Kernkompetenz »Kunststofftechnologie«

In der Kernkompetenz »Kunststofftechnologie« betreiben wir anwendungsnahe Forschung mit den Schwerpunkten Material-, Verfahrens-, und Bauteilentwicklung von Kunststoffprodukten. Kreislaufführung der Werkstoffe und Nachhaltigkeitskonzepte für komplette Wertschöpfungsketten sind aktuell wichtige Treiber in diesem Markt.

Dazu erforschen wir neue Prozesse in der Polymer- und Additivsynthese, entwickeln anwendungsgerechte nachhaltige Materialien und Rezepturen für spezifische Produkte und optimieren auf die Werkstoffe angepasste Verarbeitungstechnologien. Die Anwendungen finden sich häufig in der Automobilindustrie und im Bauwesen.

Kompetenzfelder

Polymersynthese

Unsere Arbeiten in der Polymer- und Additivsynthese beinhalten die Herstellung klassischer Polymere der Typen Polyurethane, Polyester, deren Additive und Hilfsstoffe, wie Weichmacher, Viskositätsverbesserer, Compatibilizer sowie halogenfreie Flammschutzadditive. Aspekte der Nachhaltigkeit spielen hierbei eine wichtige Rolle. So stellt die Nutzung zuckerbasierter Polyhydroxyverbindungen, aber auch polyphenolischer Tannine oder Lignine für die Synthese polymerer Vorprodukte eine Erweiterung der Polymersynthesen im Bereich Biopolymere dar. Sehr gut etabliert sind bei uns die Themen kontinuierliche Polymerisation und Polymermodifikation durch Reaktivextrusion am Beispiel thermoplastischer Urethane (TPU).

Material- und Rezepturentwicklung

Unseren Schwerpunkt in der Material- und Rezepturentwicklung bilden Rezepturen auf Basis klassischer Thermoplaste sowie biobasierter naturfaserverstärkter Polyester für höherbelastbare Bauteilanwendungen. Ein weiterer Fokus liegt auf emissionsoptimierten und chemisch aufgereinigten Rezyklaten und deren Monomeren, wobei durch eine Re-Formulierung ein sehr breites Anwendungsspektrum abgedeckt werden kann. Unsere Entwicklung von funktionalen Compounds hat durch Anwendungen im 3D-Druck ein interessantes, neues Anwendungsfeld gefunden. Weiterhin betreiben wir Rezepturentwicklung für spritzgießfähige oder für den SMC-Prozess geeignete duromere Systeme.

Verarbeitungstechnologien

Unsere langjährige Erfahrung in der Prozessentwicklung auf Doppelschneckenextrudern nutzen wir intensiv im Design von neuen Prozessen der reaktiven Extrusion und in der Störstoffentfernung mittels extraktiver Extrusion. Durchgängige Prozessketten stehen bei uns sowohl in der Partikelschaumtechnik als auch im Bereich der Herstellung geschäumter Halbzeuge im Direktschaumprozess zur Verfügung. Unsere Forschungsschwerpunkte sind die Neuentwicklung und Optimierung konventioneller, biobasierter, rezyklierter sowie geschäumter, technischer Thermoplaste und deren Verarbeitungsverfahren. Beispiele sind die Entwicklung von Partikelschäumen mittels Autoklavverfahren oder die Verarbeitung von Partikelschäumen mittels Radiofrequenztechnologie. In der Spritzgießverarbeitung thermoplastischer und duromerer Formmassen haben wir umfangreiches Prozess-Know-how aufgebaut, z.B. bei inline-Einarbeitungstechnologien von Füllstoffen und Fasern in fließfähige thermoplastische und duromere Formmassen sowie für die Entwicklung von Verfahren für thermoplastische Monomaterial-Sandwichsysteme. Unsere Mikrowellen- und Plasmatechnologie wird für die Entwicklung energieeffizienter und flexibler Prozesstechniken eingesetzt.

