Zykluszeiten, geringerer Bauteilverzug, geringere Schließkräfte und längere Fließwege, verglichen mit konventionellem Spritzgießen zu nennen. Darüber hinaus bietet das Thermoplast-Schaumspritzgießen (TSG) eine sehr hohe Designfreiheit, beispielsweise durch größere Wandstärken oder Wanddickensprünge ohne Einfallstellen.
Bei diesem Verfahren wird ein Treibgas (N2, CO2) in die Polymerschmelze mit dem Ziel eines homogenen Polymer-Gas-Gemisches eingearbeitet. Während des Einspritzvorgangs in die Kavität kommt es zu einem rapiden Druckabfall und damit zum Aufschäumen der Formmasse. Prozessbedingt bildet sich dabei ein Integralschaum mit geschäumtem Kern und kompakter Außenhaut, welcher vereinfacht als Sandwichaufbau betrachtet werden kann.
REM-Aufnahme eines mikrozellularen Integralschaums (PP/LGF30) (Foto: Fraunhofer ICT)
Das Fraunhofer ICT forscht intensiv an Verfahren zur Herstellung von LFT-Schäumen. Dazu wurde bereits das »Direkt-Schaum«-Verfahren entwickelt, welches das Verschäumen von D-LFT-Formmassen mittels Spritzgießcompounder (IMC) ermöglicht. Das MuCell-Verfahren mit LGF-Schnecke rundet die Anlagentechnik zu diesem Thema ab. Zukünftig können beide Verfahren auf einer einzigen Spritzgießmaschine gegenübergestellt und verglichen werden.
Strukturbauteile aus alternativen thermoplastischen Werkstoffen
Forscher am Fraunhofer ICT entwickeln neue maßgeschneiderte thermoplastische Werkstoffsysteme als Alternative zum konventionellen U-PVC für die Erzeugung von strukturellen Bauteilen im Profilextrusionsverfahren.
Vor dem Hintergrund eines permanenten Risikos für ein europaweites PVC-Verbot in industriellen Anwendungsbereichen ist die frühzeitige Entwicklung von alternativen thermoplastischen Werkstoffsystemen zur Herstellung von Strukturbauteilen für viele Unternehmen dieser Branche existenziell unabdingbar.
Aus diesem Grund erarbeiten Experten auf dem Gebiet »Compounding und Extrusion« gemeinsam mit industriellen Partnern neue und innovative Lösungsansätze rund um das Thema Profilextrusion. Mittels der institutseigenen hoch flexiblen und individuell angepassten Technikumsausstattung sind die Spezialisten in der Lage, die theoretisch entwickelten Ansätze, werkstoff- als auch verfahrenstechnisch, direkt vor Ort umzusetzen und bis zur Serienreife weiter zu entwickeln.
Ein innovativer technologischer Ansatz zur Herstellung von Biopolymerprofilen stellt beispielsweise die variotherme Temperierung des ausgetretenen Profilstranges zur Herbeiführung von Randschichtkristallisationseffekten oder das sogenannte Blenden mit geeigneten Polymeren sowie die Verwendung funktionaler Füll- und Zusatzstoffe dar.
Neben den halogenfreien petrobasierten Thermoplasten wie den Polyolefinen (PE, PP) oder dem Blend-System PC/ABS zeigen sich auch insbesondere Biopolymere als erfolgsversprechende Stoffgruppe, da diese über interessante Eigenschaften verfügen und zudem aus nachwachsenden Rohstoffen herstellbar sind.
Für jeden Anwendungsfall kann so ein individuelles Werkstoff- und Prozesssystem gemeinsam mit dem Kunden entwickelt werden, um Materialalternativen für PVC in möglichst vielen Anwendungsbereichen bereitzustellen.
