Projekte und Forschungsarbeiten

Die wichtigsten Verarbeitungsverfahren der Kunststoffindustrie sind das Spritzgießen und die Extrusion. Bei der Herstellung langer, schmaler und strukturierter Bauteile weisen jedoch beide Technologien entscheidende Nachteile auf: Beim Spritzgießen limitieren die Aufspannplatten die Bauteillänge. Auch steigt proportional mit der Fließweglänge der Druckbedarf beim Füllen an. Somit werden vor allem bei hochviskosen Formmassen (z. B. Elastomermischungen) die technischen Grenzen der Spritzgießmaschine schnell erreicht. Bei der Extrusion von Elastomeren fehlt der Formzwang während der Vulkanisation. Extrudierte Dichtungsprofile haben daher in der Regel eine geringere Dimensionsstabilität. Ferner können nur vergleichsweise einfache Dichtungsgeometrien ohne Montageelemente extrudiert werden.

Im Rahmen des FFG Bridge Projektes ­RubExject II (Laufzeit 2016 – 2019) werden basierend auf der patentierten Exjection®-Technologie bestehende Grenzen der Elastomerverarbeitung überwunden und die Vorteile beider Verarbeitungsverfahren vereint. Das Verfahrenskonzept der Exjection®-Technologie basiert auf einer in einem Verschiebeschlitten eingeformten Kavität. Diese wird während des Einspritzvorganges normal zur Spritzeinheit mit einer auf die Fließfront abgestimmten Geschwindigkeit verschoben. Bei langen, schmalen Bauteilen sinkt dadurch der Einspritzdruck an der Spritzgießmaschine erheblich.

Erstmalig wurde eine speziell für Kautschukmischungen ausgelegte Exjection®-Forschungsform
entwickelt. Damit können mögliche Verfahrensvarianten samt deren Prozessfenster sowie die Bauteil- und Oberflächenqualität eingehend untersucht und somit die Basis für das Spritzgießen sehr großer, funktionsintegrierter und gleichzeitig kostengünstiger Dichtungsprofile (z. B.: für Windkraftanlagen) gelegt werden. 

Auf einen Blick
Förderung: FFG Bridge
Projektpartner: IB Steiner, SKF Sealing Solutions Austria GmbH,  ELMET Elastomere Produktions- und Dienstleistungs-GmbH

Ansprechpartner  
DI DI Sebastian Stieger
sebastian.stieger@unileoben.ac.at
+43 3842 402 2905
 

Polyurethane zählen durch ihr breites Anwendungsgebiet zu den wichtigsten synthetischen Polymeren mit einer jährlichen Produktion von mehr als 22 Mio. Tonnen (Stand, 2018). Neben Polyurethan-Schaumstoffen und PUR-Hartschäumen, gewinnen hochentwickelte Polyurethan-Elastomere, welche als Schwingungsisolierung in den Bereichen Bau, Bahn und Industrie verwendet werden, zunehmend an Bedeutung. Unerwünschte Schwingungen und Vibrationen treten nicht nur in technischen Gebieten auf, sondern werden zunehmend durch öffentlichen Verkehr verursacht (Abb.1). Dämpfungsmaterialien schützen dabei Maschinen vor Beschädigung, bewirken aber auch eine geringere Belastung durch Lärm und Vibration, was zu einer erhöhten Wohn- und Arbeitsqualität für Anwohner führt.

Die aus zwei Komponenten (Polyol und Isocyanat) aufgebauten PU-Elastomere zeichnen sich insbesondere durch hohe Festigkeit bei gleichzeitig hoher Dehnung und sehr gutes Rückstellvermögen aus. Einen erheblichen Nachteil der Produktion von PU-Elastomere stellt der intensive Einsatz von toxischem Isocyanat dar. Aus diesem Grund gewinnt die Entwicklung neuer Isocyanat-freier Elastomere zunehmend an Bedeutung. 

