Forschungsprojekte

Das Ziel des Forschungsprojektes besteht in der zuverlässigen Identifikation und Trennung der naturfaserverstärkten Kunststoffe von herkömmlichen Kunststoffen, sowie der Entwicklung eines materialschonenden Reinigungskonzeptes für NFK, sodass Eigenschaftsverschlechterungen durch Materialschädigungen vermieden werden.

Infolge erhöhter Nachfragen nach naturfaserverstärkten Kunststoffen (NFK) liegt der Fokus dieses Forschungsprojektes auf der Entwicklung eines Kreislaufsystems. Kunststoffe ausgedienter Produkte sollen dabei so aufbereitet werden, dass bis zu 100% wiederverwendet werden können.

Der Recyclingkreislauf beginnt unmittelbar nach der Entsorgung der Kunststoffprodukte in der gelben Tonne bzw. im gelben Sack. In der Müllsortierungsanalage müssen die naturfaserverstärkten Kunststoffe zuverlässig von konventionellen Kunststoffen wie PE, PP, PS oder PET getrennt werden. Methoden zur eindeutigen Identifizierung der Kunststoffe sind zu analysieren und zu vergleichen, sodass Kunststoffsorten von Compounds separiert werden. Die Trennung verschiedener Faserarten ist dabei essentiell, weil nur sortenreine NFK wieder zur Herstellung von Produkten mit gleichwertigen Eigenschaften verwendet werden können.

Im Anschluss nach dem Trenn- und Sortierprozess erfolgt eine materialschonende Reinigung und Aufbereitung der NFK zu sortenreinen Regranulaten bzw. Rezyklaten, welche von den kunststoffverarbeitenden Betrieben wiederverwendet werden. Die vollständige oder anteilige Nutzung der Regranulate für neuwertige Produkte ist im Rahmen des Projektes zu klären.

Ziel des Projektes ist die Herstellung von Biokunststoffen mit hoher antibakterieller Wirkung aus natürlichen Rohstoffen. Polyphenole von Kiefernholzkernen werden bereits als Mittel gegen schädliche Bakterien eingesetzt und sind unbedenklich für den Menschen. Die Einarbeitung von Kiefernkernhölzern in Kunststoffen soll untersucht und gegenüber bisherigen Lösungen zuver-lässig umgesetzt werden. Dabei sind neben Standardkunststoffen vor allem Biokunststoffe ein-zusetzen. Die Kombination der Biokunststoffe mit Kiefernkernholz spart bis zu 100 % fossiler Rohstoffe ein.

Im Forschungsprojekt ist vorgesehen, Biopolymere so schonend zu verarbeiten, dass die Eigenschaften durch den Verarbeitungsprozess nicht negativ beeinflusst werden, sondern ein höchstmögliches Maß der positiven Eigenschaftspotenziale von Biopolymeren erhalten bleibt, bzw. im Verarbeitungsprozess gesteuert werden kann. Die schonende Verarbeitung zielt auf eine möglichst geringe thermische und Scherbeanspruchung des Materials im Verarbeitungsprozess ab.

Der Kostenfaktor Energieverbrauch wird in diesem Projekt untersucht.

Im Rahmen des Projekts wird ein Verbindungselement für moderne Fassadensysteme entwickelt.

Das Verbindungselement dient der Befestigung von schweren, großflächigen Anbauteilen an der Gebäudehülle und soll den durch die Wand hindurchtretenden Wärmestrom minimieren um die thermischen Verluste von Bauwerken zu verringern. Aufgrund der niedrigen Wärmeleiteigenschaften eignen sich insbesondere Kunststoffe für diesen Anwendungsfall.

Um den hohen Anforderungen hinsichtlich den langzeitigen mechanischen Einwirkungen, dem breiten Temperaturbereich, der Brandsicherheit, einer fertigungsgerechten Gestalt und der Wirtschaftlichkeit zu entsprechen, werden verschiedene konstruktive Lösungen ausgearbeitet. Die mechanischen und wärmetechnischen Charakteristiken werden mittels softwaregestützten Finite-Elemente Berechnungen simuliert und analysiert. Somit wird eine gestaltoptimierte Konstruktion ermöglicht. Um den späteren Einsatz des Elementes zu gewährleisten, wird ein serientaugliches Herstellverfahren konzipiert und ein Prototyp erstellt, dessen Eigenschaften in Realversuchen getestet und nachgewiesen werden. Ziel des Projektes ist es, eine Zulassung im Einzelfall durch das DIBt für das in Serie hergestellte Bauelement zu erreichen.