Bauteilentwicklung und Lebensdaueranalysen

Der kontinuierliche Ausbau unserer Kompetenzen in der Bauteilkonstruktion und die wachsende Kompetenz in der Bauteil- und Prozesssimulation setzen wir zunehmend in Projekten ein. Große Expertise besitzen wir auch in der Simulation und Bewertung von Umwelteinflüssen auf im Markt oder in der Entwicklung befindlicher Materialien, Bauteile und Baugruppen. Komplexe Produkte, kürzere Innovationszyklen und erweiterte Produkthaftungsfragen verlangen nach angepassten und ausgeweiteten Prüfverfahren. Schwerpunkte unserer diesbezüglichen Arbeiten liegen in der entwicklungsbegleitenden Bauteiluntersuchung bei klimatischen aber auch bei Staub- und Vibrationsbedingungen, um Mechanismen der Alterung, Korrosion, Materialermüdung und die Zuverlässigkeit während der Bauteillebensdauer zu untersuchen.

Leichtbau und Verbundwerkstoffe

Unsere Kompetenzen im Bereich Leichtbau und Verbundwerkstoffe liegen in der Materialentwicklung und Materialmodifikation sowie in der Weiterentwicklung und Industrialisierung von Prozessen wie RTM, Fließpressen, Pultrusion sowie bei Tape- und Wickeltechniken. Diese Verfahren nutzen wir zur Herstellung von strukturell stark beanspruchten oder hoch funktionsintegrierten Bauteilen.

Recycling und Nachhaltigkeitskonzepte

Im Bereich Recycling und Nachhaltigkeitskonzepte werden insbesondere Prozesse und Technologien für eine stoffliche Verwertung entwickelt. Einen Schwerpunkt bilden Verwertungskonzepte für mechanisches und chemisches Recycling. Daher ist es wichtig, bereits während der Bauteilentwicklung entsprechende kreislauffähige Materialien zu berücksichtigen, die ein Recycling nach der Lebensdauer des Bauteils ermöglichen.

 

Ausstattung

  • Doppelschneckenextruder mit 18 bis 32 mm Schneckendurchmesser
  • Dosiersysteme für flüssige und hochviskose Medien und gravimetrische
  • Dosiersysteme für Granulate, Pulver, Fasern etc.
  • Labor für die Reaktivextrusion, ausgestattet mit Sicherheitseinrichtungen zum Arbeiten mit Gefahrstoffen
  • parallellaufgeregelte hydraulische Pressen für die Verarbeitung von Kunststoffen mit 6.300 und 36.000 kN Schließkraft
  • Spritzgießanlagen im Schließkraftbereich 350 bis 7.000 kN
  • Spritzgießsonderverfahren im Spritzprägen, Mehrkomponenten- Spritzgießen, Thermoplast-Schaumspritzgießen, Expansionsschäumen, Duroplast-Spritzgießen
  • Automatisiertes Thermoplast-Tapelegeverfahren für Gelege mit einem Durchmesser von 2 m
  • Anlagentechnik zur strahlungsinduzierten Vakuumkonsolidierung für thermoplastische Gelege
  • Automatisierte Wickeltechnik zur Herstellung komplexer Schlaufenstrukturen
  • 3D-Druck-Technologien zur Verarbeitung von funktionalisierten Polymeren
  • Partikelschaumtechnik mit Doppelschneckenextruder, Unterwassergranulierung, Vorschäumer und (Radiofrequenz-) Formteilautomaten
  • Tandem-Schaumextrusionsanlage für geschäumte Halbzeuge
  • SMC-Flachbahnanlage mit erweiterter Sensorik und BMC-Kneter
  • Polyurethanverarbeitung: PU-RIM und PU-Fasersprühtechnologie
  • Polymersyntheseautoklaven im 5 Kilogramm-Maßstab
  • RIM/RTM-Technologien für die Verarbeitung duromerer und thermoplastischer Materialien
  • Pultrusionstechnologie mit Injektionstechnik für duromere und thermoplastische Matrixsysteme
  • Mikrowellenanlagen mit Generatoren mit weitem Einsatzbereich
  • Mikrowellenbasierte Sensortechnik zur Prozessüberwachung
  • Diverse Niederdruck-Plasmaanlagen
  • Robotergestützte atmosphärische Plasmaanlage
  • Umfangreiche und modernste Ausstattung im Bereich der Materialprüfung und Materialanalyse

»Nachhaltige und intelligente Lösungen für Kunststoffanwendungen«

Unsere Forschungsinhalte der Kernkompetenz Kunststofftechnologie fokussieren sich auf die zentralen Themen eines Herstellungs- und Recyclingzyklus von Kunststoffbauteilen von der Synthese, über die Verarbeitung bis zur Bauteilherstellung. Begleitet wird unsere Forschung durch die Betrachtung der Rohstoffbasis und Rohstoffeffizienz, der Simulation von Umwelteinflüssen in der Nutzungsphase und der Kreislaufführung der Produkte inklusive Lebenszyklusanalyse (LCA).