In diesem Projekt ist das Ziel, auf Basis langkettiger, modifizierter Polyole in Kombination mit funktionellen Monomeren, aber auch Nanopartikeln, eine,  dem Polyurethan vergleichbare Struktur zu bilden und dadurch entsprechende Materialeigenschaften zu generieren. Die modifizierten Polyole tragen hierbei endständige Acrylat- bzw- Methacrylatgruppen und können lichtinduziert polymerisiert werden. Erste Erfolge konnten durch eine Kombination verschiedener Acrylat-Makromonomere mit Silicananopartikeln erzielt werden.

Auf einen Blick 
Projektpartner: KC, WPK, Getzner Werkstoffe (Bürs)

Ansprechpartner
Mag.rer.nat. Catharina Ebner 
catharina.ebner@unileoben.ac.at
+43 3842 402 2368
 

Die Entwicklung von dehnbaren, leitfähigen Materialien eröffnet die Möglichkeit der einfachen Integration elektronischer, multifunktioneller Sensorsysteme beispielsweise in Kleidung, oder dreidimensionalen Oberflächen von Maschinen, menschlicher Haut oder Kunststoff. Die Motivation für die Entwicklung solcher Sensorsysteme entspringt der Vision zur Realisierung von intelligenter Kleidung, der Integration von Sensorik auf textilen Oberflächen (Smart Textiles, e-Textiles) und der Herstellung künstlicher Haut (electronic skin, E-Haut).

Neben der Notwendigkeit einer einfachen und kostengünstigen Herstellung dieser elastischen Bauelemente, ist die Dehnbarkeit von elektrischen Verbindungen und Kontakten eine wesentliche funktionelle Voraussetzung. Das Ziel unserer Forschungen ist es, neuartige Materialien und Verfahren zu entwickeln, welche eine großflächige Herstellung von stromleitfähigen, dehnbaren Elektroden und Leiterbahnen ermöglichen.

Hierfür wurden im Rahmen des CD-Labors für funktionelle Druckertinten auf Polymerbasis und des FFG Projekts „CELCOS“ neue Methoden für die Herstellung metallischer Nanopartikel ohne Bedarf an toxischen Chemikalien in einer elastomeren Matrix entwickelt.

Die metallischen Nanopartikel werden durch Selbstreduktion eines stabilen Silber-Komplexes hergestellt. Auf Basis dieses Komplexes wurden Pasten entwickelt, die auf hinreichend großen Flächen mittels Siebdruck strukturiert aufgebracht werden können. Die gedruckten Leiterbahnen und Elektroden zeigen eine sehr niedrige Widerstandsänderung bei einer Dehnung von bis zu 100 % . In Zusammenarbeit mit ­Joanneum Research Weiz, AT&S und dem Human Research Institut konnte ein Sensorpflaster (Dehnungssensoren, siehe Abb. 1) für die Überwachung und Detektion der Herz- und Atmungsaktivität entwickelt werden.

Auf einen Blick 
Förderung: CDG, FFG 
Projektpartner: Joanneum Research Weiz, AT&S, Human Research Institut

Ansprechpartner
assoz.Prof. Dr. Thomas Griesser 
thomas.griesser@unileoben.ac.at
+43 3842 402 2358
 

Fördergurte transportieren Schüttgut über mehrere Kilometer und übertragen dabei Längskräfte von bis zu 8000 kN. Aufgrund dieser enormen Belastungen werden elastomere Gurte mit Stahlseilen verstärkt. Diese sehr langen Gurte werden aus kürzeren, besser zu transportierenden, Gurtabschnitten zusammengesetzt und vor Ort endlos verbunden. Im Bereich der Verbindungsstellen werden die Gurtabschnitte nach einem bestimmten Legeschema der Stahlseile verbunden. Für dieses Legeschema gibt es viele Designmöglichkeiten. Die Gurtverbindungen stellen mit Festigkeiten von nur etwa 50 %  jener des restlichen Gurts die Schwachstelle der Fördergurte dar, da die Längskräfte hier über den Gummi zwischen den Seilen übertragen werden müssen. 

