Forschungsprojekte und Netzwerkarbeit

Innerhalb des FuE Projekts „Entwicklung eines biobasierenden Schaumstoffs aus landwirtschaftlichen und industriellen Abfallströmen (Flax-Foam)“ im Rahmen des Programms „Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)“

Laufzeit: 01.12.2023 – 30.11.2025

Projektpartner: Technische Universität München (TUM), Lehrstuhl für Carbon Composites, Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler

Beschreibung des Projekts: Im Rahmen dieses Projekts ist die TUM für die Modifizierung des Leinsamengels mit verschiedenen Proteinen wie Zein und Hefe zuständig, die beide aus industriellen Nebenströmen stammen. Entsprechende Syntheserouten umfassen dabei die Optimierung von Druck, pH-Wert und Temperatur. Darüber hinaus wird das entwickelte Biopolymer mechanisch, thermisch und chemisch charakterisiert. Von besonderem Interesse ist der Schmelzpunkt des Biopolymers und das thermomechanische Verhalten bei wiederholtem Schmelzen und Abkühlen. Auch der Polymerisationsgrad und die Oberflächeneigenschaften des Biopolymers werden erforscht. 
PSM wird für die Herstellung und Prüfung von Schaumstrukturen aus dem neu entwickelten Biopolymer verantwortlich sein. Der Granulationsprozess mit den verschiedenen Beimischungen des Biopolymers und dessen technische Weiterverarbeitung, die mechanische Analyse, Recyclingfähigkeit und Abbaubarkeit des erzeugten Schaums sowie die Vermarktung des Endprodukts für industrielle Anwendungen.

Projektziel: Ziel des Projekts ist es, die chemische Modifizierung von Leinsamengel mit billigem Protein für die Verpackungsindustrie zu entwickeln. Dadurch soll ein biobasierter und zugleich biologisch abbaubarer Biokunststoff mit der Möglichkeit der Heimkompostierung entstehen.

Innerhalb des Verbundprojekts 3 „Bauteilsicherheit von generativ gefertigten Produkten“ (Add-Secure) im Rahmen des Regionales unternehmerisches Bündnisses (RUBIN) zur Qualitätssicherung in der Additiven Fertigung (AddiQ)

Laufzeit: 01.11.2023 – 31.10.2026

Projektpartner: NEL GmbH, Leipzig, ModellTechnik Rapid Prototyping GmbH, Waltershausen, Hochschule Merseburg, Technische Hochschule Brandenburg

Beschreibung des Projekts: Als Ausgangspunkt des Projekts werden im Rahmen der Auswahl der Demonstratorbauteile anhand einer Marktrecherche und Erfahrungswerten praxisrelevante 3D-druckbarer Werkstoffe für die Einzelteilfertigung und Serienfertigung vordefiniert. Das beinhaltet auch die Entwicklung von praxistauglichen und qualitätssensitiven Bewertungsverfahren zur Wareneingangskontrolle der Ausgangsstoffe.
Zur Erstellung des Anforderungsprofils wird ein Katalog über die Art der auftretenden Fehler bei der Bauteilerstellung erarbeitet. Die Relevanz der Fehler in Bezug auf deren Einfluss auf die Bauteil-eigenschaften wird herausgearbeitet. Fehlersensitive Bewertungsver­fahren der Bauteileigenschaften werden entwickelt. 
Zur Materialdefinition und Eignungstests werden projektrelevante Untersuchungsmaterialien definiert und Prüfmethoden zur Materialcharakterisierung von Prüfkörper bzw. Bauteilen entwickelt. Ziel ist die Aufstellung von Korrelationen zwischen Prozessparametern und Materialeigenschaften.
Praxistaugliche Konzepte für einfache, schnelle und kostengünstige Prüfverfahren für Prüfkörper und/oder Bauteile sowie die simulationsgerechte Datenaufbereitung werden erstellt und validiert. Darauf aufbauend kann die Entwicklung und Testung von Prüfansätzen im Pre-Processing erfolgen. Das heißt, dass schnelle, einfache, und kostengünstige Methoden der Werkstoffprüfung zur Überprüfung der Eingangsqualität des Eingangsmaterials in Form von Filamenten oder Pulvern entwickelt und in ihrer Aussagefähigkeit überprüft werden. Außerdem werden lasersinterbare Vergleichsobjekte für das SLS-Verfahren (Selektives Lasersintern) und 3D-druckbare Vergleichsobjekte für das FFF-Verfahren (Fused Filament Fabrication) definiert und deren Eignung als Dokumentationsbauteile überprüft.
Im Rahmen der Entwicklung und Testung von Prüf- und Überwachungsansätzen im Processing werden Prüfmethoden zur Analyse der mechanischer Eigenschaften und der Bruchsicherheit von lasergesinterten Teilen hinsichtlich Prozesssicherheit und Wiederholbarkeit entwickelt. Außerdem werden Prüfmethoden zur Analyse der mechanischen Eigenschaf­ten und der Bruchsicherheit von 3D-gedruckten Teilen hinsichtlich Prozesssicherheit und Wiederholbarkeit entwickelt. Dadurch wird die Entwicklung von für die Prozessüberwachung und die Überwachung der Prozessstabilität im SLS-Prozess sowie im FFF-Prozess geeigneter Tests ermöglicht. 
Zur Entwicklung und Testung von Prüfansätzen im Post-Processing werden Prüfansätze bzgl. der mechanischen Eigenschaften entwickelt und experimentell validiert. Die entwickelten 3D-druckbaren Vergleichsobjekte werden bzgl. ihrer Praxistauglichkeit als Dokumentationsbauteile optimiert. Im Endergebnis werden Prüfstrategien für die Einzel- und Kleinserienfertigung von SLS- und FFF Bauteilen entwickelt.

