Kernkompetenz »Kunststofftechnologie«

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 der Basis biobasierter Rohstoffe oder voll umfänglichen Recyclings von Altkunststoffen bilden Forschungsschwerpunkte, ebenso die Additivsynthese von beispielsweise Flammschutzmitteln, nachhaltigen Weichmachersystemen oder Compatibilizern für neue Kunststoff- Compounds. Flammschutzsysteme der neuesten Generationen verzichten vollständig auf den Einsatz halogenhaltiger Bestandteile. Neueste Polymerentwicklungen zielen auf die Kombination von thermo- und duroplastischen Funktionalitäten ab für die Anwendung in hoch belastbaren Verklebungen, selbstheilenden Systemen oder in der Herstellung von Kunststoff-Aktuatoren.

Bei »Materialentwicklung und 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. Auf modernster Anlagentechnik entstehen innovative Materialien, beispielsweise im Bereich biobasierter oder nano-funktionalisierter Polymer-Compounds, für hochwertige Spritzgießbauteile sowie für generative Fertigungsverfahren.

Maßgebliche Aufgaben im 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 und von technischen, meist höhertemperaturfesten Polymeren. Neue Sinter-Technologien, wie beispielsweise die Radio-Frequenztechnologie, erschließen ganz neue Anwendungsgebiete, indem beispielsweise Partikelschaumbauteile aus bisher nicht versinterbaren Materialien herstellbar werden. Der Aufbau der Autoklav-Technologie zur Herstellung von Partikelschaummaterialien erweitert das Spektrum verarbeitbarer Materialien.

Beim »Spritzgießen und Fließpressen« stehen Standardund Sonderverfahren im Spritzgießen und Fließpressen von (Faserverbund-) Materialien im Fokus. Die Integration von lokalen, lastpfadgerecht gewickelten oder gelegten Faserverbundstrukturen in Spritzgießbauteilen steigert die mechanischen Eigenschaften zwischen den Krafteinleitungspunkten signifikant. Unsere neu installierte, hochmoderne SMC-Bandanlage eröffnet neue Möglichkeiten in der SMC-Halbzeugfertigung.

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 betrachteten Prozessketten.

Mit 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 bilden hierbei Korrosionsschutzschichten und nanoporöse Haftschichten. Die Investition in eine bei Atmosphärendruck arbeitende Plasmaanlage ermöglicht die Integration ausgewählter Beschichtungsprozesse in bestehende industrielle Prozessketten.

In unserem Prüflabor können wir polymere Werkstoffe entlang der gesamten Prozesskette, vom Rohstoff bis zum Bauteil, umfassend untersuchen. Im Schadensfall bieten wir eine systematische Analyse zu Schadensursachen und Fehlereinflüssen mittels analytischer und technologischer Messmethoden. Neben der normgerechten Prüfung von Standard-Werkstoffen bieten wir auch die Prüfung von Faserverbundwerkstoffen und polymeren Hartschäumen an und können Polymer-Compounds hinsichtlich ihres akustischen Dämpfungsverhaltens charakterisieren.

Beim »Online-Prozessmonitoring« werden spektrale und auf Mikrowellen basierende Messverfahren zur anlagenintegrierten Prozess-und Materialkontrolle und zur Prozesssteuerung entwickelt. 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 »lernende/unreife Prozesse«.

Im Bereich »Recycling und Kreislaufwirtschaft« werden Prozesse und Technologien für eine stoffliche Verwertung von Polymeren entwickelt, mit dem Ziel einer vollständigen Rückführung in hochwertige Anwendungen. Schwerpunkte bilden dabei Technologien für die Verwertung von Kompositen und Verbundwerkstoffen (GFK, CFK). Einige Thermoplaste des Consumerbereichs müssen je nach Anwendung vor ihrer Wiederverwendung einem Extraktionsverfahren unterzogen werden, um sie von Begleitkomponenten wie z. B. Flammschutzmitteln, Farbstoffen oder anderen Additiven zu befreien. Im Falle duroplastischer Polymersysteme wird ein anderes Recyclingkonzept verfolgt: Hierbei 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. Ein begleitendes Life-Cycle-Assessment quantifizierte über verschiedene Impakt-Kategorien die Nachhaltigkeit dieser Systeme.

Fraunhofer Innovation Platforms (FIPs), Karlsruher Forschungsfabrik

Unsere Kooperation mit der University of Western Ontario in Form des »FIP-Composites@Western« verbindet die Kompetenzen des Fraunhofer ICT auf dem Gebiet der Faserverbundwerkstoffe mit dem Know-how einer
der führenden kanadischen Universitäten. Die großserienfähige Anlagentechnik dieser FIP ermöglicht es, gemeinsame Forschungsaufträge im industriellen Maßstab für den nordamerikanischen Markt durchzuführen.

Die »Fraunhofer Innovation Platform for Composites Research am Ulsan National Institute for Science and Technology« stellt eine umfassende Kooperation zwischen einer führenden koreanischen Universität im
Bereich Wissenschaft und Technik und uns dar. Ulsan ist der größte Industriestandort in Korea. Der Forschungsschwerpunkt an dieser FIP ist der Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen in »Leichtbauanwendungen«, insbesondere im Automobilbereich. Die Arbeiten orientieren sich dabei an den Anforderungen des asiatischen Marktes.

Das »FIP-Composites@UNIST« verfügt ebenso über innovative und hochmoderne Verarbeitungsanlagen im industriellen Maßstab für thermoplastische und duromere Materialsysteme.

Die »Karlsruher Forschungsfabrik« 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. Ziel ist es, gemeinsam
mit Industriepartnern neue, noch unreife Fertigungsprozesse schnell zur Serienreife zu bringen. Das Projekt wird einen wichtigen Beitrag zur »Strategie Künstliche Intelligenz« der Bundesregierung leisten.