Das Fachgebiet Kunststofftechnik der TU Ilmenau erforscht im Rahmen des Verbundprojektes zunächst die Möglichkeit der gezielten Scherverflüssigung von Kunststoffschmelzen. Diese wird genutzt, um Verstärkungsfasern zu benetzen, die so zu Faserverbundkunststoffen werden. Hierzu finden zunächst Prüfungen im Labor statt, die die erforderlichen Randbedingungen dieser neuartigen Technologie klären sollen. Auf Grundlage der Versuche wird ein erster Versuchsaufbau zur Fasertränkung und anschließend zur Herstellung von Sandwichverbunden entwickelt. Der neu entwickelte Prozess wird zudem genutzt, um erstmalig vollständig biobasierte Sandwichverbunde mit Naturfasern und Biokunststoffen herzustellen.

FaSanDirEx ist die Folge eines am Fachgebiet gelaufen Projekts und baut auf dessen Ergebnissen auf. Die bestehende Direktextrusionsanlage wird mit der zu entwickelnden Scherver-flüssigungseinheit verbessert werden, um so die Energieeffizienz weiter zu steigern und das Material noch schonender zu verarbeiten. Das ermöglicht die Verwendung besonders Degradationsempfindlicher Biokunststoffe. Die Erweiterung um eine Produktionslinie für Sandwichstrukturen ermöglicht die Abbildung der gesamten Prozesskette.

In dem Forschungsprojekt sollen ingenieurtechnische Grundlagen erarbeitet werden, mit denen es besser als durch bisherige Mittel möglich wird, die Festigkeiten und Eigenschaften von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen vor einer Herstellung zu bestimmen, entsprechend die Gestaltung des Bauteilkonzeptes einzuordnen, zu optimieren und Grenzen des Einsatzes zu erkennen.

Auf diese Weise sind einerseits Machbarkeit aber auch die technisch-wirtschaftlichen Konsequenzen zu einem frühen Zeitpunkt abschätzbar und aufwändige „Versuch & Irrtum“ Methoden vermeidbar. Dies ist von besonderer Bedeutung, wenn es gelingen soll, faserverstärkte Kunststoffe in deutlich größerem Maßstab für Bauteile im Maschinen- und Anlagenbau zu nutzen, bei denen Auslegung und Komplexität der Geometrie von bisher vielfach bekannten großflächigen Strukturen mit geringen Maßhaltigkeitsanforderungen abweichen.

Auslegungsregeln für die Bauteilgestaltung sollen aufgestellt werden und unter Zuhilfenahme von FEM Berechnungen mit theoretischen Modellen verglichen werden. Dabei fließen die grundsätzlichen Untersuchungen zum Werkstoffverhalten, die im Gesamtprojekt durchgeführt werden in die Berechnungen mit ein. Dazu wird das Werkstoffverhalten an realen Formmustern in eigenen Arbeiten untersucht, mit FEM Berechnungen verglichen und wo erforderlich angepasst und den Auslegungsregeln zugeführt.

In Ergänzung zu den mechanischen Eigenschaften werden die Prozessparameter verschiedener Verarbeitungsverfahren (Handlaminieren, Vakuuminfusionsverfahren, RTM, VARTM und RIM) untersucht; es werden verschiedene Harz- und Faserkombinationen untersucht. Ein Prozessmodell soll erarbeitet werden. Einzuhaltende Prozessbedingungen können definiert und konkrete Verarbeitungsempfehlungen aufgestellt werden, um diese in einem ersten Schritt der Korrelation von Fertigung und Eigenschaften zuzuführen. Die Prozessmodelle werden anhand von Versuchen in Kombination mit den Werkstoffmodellen erarbeitet. Dabei sind die im Gesamtprojekt angrenzenden Verfahrenstechniken in den Auslegungsregeln zu berücksichtigen und die dadurch gewonnenen Erkenntnisse einzubeziehen. Ein Ausblick auf die Verfahrensbedingungen bei Serienfertigung ist in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern vorgesehen.