Projektziel: Ziel des Vorhabens ist die Nutzbarmachung der additiven Fertigungstechnologien bei der Herstellung von Einzelteilen und Kleinserien für die kommerzielle Nutzung unter Einhaltung von branchenspezifischen Gewährleistungsanforderungen. Ausgehend von den Erfahrungen der Partner im Bereich der Einzelteilfertigung von Leuchtwerbung und im Bereich der Kleinserienfertigung sollen die Defizite im Bereich der Qualitätssicherung für die Verfahren FFF und SLS identifiziert und durch neuartige, innovative und praxisorientierte Lösungen beseitigt werden. Hierfür werden durch PSM im Rahmen des Vorhabens verschiedene Methoden von der effizienten Ausgangsmaterialprüfung, der Werkstoffprüfung zur In-Prozess-Überwachung und der produktionsbegleitenden Werkstoffprüfung entwickelt, untersucht und bewertet. Im Ergebnis sind Richtlinien für die Anwendungsfälle in den beteiligten Unternehmen zu erwarten, die sich auf ähnliche Produktionsanwendungen über­tragen lassen und alle Unternehmen bei der Vermarktung ihrer additiv gefertigten Produkte und der damit verbundenen Gewährleistung von Produkteigenschaften maßgeblich unter­stützt.
Ein Ziel ist die Definition von komplexen Anforderungen hinsichtlich der spezifischen Einsatzfelder der Demonstratorbauteile sowie geeignete Materialien und die Qualifikation durch Eignungstests hinsichtlich Verwendung und Nutzungsdauer. Dadurch ist einerseits eine Wareneingangskontrolle der Werkstoffe mit definierten Verfahren der Werkstoffprü­fung möglich, andererseits die Anwendung der Werkstoffprüfung im Processing und Post-Processing zur erfolgreichen Erhöhung der Prozessstabilität und Bauteilsicherheit. Die validierten Prüfverfahren und Bewertungsmodelle werden somit in Verfahren der Prozess- und Eigenschaftskontrolle additiv gefertigter Bauteileile einfließen. Dadurch wird die Erstellung eines Handbuchs bzw. einer Richtlinie für die Bewertung bzw. Prüfung generativ gefertigter Bauteile jeweils für FFF und SLS erreicht.

Laufzeit: 01.10.2023 – 30.09.2025

Projektpartner: Exipnos GmbH, Merseburg, Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen, Halle (Saale)

Beschreibung des Projekts: Für die Schlagzähigkeitserhöhung biobasierter und biologisch abbaubarer Kunststoffe für Spritzgussanwendungen stehen die Materialeigenschaften durch gezielte Steuerung der Mikro- und Nanostruktur, der Funktionalisierung von Grenzflächen und die Entwicklung anwendungsbezogene Prozesse zur Herstellung und Verarbeitung innovativer Produkte im Vordergrund. Durch die Auswahl der Ausgangsstoffe, die Rohstoffgewinnung aus nachhaltigen Quellen und das gewählte Verarbeitungsverfahren wird die Substitution erdölbasierter Massenkunststoffe und die Verbesserung der CO₂-Bilanz erreicht. Ein recyclinggerechtes Materialdesign leistet einen Beitrag zur verbesserten Kreislauffähigkeit von Kunststoffen. Das im Mittelpunkt der Untersuchungen stehende Polybutylensuccinat ist ein biobasierter und biologisch abbaubarer Kunststoff mit hervorragenden Eigenschaften, der allerdings mit der für den effizienten Spritzguss erforderlichen Fließfähigkeit zu einer deutlichen Versprödung und Weißbruchempfindlichkeit neigt. Durch die hohe Kristallisationsneigung kann ein unerwünschter Bauteilverzug auftreten. Schwerpunkte sind Forschungen zum Kristallisationsverhalten und Kristallisationssteuerung zur Einstellung der optimalen teilkristallinen Morphologie, zu den wirksamen Schlagzähmechanismen mit geeigneten morphologischen Parametern und zur Aufbereitung, Stabilisierung und Kompatibilisierung der Naturkautschuk-Derivate.

