Kernkompetenz »Kunststofftechnologie und Verbundwerkstoffe«

Seit 1994 forscht das Fraunhofer ICT in der Kernkompetenz »Kunststofftechnologie und Verbundwerkstoffe« erfolgreich an technischen Kunststoffen für den Einsatz in der Praxis: von der Polymersynthese über Werkstofftechnik, Kunststoffverarbeitung, Bauteilentwicklung und -fertigung bis hin zum Recycling.

 

Bunte PET-Flaschen zerkleinert, depolymerisiert und aufgereinigt zu sauberen, weißen PET-Vorprodukten, neu polymerisiert und wieder zu PET-Preforms verarbeitet.
© Fraunhofer ICT | Mona Rothweiler
Bunte PET-Flaschen zerkleinert, depolymerisiert und aufgereinigt zu sauberen, weißen PET-Vorprodukten, neu polymerisiert und wieder zu PET-Preforms verarbeitet.
Biobasierte PLA-Plattenhalbzeuge hergestellt aus zwei Polylactid-Typen mit unterschiedlichen Schmelzpunkten
© Fraunhofer ICT | Mona Rothweiler
Biobasierte PLA-Plattenhalbzeuge hergestellt aus zwei Polylactid-Typen mit unterschiedlichen Schmelzpunkten
Glykolyseprodukt mit Recyclingpolyol (obere Phase)
© Fraunhofer ICT
Glykolyseprodukt mit Recyclingpolyol (obere Phase)
Anwendungsbeispiel: Sitzschale aus Polylactid
© Fraunhofer ICT
Anwendungsbeispiel: Sitzschale aus Polylactid

Die »Polymersynthese« ist für uns das Fundament zur kontinuierlichen Weiterentwicklung sogenannter klassischer Polymere wie Polyurethane, Polyester und Polyamide mit dem Ziel, ihre Funktionalitäten (wie beispielsweise Wärmeformbeständigkeit) zu verbessern. Auch Entwicklungen für die Nachhaltigkeit (wie zum Beispiel Kunststoffe auf der Basis biobasierter Rohstoffe oder aus dem voll umfänglichen Recycling von Altkunststoffen) bilden einen weiteren Forschungsschwerpunkt, ebenso die Additivsynthese von beispielsweise Flammschutzmittel oder Compatibilizern für neue Kunststoff-Compounds. Flammschutzsysteme der neuesten Generationen verzichten vollständig auf den Einsatz halogenhaltiger Bestandteile. Neueste Entwicklungen zielen auf die Kombination von thermo- und duroplastischen Funktionalitäten in Funktionspolymeren der nächsten Generation ab.


Die Arbeitsgruppe »Materialentwicklung und Compoundiertechnologien« ist spezialisiert auf die Entwicklung neuer Compoundierprozesse und Materialrezepte. Hervorzuheben sind hier extraktive Compoundierprozesse zur Reduktion von Emissionen, die Entfernung von Störstoffen im Recycling, die innovative Reaktivextrusion zur Polymersynthese oder Polymermodifikationen im Doppelschneckenextruder. Auf modernster Anlagentechnik entstehen innovative Materialien, beispielsweise im Bereich biobasierter oder nano-funktionalisierter Polymer-Compounds, für hochwertige Spritzgussprodukte 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 Polymeren und von technischen, meist höhertemperaturfesten
Rohstoffen. Die Kombination von Kunststoffschäumen mit Phasenwechselmaterialien ermöglicht hybride Leichtbaumaterialien mit hohen Dämmwerten und zusätzlichen Möglichkeiten der Raumtemperierung. Neue Technologien, wie beispielsweise die Radio-Frequenztechnologie für die Partikelschaumverarbeitung, erschließen ganz neue Anwendungsgebiete für Partikelschäume.

Im Fokus der Arbeitsgruppe »Spritzgießen und Fließpressen« stehen Standard- und Sonderverfahren im Spritzgießen und Fließpressen von thermoplastischen sowie duromeren (Faserverbund-) Materialien. Die Integration von lokalen, lastpfadgerecht gewickelten oder gelegten Faserverbundstrukturen in Spritzgussbauteile steigert die mechanischen Eigenschaften zwischen den Krafteinleitungspunkten signifikant.

An der Industriealisierung von Prozessketten zur Herstellung hoch belastbarer, kontinuierlich faserverstärkter Leichtbaustrukturen mit duromeren und thermoplatischen Matrice forscht die Gruppe »Strukturleichtbau«. Die Kerntechnologien hierfür sind das Resin-Transfer-Molding (RTM) und Wet-Compression-Molding-Verfahren (WCM) sowie das Thermoplast-Tapelegen (ATL). 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.

In der »Mikrowellen- und Plasmatechnologie« entwickeln wir Anlagen und Messtechnik. Anwendungen sind unter anderem die mikrowellenbasierte Erwärmung von Kunststoffen, das beschleunigte Aushärten von Klebstoffen und Harzsystemen sowie die Beschichtung oder Modifikation von Oberflächen im Plasma-Enhanced-Chemical-Vapor-Deposition-Verfahren. Einen besonderen Schwerpunkt bilden hierbei Korrosionsschutzschichten sowie nanoporöse Haftschichten.

