Cluster Management Excellence
geförderte Projekte

HEA2D

Forscher streben massentaugliche Produktionsprozesse für innovative Produkte aus 2D-Nanomaterialien an

„HEA2D“-Konsortium will die Grundlagen für eine durchgehende Verarbeitungskette von zweidimensionalen Nanomaterialien schaffen.

2D-Materialien, eingebunden in massentaugliche Fertigungsverfahren haben das Potential, integrierte und systemische Produkt- und Produktionslösungen zu schaffen, die sozial, ökonomisch und ökologisch nachhaltig sind. Mit Hilfe von 2D-Materialien lassen sich sowohl der Klimawandel, eine umweltverträgliche und bezahlbare Energieversorgung und Mobilität sowie eine wachsende Ressourcenverknappung adressieren als auch neue, innovative Lösungen erarbeiten. Obwohl im Labor das Potential dieser neuen Materialklasse mit wachsender Dynamik für immer mehr Anwendungen nachgewiesen wird, scheitert eine großvolumige Herstellung der mittels 2D-Materialien funktionalisierten Produkte bislang noch an der fragmentierten Fertigungskette. Aus diesem Grund führte die Materialinnovation der 2D-Materialien in der Praxis auch noch zu keinen wichtigen Produktinnovationen.

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Im Rahmen des Verbundvorhabens HEA2D wird eine durchgängige Verarbeitungskette, bestehend aus verschiedenen Abscheideverfahren für 2D-Materialien, Verfahren für den Transfer auf Kunststofffolien sowie der massentauglichen Integration in Kunststoffkomponenten erforscht. Die Abscheidung von 2D-Materialien wird von der AIXTRON SE anlagentechnisch umgesetzt. Weitere Projektpartner des Kunststoff-Instituts Lüdenscheid (KIMW) bei der Integration dieser Materialien in Kunststoff-Formteile sind das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT) und die Coating Machinery GmbH (Coatema). Unterstützt werden die Arbeiten von den Lehrstühlen für „Werkstoffe der Elektrotechnik“ (Universität Duisburg-Essen) und „Graphen-basierte Nanotechnologie“ (Universität Siegen) hinsichtlich der Nanoanalytik sowie der Entwicklung von Prototyp-Bauelementen.

Die Ergebnisse des Projektes werden über bestehende Kooperationen der Verbundpartner interessierten nordrhein-westfälischen Unternehmen mit dem Ziel nahegebracht, bereits in einem frühen Entwicklungsstadium Anregungen von Endanwendern in die Fertigungskette zu integrieren. Hierfür wird die Plattform der Fachgruppe „Graphen und 2D-Materialien“ sowie das Cluster „Kunststoffland NRW“ in Nordrhein-Westfalen genutzt.

„HEA2D“ wird durch Mittel des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) 2014-2020 gefördert.

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Akustik-OPT

Wettbewerb: Leitmarktwettbewerb NeueWerkstoffe.NRW

Die Verminderung von Geräuschen beispielsweise im Fahrgastinnenraum von Automobilen hat in letzter Zeit vor allem aufgrund von Leichtbauweisen und geräuscharmen Elektroantrieben immer mehr an Bedeutung gewonnen. Störgeräusche, wie beispielsweise ein Klappern oder Knarzen, werden vom Kunden als störend empfunden und erwecken so den Eindruck, dass die verwendeten Bauteile schlecht verarbeitet oder von minderer Qualität seien. Im Fahrzeuginnenraum muss daher besonders auf die Gestaltung der Komponenten durch eine geeignete Werkstoffauswahl geachtet werden. Im Leichtbau bilden vor allem die Kunststoffe im Verbund mit anderen Werkstoffen aufgrund ihrer Anisotropien durch Faserausrichtung oder Schaumstrukturen und ihrer Viskoelastizität eine effektive und effiziente Möglichkeit, den Körper- und Luftschall zu dämmen und zu dämpfen. Das Ziel dieses Projektes ist daher, mit Mess- und Simulationswerkzeugen neue Werkstoffe für den Kunststoffspritzguss zu entwickeln und zu bewerten, die für akustische Bauteilauslegungen im Leichtbau optimal einsetzbar sind.