Projektziel: Gesamtziel des Verbundsvorhabens ist die Erforschung mikromechanischer Mechanismen zur Schlagzähigkeitserhöhung vollständig biobasierter und biologisch abbaubarer Kunststoffe zur Bauteilherstellung für mechanisch anspruchsvolle Spritzgussanwendungen am Beispiel von Polybutylensuccinat (PBS). Hauptziel der Firma PSM im Rahmen eines Teilprojekts ist die Entwicklung bzw. Adaption der für die umfassende Analyse des mechanischen und bruchmechanischen Eigenschaftsprofils (insbesondere zur quantitativen Bewertung der Zähigkeits- und Eindringeigenschaften) erforderlichen Verfahren der Kunststoffprüfung und diese Anwendung dieser Verfahren auf das im Rahmen des Gesamtvorhabens entwickelte und gegebenenfalls weiter optimierte schlagzähmodifizierte PBS. Das zentrale Ziel der Arbeiten wird somit die Methodenentwicklung zur Prüfung insbesondere der Bruchzähigkeit und der Oberflächeneigenschaften sein, die in der Erforschung der Schlagzähigkeitseigenschaften an Demonstrator-Bauteilen mündet. Dadurch wird die Etablierung von Modellen zur anwendungsbezogenen Optimierung der Technologie erreicht.

Laufzeit: 01.09.2023 – 31.08.2025

Projektpartner: GLACONCHEMIE GmbH, Leuna, Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen, Halle (Saale)

Beschreibung des Projekts: Die überwiegende Mehrzahl der aktuell eingesetzten Modifikatoren zur Einstellung der Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften von polymeren Werkstoffen, auch von technischen Biopolymeren, werden aktuell auf Basis von petrochemischen Produkten gewonnen. In vielen Fällen sind dies industriell hergestellte Weichmacher aus Phtalaten, die wegen ihres Migrationsverhaltens und ihrer umweltbelastenden, toxischen Eigenschaften immer mehr unerwünscht sind. Es werden daher weltweit große Anstrengungen unternommen, um alternative Weichmacher zu finden, die diese unerwünschten Eigenschaften nicht aufweisen und in den Eigenschaften der erzeugten Produkte dennoch den Phtalaten ebenbürtig oder besser sind und somit vollständig biobasierte Materialsysteme ermöglichen. Eine Alternative stellen Eigenschaftsmodifikatoren auf Basis von biobasierten Glycerinderivaten dar, welche im großtechnischen Maßstab, z. B. aus Rapsöl, gewonnen und speziell an die Anforderungen der unterschiedlichen Polymerwerkstoffe angepasst werden können. Aktuell sind solche biobasierten Modifikatoren mit den benötigten Funktionalitäten und Wirtschaftlichkeit jedoch noch nicht am Markt verfügbar.

Projektziel: Ziel des Projekts ist daher die Entwicklung von biobasierten Weichmachern, die gegenüber dem aktuellen Stand der Technik eine vollständig regenerative Rohstoffquelle und ein verbessertes Migrationsverhalten in thermoplastischen und elastomeren Biopolymeren aufweisen. Dadurch sollen insbesondere die Verarbeitbarkeit und die Dauergebrauchseigenschaften dieser Werkstoffe signifikant verbessert werden. Konkret sollen spezielle Fettsäuren mit Alkoholen auf Basis von biobasiertem Glycerin und/oder Zucker (z.B. Glycerincarbonat, Tetrahydrofurfurylalkohol, Glycerin-Lävulinsäureketal) verestert und anschließend deren Doppelbindungen epoxidiert werden. Durch Variation des eingesetzten Alkohols, des Sättigungsgrades der Fettsäurezusammensetzung oder durch Modifizierung der Doppelbindungen der Fettsäuren, sollen spezielle Modifikatoren mit diversen Polaritäten und Migrationsverhalten herstellbar sein. Die entwickelten biobasierten Weichmacher sollen anschließend in thermoplastische und elastomere Biopolymere eingearbeitet und die sich ergebenden Struktur-Eigenschafts-Beziehungen untersucht werden.