Die Forschergruppe Leichtbau des Thüringer Innovationszentrums Mobilität (ThIMo) befasst sich mit der Senkung des Fahrzeuggewichts mit Hilfe der spezifischen Eigenschaften von Kunststoffen. Das Fachgebiet Kunststofftechnik bearbeitet dabei vier der sieben beinhalteten Themenkomplexe.

In Forschungsfeld 1 wird das Resin-Transfer-Moulding-Verfahren (RTM) zur Herstellung duroplastischer Faserverbundkunststoffe genauer untersucht. Dazu sollen die Qualitäts- und Zykluszeitbestimmenden Faktoren genauer charakterisiert werden, um eine schnelle Produktion fehlerfreier Produkte zu ermöglichen.

Forschungsfeld 2 beinhaltet die wirtschaftliche Betrachtung verschiedener Wertschöpfungsketten zur Herstellung von Faserverbunden. Dabei sollen zeitkritische Verfahrensschritte analysiert und neu geordnet werden, um eine Prozessbeschleunigung zu erzielen. Kern der Arbeit bildet die Herstellung thermoplastischer Faserverbundbauteile durch Organobleche.

Im vierten Bereich der Forschergruppe finden Untersuchungen zur Herstellung kunststoffummantelter Aluminiumschäume statt. Es wird zunächst die Herstellung der Schäume und die dabei erzielbaren mechanischen Eigenschaften genauer charakterisiert. Im zweiten Schritt erfolgt das Umspritzen mit Thermoplasten.

Im Rahmen des Vorhabens sollen Verbunde aus Aluminiumschaum und Faserverbundkunststoff hergestellt und deren Eignung als automobiles Crashelement untersucht werden.

Ziel des Vorhabens ist es, die grundlegenden Zusammenhänge zwischen Materialzusammensetzung, Verarbeitungsparametern und Formteileigenschaften von 3D-Formteilen aus Holzspänen zu ermitteln.

Im Projekt sollen vor dem Hintergrund des Leichtbaus Grundlagen zum Einsatz der Materialkombination FVK und nachvernetztem Kunststoffschaum in hybrider Sandwichbauweise für schwingend beanspruchte Komponenten im Maschinen- und Anlagenbau erarbeitet werden. Das Materialverhalten wird untersucht und zur Erstellung von FEM-Berechnungsmodellen genutzt. Unter Anwendung verschiedener Fertigungsverfahren werden Modellbauteile gefertigt und geprüft. Die gewonnen Erkenntnisse fließen in die Konstruktion und Simulation eines Demonstratorbauteils sowie die Aufstellung von technischen sowie ökonomischen Auslegungsregeln ein.

Das Projekt dient als Grundlage zur Entwicklung und Herstellung sowie für Eigenschaftsprofile von FVK-Kunststoffschaum-Hybridstrukturen unter Einbeziehung von Anbindungsteilen für dynamisch belastete Maschinenkomponenten.

Die Notwendigkeit zur Ressourcenschonung rückt den Energieverbrauch im Betrieb von Maschinen und Anlagen immer stärker in den Vordergrund industrieller Verarbeitungsmaschinen. Dabei will man gleichzeitig die Eigenschaften von Maschinenbauteilen (Dämpfungsverhalten, Beschleunigungswerte) verbessern und weiter gesteigerte Leistungsparameter an Maschinen (reduzierte Zykluszeiten) erreichen.

Ausführliche Informationen finden Sie auf der Projektwebseite:

https://www.proki-ilmenau.de

Das Projekt zielt auf die Steigerung der Produktivität und Qualität bei der Herstellung von urgeformten thermoplastischen Kunststoffformteilen und -halbzeugen. Die Innovation des Vorhabens besteht in der Nutzung der Rheofluidisierung, durch die eine Senkung der Schmelzeviskosität von Kunststoffen erreicht werden kann, ohne den Kunststoff zu schädigen. Mit geringerer Viskosität lassen sich Formteile besser ausformen und Extrudate mit höherer Abmessungsgenauigkeit jeweils in einem stabileren Prozessfenster herstellen. Auf diese Weise können völlig neuartige Innovationspotentiale entstehen, die bestehende Produktionsprozesse signifikant vereinfachen und die Ausbringung auf hohem Qualitätsniveau steigern können.