Die »Polymersynthese« bildet unser Fundament zur Weiterentwicklung klassischer Polymere wie Polyurethane, Polyester und Polyamide mit dem Ziel, ihre Funktionalitäten, ihre Leistungsfähigkeit und ihre Anwendungsbreite zu verbessern. Entwicklungen für Nachhaltigkeit, zum Beispiel Kunststoffe auf Basis biobasierter Rohstoffe oder voll umfängliches Recycling von Altkunststoffen, sind hierbei unsere Forschungsschwerpunkte. Ebenso die Additivsynthese mit halogenfreien Flammschutzmitteln, nachhaltigen Weichmachersystemen oder Compatibilizern für neue Kunststoff-Compounds. Unsere Polymerentwicklungen zielen z.B. auf die Kombination von thermo- und duroplastischen Funktionalitäten für Anwendungen in hoch belastbaren Verklebungen ab.

In den »Compoundiertechnologien« sind wir spezialisiert auf die Entwicklung neuer Compoundierprozesse und Materialrezepte. Eine Besonderheit sind hier extraktive Compoundierprozesse zur Reduktion von Emissionen oder von Störstoffen fürs Recycling sowie die innovative Reaktivextrusion zur Polymersynthese oder für Polymermodifikationen im Doppelschneckenextruder.

Maßgebliche Aufgaben in unserem Themenfeld »Schäumtechnologien« bestehen in der Partikelschaumtechnik sowie der Herstellung geschäumter Halbzeuge im Direktschaumprozess. Neben der Optimierung konventioneller Materialien befassen wir uns mit dem Schäumen von biobasierten sowie von technischen, meist höhertemperaturfesten Polymeren. Neue Sinter-Technologien, wie beispielsweise die Radio-Frequenztechnologie, erschließen dabei ganz neue Anwendungsgebiete.

Im Bereich »Additive Manufacturing« forschen wir an der Entwicklung maßgeschneiderter Materialrezepturen, zum Beispiel durch die Einarbeitung von Verstärkungsfasern und funktionalen Additiven in das Polymer. Prozessseitig untersuchen wir die Steigerung der mechanischen Eigenschaften additiv gefertigter Bauteile durch die direkte Integration von lastpfadgerecht orientierten Endlosfasern.

Beim »Spritzgießen und Fließpressen« stehen bei uns Standard- und Sonderverfahren von (Faserverbund-) Materialien im Fokus. Durch die Integration von lokalen, lastpfadgerecht gewickelten oder gelegten Faserverbundstrukturen in Spritzgießbauteilen steigern wir die mechanischen Eigenschaften signifikant.

Die Industrialisierung von Prozessketten zur Herstellung hoch belastbarer, kontinuierlich faserverstärkter Leichtbaustrukturen sind unsere Schwerpunkte im »Strukturleichtbau«. Die Kerntechnologien hierfür sind das Resin-Transfer-Molding, das Wet-Compression-Molding-Verfahren, das Thermoplast-Tapelegen sowie die Pultrusion. Die Ablage textiler und vorimprägnierter Halbzeuge zu Preforms, deren Handhabung, Kombination mit Polymerschäumen und metallischen Strukturen sowie die nachfolgende Harzinfusion oder Umformung sind wichtige Bestandteile der von uns betrachteten Prozessketten.

In der »Mikrowellen- und Plasmatechnologie« entwickeln wir maßgeschneiderte Anlagen, Messtechnik und Verfahren für thermische Prozesse und Beschichtungen. Beispiele sind die mikrowellenbasierte Erwärmung von Kunststoffen, das beschleunigte Aushärten von Klebstoffen und Harzsystemen, die mikrowellenassistierte chemische Reaktionstechnik sowie die Beschichtung oder Modifikation von Oberflächen im Plasma-Enhanced-Chemical-Vapour-Deposition-Verfahren. Einen besonderen Schwerpunkt legen wir auf Korrosionsschutzschichten und nanoporöse Haftschichten.