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 bauen auf den großen Erfahrungen im Bereich der Sondentechnik, der Prozessintegration von Sensoren und dem prozessspezifischen Know-how in der Auswertung der erhaltenen Rohdaten auf. 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) nach dem Freilegen der Fasern und das Trennen von PET-Multilayer-Verbünden aus dem Verpackungsbereich. Einige Thermoplaste des Consumerbereichs müssen vor ihrer Wiederverwendung einem Extraktionsverfahren unterzogen werden, um sie beispielsweise von Flammschutzmitteln oder Farbstoffen zu befreien – hierbei kommen klassische Lösungsmittel aber auch überkritische Fluide zum Einsatz. Auf der Basis von Materialien aus alten Flugzeugsitzen wurden nach Depolymerisation, Reinigung und Neusynthese Werkstoffe gewonnen, die in Demonstratoren von neuartigen Flugzeugsitzen verwendet werden konnten. Eine begleitende Life-Cycle-Assessment-Rechnung konnte nachweisen, dass diese Sitze nicht nur leichter, sondern auch nachhaltiger sind.

Fraunhofer Project Center (FPC), Karlsruher Forschungsfabrik und Allianzen

Die Partnerschaft zwischen dem FPC@WESTERN in London, Ontario, Kanada und der Western University verbindet
die Kompetenzen des Fraunhofer ICT auf dem Gebiet der Faserverbundwerkstoffe mit dem Know-how in der Material- und Oberflächenforschung der kanadischen Hochschule optimal. Die großserienfähige Anlagentechnik ermöglicht es uns, Forschungsaufträge im industriellen Maßstab durchzuführen. Der Forschungsschwerpunkt des FPC@UNIST in Ulsan, Südkorea, liegt auf Verarbeitungsprozessen für Faserverbundwerkstoffe, neuen Werkstofflösungen sowie der Überführung des Leichtbaus in die Großserie.

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. 2019 hat zusammen mit Vertretern des Landes, des KIT und der Fraunhofer-Gesellschaft die offizielle Grundsteinlegung stattgefunden. Die Fabrik befindet sich derzeitig Im Bau. Die Fertigstellung ist für Anfang2021 geplant. Durch die enge thematische Vernetzung innerhalb der Fraunhofer-Allianzen »Bau« und »Leichtbau« sind wir in der Lage, Systemlösungen aus einer Hand anzubieten.  

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
  • Direkt-LFT-Anlage
  • Spritzgießanlagen im Schließkraftbereich 350 bis 7.000 kN
  • Spritzgießsonderverfahren Spritzprägen, Mehrkomponentenspritzgießen, Thermoplast-Schaumspritzgießen, Expansionsschäumen, Duroplastspritzgießen
  • Injection Molding Compounder mit 40 mm Doppelschneckenextruder
    und 7.000 kN Schließkraft
  • Automatisiertes Thermoplast-Tapelegeverfahren für Gelege mit einem Durchmesser von 2 m
  • Anlagentechnik zur strahlungsinduzierten Vakuumkonsolidierung für thermoplastische Gelege bis 0,94 x 1,74 m²
  • Automatisierte Wickeltechnik zur Herstellung komplexer Schlaufenstrukturen
  • 3D-Druck-Technologien zur Verarbeitung von funktionalisierten Polymeren – filamentbasiert und AKF-Technologie
  • Partikelschaumtechnik mit Doppelschneckenextruder, Unterwassergranulierung, Vorschäumer und (Radiofrequenz-) Formteilautomaten
  • Tandem-Schaumextrusionsanlage für geschäumte Halbzeuge
  • SMC-Flachbahnanlage und BMC-Kneter
  • Polyurethanverarbeitung PU-RIM und PU-Fasersprühtechnologie
  • thermoplastische RIM/RTM-Verarbeitung
  • RIM/RTM-Technologien für die Verarbeitung duromerer und thermoplastischer Materialien im Hochdruckinjektions- und Hochdruckkompressions-RTM-Prozess
  • Mikrowellenanlagen mit Generatoren im Bereich 60 kW bei 915 MHz, 12 kW bis 60 kW bei 2,45 GHz, 0,8 kW bei 5,8 GHz und 0,8 kW bei variabler Frequenz von 5,8 GHz bis 7,0 GHz
  • mikrowellenbasierte Sensortechnik zur Prozessüberwachung
  • Niederdruck-Flächenplasma mit 500 x 1.000 mm Applikationsfläche und 8 x 2 kW Leistung
  • Niederdruck-Plasmaanlage mit 8 Gaskanälen, ECR-Plasma und 1.000 mm Plasmalänge
  • Universalprüfmaschinen mit Vorrichtungen für Biege-, Zug-, Schäl- und Druckprüfungen
  • Schlagpendel und Durchstoßfallwerk
  • HDT/Vicat-Gerät
  • Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA)
  • Hochdruckkapillarviskosimeter mit pVT-Messtechnik
  • Rheotens®-Gerät zur Dehnviskositäts-Bestimmung
  • Platte-Platte-Viskosimeter
  • Kontaktwinkelmessgerät
  • Differential Scanning Kalorimetrie (DSC)
  • TG-MS, Pyrolyse-GC-MS
  • Gelpermeationschromatographie (GPC)
  • Lichtmikroskopie Auflicht und Durchlicht, Polarisation
  • Rasterelektronenmikroskop mit Elementanalyse (REM-EDX)
  • FTIR-, UV-VIS- und NIR-Spektroskopie
  • Flammschutz-Teststände
  • Wärmeleitfähigkeitsmessgeräte
  • Hydrostatischer Druckprüfstand zur Charakterisierung von polymeren Schäumen