Beschleunigte Aushärtung von CFK-Composites mit Mikrowellen
Mikrowellen sind elektromagnetische Wellen und eignen sich zur effizienten Erwärmung von dielektrischen Materialien. Die Erwärmung erfolgt im Volumen und ist unabhängig von der thermischen Leitfähigkeit des Dielektrikums. Elektrisch leitfähige Materialien reflektieren Mikrowellen, sie können nicht eindringen und eine Erwärmung findet nicht statt. Gelingt es jedoch, eine elektrisch leitfähige Probe nur dem magnetischen Feld der Mikrowellen auszusetzen, so induziert dieses einen Strom, der die Probe schnell erwärmt. Fraunhofer Forscher auf diesem Gebiet zeigen zur Messe eine Mikrowellenantenne, die auf dem Teller das magnetische Feld abstrahlt, mit dem elektrisch leitfähige Materialien wie CFK erwärmt werden kann.
Mikrowellenantennen zur beschleunigten Aushärtung von CFK-Composites (Foto: Fraunhofer ICT)
Das CFK-Composite, das zur Messe gezeigt wird, besteht aus Out-of-Autoclave CF-Epoxid-prepregs und wird mit Mikrowellen ausgehärtet. Zusätzlich wurde auf das Composite ein Impactschutz auflaminiert (wet-to-wet)
Plasmabeschichtungsverfahren im automobilen Leichtbau
Die Oberfläche eines Kunststoffteils spielt eine wichtige Rolle für den Erfolg eines Kunststoffprodukts. Die Forscher des Fraunhofer ICT befassen sich daher intensiv, die Schnittstelle zur Umwelt beispielsweise korrosionsfest, wisch- und kratzfest, reibarm biokompatibel oder diffusionsdicht zu gestalten.
Mit dem am Fraunhofer ICT entwickelten Plasmabeschichtungsverfahren der PCVD (plasma chemical vapour depostion) können die Oberflächen der verschiedensten Materialien mit dünnen Funktionsschichten ausgestattet werden, welche die Eigenschaften oder die Gebrauchsfähigkeit der Bauteile wesentlich verbessern. Obwohl der Schichtbildungsprozess nur wenig mit klassischen Polymerisationsprozessen gemeinsam hat – es können auch gesättigte chemische Verbindungen prozessiert werden – wird das Verfahren als »Plasmapolymerisation« bezeichnet. Hierbei werden Gase und unter Vakuumbedingungen leicht verdampfbare Stoffe durch ein Plasma so angeregt, dass sie sich als dünne Schichten auf den Substraten niederschlagen. Dadurch werden Oberflächen mit neuen Eigenschaften geschaffen, die häufig durch konventionelle Beschichtungsverfahren so nicht hergestellt werden können.
Schwerpunkt der Plasmatechnik des Fraunhofer ICT ist die Aktivierung und Beschichtung der verschiedenartigsten Substrate bei der Herstellung von Materialverbünden durch maßgeschneiderte Interfaces. Insbesondere für die temperatursensitiven Polymere werden milde Plasmaquellen benötigt, die mit Mikrowellen mit 2,45 GHz und dem Prinzip der Duo-Plasma-Line erzeugt werden. Die Anwendung der MW-Frequenz ermöglicht hohe Umsetzungsraten der Beschichtungsgase und Prekursoren sowie hohe Plasma- und Energiedichten bei vergleichsweise niedrigem Temperatureintrag. So wurden umfangreiche, sehr erfolgreiche Arbeiten zur Kratzfestbeschichtung von Polycarbonat durchgeführt z.T. auch an realen Bauteilen, wie z. B. Seitenscheiben und Dachmodulen. Zwei weitere Anwendungen im Themenfeld »Automobiler Leichtbau« sind:
1) Die Abscheidung hochtemperaturfester Korrosionsschutzschichten (Langzeit-Anlaufschutz > 6500C), die auch Kratzschutz bieten können.
2) Die Abscheidung nanostrukturierter Haftschichten, die auf fast jedes beliebige Material (Metall, Glas, Polymere) aufgebracht werden können und damit Multi-Materialverbünde – ebenfalls bestens geeignet für den Leichtbau mit Hybridmaterialen – durch eine einfachere und direkte Fügung der Materialpartner wie z. B. Aluminium-CFK ermöglichen. Beide Funktionsschichten können kombiniert zum Einsatz kommen.