Im 3-jährigen Bridge-Projekt der FFG­ beltSim mit Semperit als Projektpartner sollen einfache und günstige Prüfkörper entwickelt werden, die das Versagen in den Gurtverbindungen abbilden (Reduktion). Dazu ist es notwendig, die mechanischen Spannungen im Fördergurt aber auch in den möglichen Prüfkörpern genau zu kennen. Es werden Finite Elemente (FE) Modelle entwickelt, die automatisiert beliebige Gurtverbindungen und Prüfkörper aufbauen. Auf der Ebene der Prüfkörper werden physikalisch-basierte Schädigungsmodelle entwickelt, deren Parameter durch die Tests bestimmt werden. Die entwickelten Schädigungsmodelle werden in dem FE Modell für den Fördergurt verwendet und damit Festigkeiten des Gurts vorhergesagt. Durch einen Abgleich der vorhergesagten Festigkeiten mit Gurttests kann die Vorgehensweise validiert werden. Damit wird die Grundlage für die Optimierung von Gurtaufbauten, Gummimischungen und Seilen geschaffen. 

Auf einen Blick
Förderung: Bridge-Projekt der FFG 
Projektpartner: Semperit

Ansprechpartner
Dipl.-Ing. Dr. Martin Pletz 
martin.pletz(at)unileoben.ac.at 
+43 3842 402 2507
 

Während sich die klassische Polymerforschung meist mit Materialien, die durch eine passive Strukturfunktion gekennzeichnet sind, beschäftigt, sind seit kurzem dynamische Polymersysteme, die sich ihren Umgebungsbedingungen anpassen können, in den Fokus der Grundlagenforschung in Leoben gerückt. 

Eine neue Generation
In Kooperation mit der MUL werden am PCCL neue elastomere Werkstoffe mit schaltbaren chemischen Gruppen synthetisiert. Diese funktionalen Elastomere reagieren selektiv auf einen äußeren Reiz, wie bspw. Temperatur, Licht oder pH-Wert, und ändern dadurch ihre chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften. Vor allem der Einbau von lichtsensitiven Gruppen eröffnet neue Wege in der Herstellung von „intelligenten“ Elastomeren, da Reaktionen mit Licht einer zeitlichen und örtlichen Kontrolle unterliegen. 

Selbstheilung mit Licht
Die lichtgesteuerte Reaktion von Anthracengruppen wird genutzt, um Elastomere mit selbstheilenden Eigenschaften auszustatten. Die Vernetzung erfolgt bei einer Bestrahlung mit UV-Licht über 300 nm während die gebildete Netzwerkstellen bei einer niedrigeren Wellenlänge kontrolliert spalten. Dieser Mechanismus ermöglicht die intrinsische Heilung von Schädigungen im Elastomer und die wiederholte Reparatur von makroskopischen Rissen.

Zukünftige Anwendungen 
Mit Hilfe der reversiblen Schaltung der Vernetzungsdichte wird eine gezielte Steuerung von unterschiedlichsten Materialeigenschaften wie Zugfestigkeit, Dehnung, Adhäsion oder Löslichkeit erreicht. Durch diese Vielseitigkeit können schaltbare Elastomere in unterschiedlichsten Industriezweigen wie der Mikroelektronik (Abb. 2) oder dem Automobilbereich eingesetzt werden. Zusätzlich ermöglicht der gesteuerte Netzwerkabbau die Entwicklung neuer Recyclingkonzepte für Elastomere.

Auf einen Blick 
Förderung: FFG COMET-K1, BMDW,  bmvit, Länder STMK, NÖ & OÖ
Partner: PCCL, MUL (KC, WPK, SGK, Institut für Physik)

Ansprechpartner 
Priv.-Doz. Dr. Sandra Schlögl
sandra.schloegl(at)pccl.at 
+43 3842 402 2352
 

Beginnend mit den ersten Konzepten in den 1960er-Jahren, werden Tapelegetechnologien seit den 1980ern kommerziell genutzt. Unter den Legetechniken sind die thermoplastverarbeitenden Varianten stark limitiert und bislang weiterhin in der Entwicklung befindlich. Wegen den hohen Materialkosten und den angestrebten hohen Legegeschwindigkeiten, ist eine Konsolidierung nach dem Legeprozess von Nöten um einen ausreichenden Industriestandard zu erreichen. Erschwerend kommt hinzu, dass das Erfassen und Beeinflussen der Materialqualität während des Legeprozesses kaum möglich ist und der Prozess nur unter vorab definierten Randbedingungen gefahren wird. Um das Potenzial der Technologie besser auszuschöpfen, soll die in situ Konsolidierung über eine in-line Steuerung erreicht werden.