Innerhalb des Verbundvorhabens „Ressourceneffiziente Kreislaufwirtschaft – Kunststoffrecyclingtechnologien“ (KuRT): Pool-in-loop-UP

Laufzeit: 01.09.2023 – 31.08.2028

Projektpartner: Hochschule Merseburg, Merseburg, EurA AG, Erfurt, MVV Umwelt GmbH, Mannheim, Mitteldeutsche Braunkohlengesellschaft mbH‚ Zeltz, Braskem Europe GmbH, Wesseling, Chemiewerk Bad Köstritz GmbH, Bad Köstritz, Hallesche Wasser und Stadtwirtschaft GmbH, Halle (Saale), Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., München

Beschreibung des Projekts: Im Rahmen der Eingangsuntersuchung von Kunststoffabfällen sollen durch eine effiziente Charakterisierung der Zusammensetzung des Abfallstroms mittels NIR-Spektroskopie nach vorheriger Probenhomogenisierung die 5 Hauptkomponenten der Massenkunststoffe quantitativ ermittelt werden und somit die nachfolgende Prozessierung zur stofflichen Verwertung mit den erforderlichen Basisinformationen versorgen. PSM wird dazu mit NIR-Spektroskopie eine verlässliche Methode der Inputanalytik von Kunststoff-Abfallströmen zur nachfolgenden katalytischen Spaltung entwickeln. Es werden dazu Technologien erforscht und entwickelt, die über eine weitestgehend automatisierte Probennahme und Probenvorbereitung sowie robuste mathematische Modelle die Zusammensetzung der Polymerwerkstoffe ergeben, die für die verfahrenstechnischen Prozesse weiterer kommerzieller Nutzer eine wissenschaftliche fundierte Grundlage liefern. Dazu sollen gezielt repräsentative Methoden der Beprobung, Vermahlung, Verschmelzung sowie der anisotropen Spektrenakquise sowie die Berechnung von Kalibrierverfahren mit multivariaten linearen Modellen evaluiert werden.

Projektziel: Für das geplante Projekt „pool-in-loop" wird PSM seine Kompetenz in der effizienten Analytik von Input-Materialien im Recyclingprozess entwickeln. Zusätzlich ist über eine Kopplung einer TGA mit großem Probentiegel die Entwicklung von Verfahren geplant, die eine Freisetzung von Pyrolyseprodukten und die simultane Analyse mit TGA-IR-Kopplung ermöglichen sollen.

Laufzeit: 01.05.2020 bis 30.04.2022

Projektpartner: Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen (IMWS), Halle

Beschreibung des Projekts: Carbonfasern werden derzeit hauptsächlich mit duroplastischen Matrixmaterialien verarbeitet und sind deshalb chemisch für einen optimalen Materialverbund mit diesen Kunststoffen vorbereitet. Bei der Verarbeitung mit thermoplastischen Materialien kommt es oft zu Problemen in der Anbindung der Faser an die Matrix, was sich wiederum im nicht voll ausgeschöpften Eigenschaftsprofil des Verbundmaterials niederschlägt. Entwicklungen von Schlichtesystemen für Carbonfasern für spezielle Kundenwünsche sind zeit- und preisintensiv und gerade für kleine und mittelständische Unternehmen kaum realisierbar.
Im Rahmen des Gemeinschaftsvorhabens soll ein neuartiges Verfahren zur In-Line-Oberflächenmodifizierung von Carbonfasern im Herstellungsprozess von unidirektional faserverstärkten Folien (UD-Tapes) entwickelt werden. Es soll eruiert werden, ob eine preisintensive Schlichteentwicklung für die Fasern entfallen kann und Standardfasern, welche z. B. für Duroplastsysteme optimiert sind, für thermoplastische UD-Tapes eingesetzt werden können, wenn die Faseroberfläche direkt im Tapeherstellprozess aktiviert und modifiziert wird. Von essentieller Bedeutung ist die Erfassung der erzielten Eigenschaftsoptimierung im Verbundmaterial. Für die Charakterisierung und das Verständnis der Einflüsse einer solchen Oberflächenmodifizierung auf die Anbindung der Faser an die Matrix müssen die mikromechanischen Vorgänge im Verbundmaterial genau analysiert werden. Dies soll durch die Entwicklung hybrider Prüfmethoden, welche für thermoplastische Materialien in der Form noch nicht existent und standardisiert sind, erfolgen.