Die Anlagentechnik wurde ausgebaut und auf einen an Industrieapplikationen ausgerichteten Stand und Größe gebracht, sodass das Fraunhofer ICT über eine für Forschungseinrichtungen in Deutschland und Europa einzigartige Anlagentechnik verfügt.
Das Interesse an Polymeren aus nachwachsenden Rohstoffen steigt
Geschäumte Werkstoffe gelangen heutzutage in manchen Anwendungen aufgrund technischer Vorgaben an ihre Grenzen. Durch einen neuartigen Ansatz lassen sich diese jedoch deutlich erweitern mit Hybridschäumen, bestehend aus einer materialseitig verbundenen Polymer/Metall-Kombination. Das zur Messe präsentierte Crashexponat zeigt beispielhaft die Vorteile partikulärer Hybridschäume: Vereint sind auf Materialebene elastisch flexible Verformbarkeit bei niedrigen Energien und plastische Energieabsorption auf hohem Kraftniveau. Es lässt sich somit ein einstellbares zweistufiges Absorptionsverhalten für Crashanwendungen erzielen. Zusätzlich ermöglicht die Verarbeitungstechnologie eine freie geometrische Formgebung des Bauteils.
Extrusionsgeschäumte Dämmmaterialien
Die energieeffiziente Dämmung von Gebäuden ist der beste Ansatz um Energie einzusparen. Das Fraunhofer ICT widmet sich seit einigen Jahren verstärkt den Schaumwerkstoffen für die Gebäudedämmung, seit Ende 2011 auch dem Extrusionsschäumen. Für das physikalische Extrusionsschäumen hat das Institut in eine sogenannte Tandem-Anlage (Krauss-Maffei Berstorff ZE 30 / KE 60) aus Primärextruder und Sekundärextruder investiert. Zentrale Forschungsgebiete sind dabei sowohl neue Treibmittel und Additivsysteme als auch neue Polymere (technische Polymere und Bio-Polymere) für Dämmanwendungen. Darüber hinaus werden die Leichtbaupotentiale von polymeren Werkstoffen für neue Anwendungen untersucht.
Partikelschäume aus Bio-Polymeren
Die Partikelschaum-Exponate, die zur K 2013 gezeigt werden, bestehen aus cellulosebasierten Polymeren. Diese werden aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen und sind zudem biologisch abbaubar. Die Verarbeitung und Anwendung der Bioschaum-Formteile ist dabei mit gängigen EPS-Formteilen auf Erdöl-Basis vergleichbar. Auch der Einsatz funktioneller Additive (Füll- und Verstärkungsstoffe, Flammschutzmittel, etc.) zur Materialoptimierung für spezielle Anwendungen ist möglich. Die so produzierten natürlichen Schaumkunststoffe stellen in der Zukunft nicht nur im Wärmedämmungssektor eine gute Alternative dar.
Zuverlässige Online-Charakterisierungstechnik für thermoplastische Verbunde
Nach wie vor stellt die Qualitätsüberwachung des Produktionsprozesses von Nanocomposites eine Schwierigkeit dar. Das KMU-orientierte Verbundforschungsprojekt NanoOnSpect widmet sich deshalb genau diesem Problem: Ziel dieses Zusammenschlusses auf EU-Ebene ist es, die Kommerzialisierung von polymeren Nanocomposites zu beschleunigen, indem eine umfassende Lösung entwickelt wird, um die Qualität der Produkte zu erhöhen und die Ausschussraten zu verringern.
Dabei werden Compoundiertechnologien, bestehend aus einem Doppelschneckenextruder und einer neuen Dispergiereinheit (NEXXUS), mit neuen Online-Charakterisierungsmethoden mithilfe eines künstlichen neuronalen Netzwerks (ANN) und einem Expertensystem kombiniert.