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Bisherige Versuche haben gezeigt, dass Kunststoffe mit einer ausgeprägten Anisotropie anders zu betrachten sind als isotrope Materialien. Im Gegensatz zur Isotropie zeigt eine Anisotropie eine Richtungsabhängigkeit der physikalischen Eigenschaften eines Materials, die vor allem aufgrund von Faserorientierungen oder Schaumstrukturen beim Spritzgießen von Thermoplasten entstehen.
Die Prozesseinflüsse der Fertigung werden mit Hilfe von rheologischen Prozesssimulationen und der statistischen Versuchsplanung berücksichtigt. In diesem Forschungsvorhaben werden gezielt Kunststoffe zur Optimierung des akustischen Verhaltens von Leichtbauteilen entwickelt, simuliert und erprobt. Der Schwerpunkt der Forschungsarbeit liegt in der Materialentwicklung von Thermoplasten für das Spritzgießen, die für Produkte des automobilen Leichtbaus eingesetzt werden können. Hierzu werden geeignete Naturfasern (z. B. Holz, Sonnenblumenkernschalen, Hanf, Kokos, Sisal), neuartige Füll- oder Funktionsstoffe (z. B. Xerogele oder Glashohlkugeln) sowie geschäumte Strukturen (z. B. im MuCell- oder Cellmould-Spritzgussverfahren) und die Kombination der genannten Verfahren und Werkstoffe untereinander untersucht. Eine Übertragbarkeit auf Produkte aus anderen Industriebereichen wie z. B. der Luftfahrttechnik ist denkbar.

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Lapix 3D

Wettbewerb: Leitmarktwettbewerb Produktion.NRW

Eine Individualisierung von Produkten wird zunehmend zu einem wichtigen Argument für den Markterfolg von Gütern jeglicher Art. Individuelles Design, personenbezogene Oberflächengestaltung oder nutzergerechte Bedienelemente sind entscheidende Auswahlkriterien für den Endverbraucher. Unter der Strategie einer stückzahl- und designvarianten Fertigung mit technologischen und organisatorischen Ansätzen, die unter dem Stichwort Industrie 4.0 zusammengefasst werden, wird das Thema Individualisierung der Produkte und der Produktion zu einem wichtigen Zweig.

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Im Massengüter- und Verpackungsmittelbereich besteht schon lange die Forderung nach individualisierten Sonderserien für z.B. die Fußball-WM oder Weihnachtseditionen. Im Automobilbereich wird über eine Variantengestaltung bereits heute die Möglichkeit einer Individualisierung mit begrenzter Gestaltungsfreiheit angeboten. Allerdings fehlen heute noch Technologien, spezifische Features eines Produktes auf der Basis einer in Massenfertigung hergestellten Einheitskomponente mit anschließender Funktionalisierung individuell auszugestalten. Verfahren, die heute schon eine Individualisierung mit Einschränkungen möglich machen, haben den Nachteil, dass diese auf 2D Oberflächen limitiert sind.

Mit einer neuartigen Prozesstechnik sollen die benannten Nachteile umgangen und eine Individualisierung von komplexen 3D-Bauteilen ermöglicht werden. Es wird ein neues Verfahren zur technologischen Umsetzung von fotorealistischen Bildern auf drei-dimensionalen Bauteilen erarbeitet. Hierzu wird mit einem speziellen Verfahren der Laserablation gearbeitet, mit dem feinste Farbpixel erzeugt werden sollen. Durch einfach zu bedienende und kostengünstige Lasermodule lassen sich Individualisierungen dezentral in unterschiedliche Produktionsstätten und Fertigungsschritte einbringen und ermöglichen dadurch auch neue Logistikkonzepte.

LAPIX 3D ist ein gemeinschaftliches Vorhaben des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik Aachen, der Linden GmbH sowie von dem Kunststoff-Institut Lüdenscheid.

Dieses Vorhaben wurde aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.

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ReCarbo-CF-Batch

Neue Leichtbaupotentiale durch Entwicklung eines kostengünstigen, neumaterial äquivalenten Carbonfaserverbund- Rezyklatwerkstoffs aus carbonfaserhaltigen Abfällen (ReCarbo 2)

Der Markt für faserverstärkten Kunststoffe wächst seit vielen Jahren stetig. Dies liegt in den heutigen Anwendungen im Automobilbau, in der Luftfahrt und in der Freizeit- und Sportindustrie begründet, denn hier werden Materialien mit hohen mechanischen Festigkeiten bei niedrigem Gewicht benötigt. Der Trend in diesen Industriezweigen hat sich in den Jahren hin zu einem stärkeren Umweltbewusstsein verschoben. Allgemein wird dies durch Gewichtsreduzierung realisiert, die durch den Einsatz von Leichtbaumaterialien wie CFK ermöglicht wird. Der Umweltgedanke kann aber nur umgesetzt werden, wenn der Rohstoffkreislauf geschlossen wird. Die derzeitigen Recyclingverfahren befassen sich mit Verschnitten, nicht aber mit post-Consumer Abfällen. Da diese Abfälle heutzutage bei wachsenden Mengen immer noch deponiert werden, trägt eine Rückführung dieses Wertstoffes in eine Anwendung, zur Emissionsreduzierung und Ressourcenschonung bei.