Projektziel: Das Ziel des Forschungsvorhabens besteht darin, den Funktionsnachweis für eine prozessintegrierte Verfahrenseinheit zur Oberflächenmodifizierung von Carbonfasern (CF) zu erbringen und damit die Grundlage für einen breiten industriellen Einsatz dieser Komponente zu legen. Die zweite Zielstellung liegt in der Erarbeitung von speziellen Prüfmethoden für diese Materialien sowie darin, einen Beitrag zur Standardisierung dieser hybriden Prüfmethoden zu leisten. Die verarbeitungstechnische Umsetzung der Prozessentwicklung zur Tapeherstellung soll am Fraunhofer Pilotanlagenzentrum erfolgen. Die Entwicklung hybrider, für thermoplastische UD-Tapes angepasster Charakterisierungsmethoden wird bei der Polymer Service GmbH Merseburg umgesetzt.

Laufzeit: 01.10.2019 bis 30.09.2021

Beschreibung des Projekts: Folien sind vielfältig einsetzbare Materalien, die unter anderem Anwendung in der Lebensmittelindustrie als Verpackungsmaterial, in der Landwirtschaft als Agrar- und Mulchfolien oder auch im Bauwesen finden. Insbesondere im Baubereich gibt es einen breit gefächerten Anwendungsbereich für Folien, z.B. als Dampfbremsen oder Dampfsperren, Abdeckfolien, oder auch als Dekorfolien zur individuellen farblichen Gestaltung von PVC-Fensterprofilen oder Haustüren.

Durch den Gebrauch von Chemikalien z. B. während der Reinigung kann es in Folge einer physikalischen und/oder chemischen Wechselwirkung zwischen dem Reinigungsmittel und der Folie zur Bildung von Spannungsrissen in der Folie kommen. Von derartigen Rissen sind viele Bauteile aus Kunststoffe betroffen, wobei es Kunststoffe gibt, die besonders empfindlich auf das Einwirken einer Chemikalie und einer mechanischen Spannung reagieren. Durch die Entstehung von Spannungsrissen kann es zum vorzeitigen Ausfall des betroffenen Bauteils kommen.

Projektziel: In dem geplanten Projekt soll für eine Auswahl von polymeren Werkstoffen die Spannungsrissneigung bzw. die Spannungsrissbeständigkeit mit Hilfe konventioneller und bruchmechanischer Methoden untersucht werden. Dabei stehen einerseits die Werkstoffeigenschaften und andererseits auch die Methodik im Fokus der Untersuchungen. Letzteres zielt auch auf die (Weiter)Entwicklung der Methoden ab, um Kosten für die Werkstoffbewertung im Rahmen von Werkstoffentwicklung und -optimierung einsparen zu können.

Untersuchung des Zusammenhanges zwischen der Mischungsherstellung, der Struktur und den Eigenschaften von verstärkten Elastomerwerkstoffen für Reifenanwendungen mit Weichmachern auf Basis nachwachsender Rohstoffe

Laufzeit: 17.04.2019 bis 31.12.2021

Beschreibung des Projekts: Ausgehend von experimentellen Untersuchungen an weichmacherhaltigen Mischungen soll analysiert werden, inwieweit neue Weichmacherprodukte als Hilfsstoffe zur gezielten Eigenschaftseinstellung anstelle von konventionellen, mineralölbasierten Produkten eingesetzt werden können. Es sollen dabei die Einflussfaktoren Mischungsaufbau und Verarbeitung systematisch untersucht werden. Ein Ziel besteht in der Verbesserung des Migrationsverhaltens, weshalb dazu ebenfalls Untersuchungen durchgeführt werden sollen. Eng verbunden mit einer möglichen Weichmachermigration ist die daraus resultierende zeitabhängige Veränderung der Eigenschaften. Somit ist ein weiteres Ziel der Arbeit, die zur Alterung führenden Prozesse auch bei den neuen Weichmachern zu untersuchen und zu verstehen. Das Erreichen dieses wissenschaftlichen Ziels erfordert umfangreiche systematische Untersuchungen reichend von der Variation der Mischparameter, der umfassenden Bewertung der Eigenschaften bis hin zur Charakterisierung des Migrations- und Alterungsverhaltens.

Projektziel: Zentrales wissenschaftliches Ziel des geplanten Projekts ist die Aufklärung von Zusammenhängen zwischen Mischungsaufbau, Verarbeitung und den resultierenden Vulkanisateigenschaften von technischen Kautschukmischungen mit alternativen, nicht-toxischen Weichmachern auf der Basis nachwachsender Rohstoffe.