Materialeigenschaften wie thermische Leitfähigkeit, Dielektrizitätskonstante, Dispergierungsqualität, Viskosität, Temperatur und Druck werden während der Herstellung kontrolliert. Zusätzlich zu den online gemessenen Daten werden durch das künstliche neuronale Netzwerk, in Verbindung mit der Datenbank eines Expertensystems, Sensorsignale analysiert, um die komplexen Eigenschaften der Nanocomposites vorherzusagen und durch das Berechnen neuer Eingangsparameter die Prozesstechnik zu optimieren.
Das neue Charakterisierungssystem, die onBOX, wird in Modulbauweise erstellt. Der Compounder kann so die Eigenschaften, die gemessen werden müssen, definieren, und die onBOX kann für das spezifische Produkt maßgeschneidert werden.
Die Herstellungstechniken und –technologien im Projekt NanoOnSpect werden so entwickelt, dass sie robust unter industriellen Bedingungen funktionieren.
NanoOnSpect ist ein KMU-orientiertes Verbundforschungsprojekt, das von der Europäischen Kommission gefördert wird (Grant agreement number: NMP4-SME-2011-263406). Am Projekt sind 12 Partner aus 6 europäischen Ländern beteiligt und das Gesamtbudget beträgt ca. 4,7 Millionen €. Die Laufzeit ist vom 1. April 2011 bis zum 31. März 2015.
NanoOnSpect plant, die erreichten Ergebnisse im Bereich der Sensorentwicklung im Rahmen eines Workshops am Fraunhofer ICT Mitte November 2013 zu zeigen. Die entwickelte Technologie wird in der Praxis am Beispiel der Compoundierung vorgeführt. Mehr Informationen dazu erhalten Interessenten auch auf der K-Messe.
Einsatzgebiete für elektrisch hoch leitfähige Polymercomposites
Vor dem Hintergrund einer Verknappung von metallischen Rohstoffen können elektrisch hoch leitfähige Polymercomposites einen wichtigen Beitrag zur Ressourcenschonung leisten. Sie stellen für elektrische Leitungen mit geringer Leistungsübertragung eine ideale Lösung dar, da sie zum einen eine deutlich niedrigere Dichte aufweisen als metallbasierte Lösungen, und zum anderen die Metalle durch leitfähige Kohlenstoffmodifikationen substituiert werden.
Die letzten Jahre haben große Fortschritte bei der Herstellung und Verarbeitung elektrisch leitfähiger Kunststoffcomposites gebracht: Eine niedrig eingestellte Leitfähigkeit eignet sich besonders für antistatische Anwendungen während sich Composites mit einer hohen Leitfähigkeit prinzipiell als Ersatz von Kupferleitungen, für die Übertragung kleiner Leistungen, einsetzen lassen. Bei der Herstellung von Bauteilen können die Kunststoffe große Vorteile gegenüber traditionellen Kupferleitungen durch eine rationelle Produktionsweise im Spritzguss bieten.
Interessant ist, neben der Verwendung traditioneller Leitfähigkeitsfüllstoffe wie Grafit oder Carbon Black (Ruß), die Anwendung von Carbon Nanotubes (CNTs), die im Vergleich zu Carbon Black bei niedrigeren Füllgraden vergleichbare Leitfähigkeiten erzeugen können und sich daher weniger negativ auf die mechanischen Eigenschaften des Polymers auswirken. Zur Darstellung der elektrischen Leitfähigkeit zeigt das Fraunhofer ICT am Messestand einen Demonstrator, der Leuchtdioden über elektrisch leitfähige Pfade versorgt, die u.a. im 2-K-Spritzguss hergestellt wurden.
Thermoplastische CNT-Composites können eine deformationsabhängige Leitfähigkeit aufweisen, d. h., sie ändern unter einer mechanischen Deformation ihren Widerstand. Dies kann zur Herstellung von kostengünstigen Sensoren z. B. für die Überwachung von technischen Komponenten genutzt werden. Demonstriert wird dies zur K 2013 an einem Biegebalken, der aus einem CNT-Composite besteht und der sich per Hand deformieren lässt. Der Effekt des sich ändernden Widerstands kann an einem Drehspulinstrument abgelesen werden.