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Dieses Projekt befasst sich mit der Rückführung von aus pre- Consumer Abfällen durch Pyrolyse gewonnenen Carbonfasern in einen Kunststoff. Nach der Pyrolyse liegen die Fasern jedoch in einer nicht ohne Bearbeitung weiter verwendbaren Form vor. Die Längenverteilung ist nicht einheitlich und die Staubentwicklung bei der Weiterverarbeitung dieser Rohware ist viel zu hoch. Im vorangegangenen Projekt ReCarbo ist es erstmals gelungen, dieses Problem durch Überführung der pyrolysierten Faserfraktion in eine Pelletform zu lösen. Zudem konnten im Vergleich zu Neuware zumindest gleichwertige Festigkeitswerte erreicht werden. Die Vorentwicklung hat gezeigt, dass durch das Pyrolyseverfahren und diese neue Lieferform eine Rückführung von CFK-Abfällen grundsätzlich möglich ist. Das im Rahmen von RECARBO 1 entwickelte Pelletierverfahren, welches zur Herstellung der in Abbildung 2 dargestellten sogenannten Fiberballs angewandt wird, bietet jedoch noch beträchtliches Optimierungspotenzial.
Ziel dieses Projektes RECARBO 2 ist die Weiterentwicklung der aus dem ersten Projekt hervorgegangenen Lieferform „Fiberball“ wie auch die Entwicklung eines neuartigen CF-Batches. Diese projektierte granulierte Lieferform besitzt den Vorteil, dass sie – da rieselfähig und staubfrei – ohne komplexe Anlagentechnik sowie sicherheitstechnische Bedenken verarbeitet werden kann. Für den Marktdurchbruch dieser Lieferform sind jedoch die geplanten Entwicklungsarbeiten notwendig, um das von den Anwendern geforderte Gesamt-Eigenschaftsprofil zu erreichen. Der Fokus liegt hierbei auf der Entwicklung neuartiger Carbonfaser-Compounds, die im Hinblick auf den ressourcenschonenden Werkstoffeinsatz (wie z.B. Leichtbau) und die damit verbundene Verminderung der CO2-Emission größtmögliche Marktrelevanz erwarten lassen. Dieses Ziel soll durch Additivstudien sowie weitere Optimierungen des Verfahrens zur Fiberballherstellung unterstützt werden.


WeRümA

Werkstoffentwicklung auf Basis von benschnitzeln für marktrelevante Anwendungen.
Ziel des Projektes ist die Entwicklung von Konzepten und Applikationen, bei denen Zuckerrübenschnitzel in Werkstoffen eingesetzt werden können. Hierzu werden Unternehmen entlang der Wertschöpfungskette vom Rohstoff bis zum Endprodukt zusammengebracht und mit ihrem Know-How die technische und ökonomische Aufgabe zur Verarbeitung von Zuckerrübenschnitzel zu Verbundwerkstoffen zu lösen.

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Die Unternehmen: Byk, Entex, FKuR, Fraunhofer, Harold Scholz, Jäckering Mühlen, KIMW, LWB Koch, Nova-Institut, Pfeifer&Langen, Swoboda Engineering.
Das Konsortium soll industrielle Forschung zur stofflichen Verwertung des nachwachsenden Rohstoffs „Zuckerrübenschnitzel“ (RS) durchführen. Als Nebenprodukt der Zuckerproduktion stehen RS weder in Konkurrenz zur Nahrungsmitteln, noch in Konkurrenz zu Futtermitteln, da Vermarktbarkeit regional begrenzt und weitere Produktionsüberschüsse nach dem Wegfall der Zuckermarktordnung 2017 zu erwarten sind. Hierfür sollen alternative, wertschöpfungssteigernde Anwendungen gesucht werden. Das Projektziel Werkstoffe aus RS vereint ressourcenschonende Kaskadennutzung eines Koppelproduktes mit der Einsparung petrobasierter Rohstoffe(petrobasierte Kunststoffe). Kennzeichen und Differenzierung von RS zu Holz ist ihr hoher Pektingehalt. In Werkstoffanwendungen sind hieraus technische Herausforderungen zu erwarten. Der innovative Projektansatz soll durch Entwicklung von Verarbeitungsprozessen und –materialien diese und andere pektinhaltige Biomasse für Werkstoffanwendungen zugänglich machen. Pektin als Koppelprodukt ist zudem interessant für weitere Anwendungen. Das Projektkonsortium umfasst die gesamte Wertschöpfungskette vom Rohstoff über Additive bis zum Endprodukt. Die Bandbreite stofflicher Nutzung von Rübenschnitzeln soll frühzeitig durch Herstellung und Untersuchung von Demonstratoren bei Zwischenprodukten und Endanwendungen evaluiert werden. Eine projektbegleitende Aufstellung der Ökobilanz beschäftigt sich mit der Nachhaltigkeit. Weiterhin durch hohe Prozessintegration vieler Verfahren (Färben, Mahlen) ökonomische und ökologischer Vorteil generiert werden. Die Entwicklungsarbeiten mit Fokus auf Endanwendungen generieren Erkenntnisse, die in anwendungsspezifischen Weiterentwicklungen Markteinführung innerhalb 1-2 Jahre nach Projektabschluss ermöglichen sollen.

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