In unserem Prüflabor können wir polymere Werkstoffe entlang der gesamten Prozesskette, vom Rohstoff bis zum Bauteil, umfassend charakterisieren und untersuchen. Im Schadensfall bieten wir eine systematische Analyse zu Schadensursachen, Werkstoffversagen und Fehlereinflüssen mittels analytischer und technologischer Messmethoden an.

Beim »Online-Prozessmonitoring« entwickeln wir spektrale und auf Mikrowellen basierende Messverfahren zur anlagenintegrierten Prozess- und Materialkontrolle und zur Prozesssteuerung. Unsere Projekte im Kontext von Industrie 4.0 basieren auf der Prozessintegration von Sensoren. Dazu gehört auch prozessspezifisches Know-how bei der Auswertung der Rohdaten. Die Applikation und Integration von Big-Data und KI-Algorithmen erlauben es uns lernende bzw. unreife Prozesse zu beleuchten.

Im Bereich »Recycling und Kreislaufwirtschaft« entwickeln wir Prozesse und Technologien für eine stoffliche Verwertung von Polymeren mit dem Ziel der vollständigen Rückführung in hochwertige Anwendungen. Im Falle duroplastischer Polymersysteme erfolgt eine chemisch, solvolytische Spaltung in Komponenten, die sehr gezielt wieder zu Kunststoffen dieser Systemklasse polymerisiert werden können. Beispielhaft wurden polyurethanschaumhaltige Flugzeugsitze aufbereitet, das separierte Polyurethan depolymerisiert und nach Reinigung der erhaltenen Spaltprodukte eine gezielte Synthese neuer Sitzschäume – mit intrinsischem Flammschutz – durchgeführt. Das begleitende Life-Cycle-Assessment (LCA) quantifizierte über verschiedene Impakt-Kategorien die Nachhaltigkeit dieser Systeme. Weitere Recyclinganwendungen finden sich im Bereich des PET- und PLA-Recyclings am ICT. Beide Polyesterklassen lassen sich über chemisch, katalytische Verfahren wieder in ihre Monomere zurückführen, aufreinigen und anschließend in ihre ursprünglichen Polymere wieder überführen. Auch diese Prozesse wurden über eine LCA-Analyse hinsichtlich ihrer Nachhaltigkeit bewertet. Neueste Entwicklungen befassen sich mit einer Prozessentwicklung für das stoffliche Recycling von Silikonen.

Im Bereich der Synthese nachhaltiger Polymere spielen am ICT schon immer biobasierte Systeme eine wichtige Rolle wie z.B. im Bereich der duroplastischer, Lignin basierter Epoxide für Oberflächenveredelungen oder auch im Bereich der Geruchssperrschichten, um Ausdünstungen zu verhindern.

Karlsruher Forschungsfabrik für KI-integrierte Produktion

Die »Karlsruher Forschungsfabrik für KI-integrierte Produktion« ist eine Initiative der Fraunhofer-Gesellschaft mit ihren Instituten ICT und IOSB sowie des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT-wbk) am »Campus-Ost« des KIT. Dort betreiben wir praxisnahe Forschung an realen Fertigungsverfahren, damit produzierende Unternehmen sowie Maschinen- und Anlagenbauer neue Produkte in kürzester Zeit auf den Markt bringen können. Dazu nutzen wir konsequent die Potenziale einer umfassenden Digitalisierung und bringen Methoden der Künstlichen Intelligenz und des maschinellen Lernens verlässlich in die betriebliche Praxis.

Kontakt

Jan Diemert

Contact Press / Media

Dr.-Ing. Jan Diemert

Sprecher der Kernkompetenz

Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT
Joseph-von-Fraunhofer-Straße 7
76327 Pfinztal

Telefon +49 721 4640-433

Fax +49 721 4640-730

Torsten Müller

Contact Press / Media

Dipl.-Ing. Torsten Müller

Sprecher der Kernkompetenz

Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT
Joseph-von-Fraunhofer-Straße 7
76327 Pfinztal

Telefon +49 721 4640-394

Mobil +49 1525 9613 089