Diese Verbesserungen ermöglichen eine allgemeingültige Erhöhung der Produktivität bei Spritzgieß- und Extrusionsverfahren. Es werden neue Freiheitsgrade in der Form- und Werkzeuggestaltung bereitgestellt, die Herstellprozesse stabilisieren oder ermöglichen können. Darüber hinaus erschließen sich neue Materialkombinationen bei Mehrkomponentenverfahren, insbesondere bei der Extrusion.

Faserverbunde zeichnen sich durch ihre hohe Steifigkeit und Festigkeit bei geringer Dichte aus. Als Herstellungsverfahren wird dabei häufig das Resin Transfer Molding (RTM) verwendet, das sich für mittelgroße bis große Serien eignet. Durch die Verwendung zweier Werkzeughälften entstehen Formteile mit hoher Oberflächengüte, die nur geringe Nacharbeiten erfordern.

Der Prozess beginnt mit dem Einlegen eines Vorformlings (Preform) aus Endlosfasern. Das Werkzeug wird geschlossen und Harz wird mit vorher definierten Parametern injiziert.

Die Vorgänge im Werkzeug werden dabei bisher nicht erfasst. Ziel des Projekts ist es mittels geeigneter Sensoren den Injektionsprozess zu überwachen und Schwankungen des Materials sowie der Umgebungsbedingungen automatisch auszugleichen. Das Fließverhalten des Harzes wird analysiert und die Injektionsparameter entsprechend angepasst ohne ein erforderliches Eingreifen des Benutzers. So kann eine gleichbleibend hohe Produktqualität bei gleichzeitigem Einhalten von kurzen Zykluszeiten erreicht werden. Die Wirtschaftlichkeit des Prozesses wird erhöht durch die Vermeidung von Fehlstellen und Ausschussteilen.

Ziel dieses Teilvorhabens ist die technisch-wirtschaftliche Bewertung von thermoplastischen Materialien und ihrer Verarbeitungsverfahren zur Herstellung von dielektrischen Elastomeraktoren (DEA). Diese Erkenntnisse werden im Gesamtverbund zusammengeführt, um das Potenzial unterschiedlicher DEA-Herstellungsmöglichkeiten miteinander vergleichen zu können und weitere Vorgehensweisen im smart³-Konsortium zu fokussieren.

DEA sind bislang vor allem in Forschungseinrichtungen hergestellt und charakterisiert worden. Die dabei verwendeten Herstellungsverfahren und Werkstoffe wurden in der Regel nicht unter dem Gesichtspunkt einer Massenfertigung ausgewählt oder betrachtet. Eine Skalierung der Herstellungsbedingungen aus diesen Laborversuchen ist nicht ohne weiteres möglich.

Ansatzpunkt dieses Teilvorhabens ist es, bekannte Kunststoffverarbeitungsverfahren, die eine ausgezeichnete Skalierbarkeit aufweisen, für die DEA-Fertigung zu adaptieren. Das Coextrusionsverfahren bietet die wesentlichen Voraussetzungen zur Herstellung von Mehrschichtaktoren. Zu seiner Verwendung sind thermoplastische Werkstoffe ideal, deren Kriechverhalten für die späteren Aktoren nachteilig ist. Eine Strahlenvernetzung kann als nachfolgender Prozessschritt zu volumetrischer Kompensation eingesetzt werden. Damit wird der Thermoplast in den Zustand eines Elastomers überführt. Wesentliches Arbeitsziel ist es die Anwendbarkeit dieser Verarbeitungskette zu untersuchen und in Stichversuchen nachzuweisen. Eine positive Bewertung der Machbarkeit bietet die Nutzung eines wirtschaftlich günstigen Herstellungsweges für DEA, der in seiner Anlagentechnik für andere Anwendungen bereits etabliert ist.

Durch Entwicklungen zur Direktimprägnierung von langfaserverstärkten Organoblechen wurde in den letzten Jahren an der TU Ilmenau bereits umfangreiches Know-how aufgebaut, welches vorwiegend in der Automobil- und Zulieferindustrie angewendet werden kann. Dabei konzentrierten sich die Arbeiten bisher meist auf gewebeverstärkte Verbundhalbzeuge. In Zukunft werden thermoplastische Tapes eine sehr große Rolle in der Industrie spielen, da mit den gerichteten Verbundmaterialien lastgerecht verstärkte Bauteile hergestellt werden können. Aus diesem Grund wurden mittels des Innovationsgutscheins 2021 IVN 0108 weitere Entwicklungen auf diesem Gebiet vorbereitet und Forschungskooperationen mit klein- und mittelständischen Industriepartnern angebahnt. Dazu wurden gezielte Vorarbeiten zur Planung und Vorbereitung weiterer Forschungsvorhaben – insbesondere im Technologietransferprogramm Leichtbau des Bundes – geplant, die auch dem Ausbau der Kernkompetenz Kunststofftechnik und Leichtbau an der TU Ilmenau dienen.

Der Wartungszustand einer Spritzgießmaschine hat einen erheblichen Einfluss auf die Prozessstabilität des Fertigungsprozesses und damit auf die Qualität der hergestellten Formteile.

Das Projekt verfolgt die Zielsetzung, durch Sensorik und Überwachung von Maschinenfunktionen und Prozessvariablen den Verschleißzustand an Spritzgießmaschinen derart aufzunehmen, dass vorbeugende Wartungsmaßnahmen geplant und terminiert werden können.

Das Projekt ist Teil des Wachstumskern Leantec. Ziel des Projekts am Fachgebiet Kunststofftechnik ist Konzeption, Bau, Integration und Erprobung eines Extruders mit einem LEANTEC-Direktantrieb.

Durch den LeanTec- Motor soll ein Direktantrieb der Schnecke ohne Kraftübersetzungssystem (Getriebe, Riemenübersetzung oder dgl.) bei hoher Energieausbeute und Leistungsdichte, sowie konstanten Betriebsparametern ermöglicht werden. Es soll der Nachweis geführt werden, dass durch den Direktantrieb ein höherer Wirkungsgrad bei einfacherer und kostenreduzierter Anbindung der Plastifizierschnecke an das Antriebssystem mit geringerer Störanfälligkeit im Vergleich zu konventionellen Antriebssystemen für Extruder technisch in einer Produktionsumgebung möglich sind und alle erforderlichen Leistungsparameter erreicht werden können.

Für verschiedene Kunststoffe, unterschiedliche Maschinenkonfigurationen (Schnecke/ Zylinder/ Werkzeuge) soll für industriell übliche Betriebspunkte die erforderliche Prozesssicherheit nachgewiesen werden. Dabei werden die Kennwerte für Anfahr-verhalten, Drehmoment-/ Drehzahlkennlinie, Leistungsaufnahme, Durchsatz- und Drehmomentkonstanz bei unterschiedlichen Gegendrücken und Gegendruckschwankungen, Temperatur- und Schmelzehomogenität als Referenzgrößen für die Eignung des LEANTEC Antriebssystems herangezogen und mit Werten aus einem industrieüblichen Antriebssystem verglichen.

Der Wüstenschlitten dient als Transportmittel und zur Steigerung des Freizeitangebotes in Wüstenregionen.

Im Rahmen des Projektes wurden abrasionsarme Kunststoffoberflächen mit reiboptimierten Eigenschaften entwickelt und zum Einsatz auf Sand gebracht. Zur Realisierung dieser Aufgabe setzten wir auf die besonderen werkstofflichen und gestaltungstechnischen Vorzüge der Kunststoffe, indem wir komplexe Geometrien einmalig herstellen und auf effiziente Art häufig abformen können.

Zudem bietet der Kunststoff die Möglichkeit Additive zu binden, die den Reibkoeffizienten sowie die Abrasion weiter senken. Für weitere Verbesserungen der Oberflächenstruktur nutzten wir die Instrumente der Bionik und analysierten die Lösungen der Flora und Fauna der Wüsteneinzugsgebiete. Das Ziel des Projektes war es, einen Prototyp zu entwickeln, der alle gewünschten Eigenschaften erfüllt und durch Messsensoren der PCE Deutschland GmbH getestet wurde. Für die Realisierung einer 30 m langen Teststrecke möchten wir uns besonders bei dem Bauunternehmen Franz Hofmann Bau aus Sonnefeld bedanken. Das Ziel des Projektes, einen Prototyp zu entwickeln, der geringe Reib- und Abrasionswerte sicherstellt und in der Wüste intensiv getestet werden kann, wurde erreicht.