„InP4 - In-Line Process Control for TP Placement Process“ zielt ab auf die Erzielung einer homogenen Konsolidierung durch Adaptierung der Kompaktierungskraft basierend auf einem kontinuierlich adaptiven, inversen Prozessmodell. Mittels Lichtschnittsensoren wird hierfür die Änderung der Tapegeometrie in-line erfasst. Der Lehrstuhl für Verarbeitung von Verbundwerkstoffen an der MUL, setzt hier ein modulares Legesystem ein: Das im Haus entwickelte System erlaubt das einfache Integrieren neuer Einheiten wie Heiz- oder Kompaktiersysteme.  

Ein weiterer Aspekt beim Tapelegen ist der Wärmeeintrag. Die Art der Wärmequelle, die Menge und die Art der Übertragung haben Einfluss auf die ­Bauteilqualität. Innerhalb des Projekts wird ein Blitzlichtlampensystem (humm3TM), eine relativ neue Heizmethode, genutzt und getestet. Mit dem System können die Heizparameter kontinuierlich angepasst werden und damit als Element in einem Regelkreis dienen.

Die finanzielle Unterstützung durch das bmvit im Rahmen der FTI Initiative „Produktion der Zukunft“ und administrativ koordiniert durch die FFG ist dankend angemerkt.

Auf einen Blick
Förderung: FFG, Produktion der Zukunft, 24. AS
Projektpartner: FACC Operation GmbH 

Ansprechpartner
Neha Yadav, MA
neha.yadav@unileoben.ac.at
+43 3842 402 2721
 

Warum gerade Polypropylen?
Der Einsatz der additiven Werkstoffextrusion (Filamentverfahren, FFF) unterliegt aktuell einem starken Materialzwang, da die meisten kommerziell erhältlichen Filamenttypen aus PLA oder ABS bestehen. Polypropylen (PP) hingegen wird kaum verwendet, bietet jedoch eine Reihe von Vorteilen für die Anwendung im 3D-Druck, wie z. B. eine höhere Zähigkeit, eine gute Modifizierbarkeit, eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme, sowie eine bessere Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit. Zusätzlich erfüllt PP die steigenden Forderungen der Industrie in Bezug auf technisch anspruchsvolle und verlässliche Materialien. Ein entscheidender Nachteil von PP ist allerdings die hohe Schwindung, bedingt durch den hohen Kristallinitätsgrad des Materials. Dies beeinträchtigt nicht nur die Haftung am Druckbett, sondern auch die Dimensionsstabilität von 3D-gedruckten Bauteilen. 

Verzugsoptimierung von 3D-gedruckten PP-Compounds
Im Rahmen des nationalen FFG Projekts NextGen3D (848624) wurden dem PP bis zu 30 vol.-% sphärische Füllstoffe sowie Fasern beigemengt, um sowohl die Materialschwindung als auch den Verzug zu minimieren. Um zumindest gleichbleibende mechanische Eigenschaften, sowie eine gute Druckbarkeit der Compounds gewährleisten zu können, wurden die entwickelten Materialien ausgehend von der Morphologie optimiert. Dabei spielten vor allem die Filamentproduktion sowie eine geeignete Parameterwahl während des Druckprozesses eine entscheidende Rolle, um ein optimiertes 3D-gedrucktes Bauteil aus PP verzugsfrei generieren zu können. Die erzielten Materialien waren vielseitig einsetzbar und überzeugten neben der unproblematischen Verarbeitbarkeit vor allem durch das breite, erzielbare Eigenschaftsspektrum, das für Anwender wie etwa die BMW Group – Werk Steyr von entscheidendem Vorteil ist. 

Auf einen Blick
Förderung: FFG, Produktion der Zukunft, 848624
Partner: Profactor, iRed, Hage Sondermaschinenbau, JKU Linz – Institut für chemische Technologie organischer Stoffe, BMW Group – Werk Steyr

Ansprechpartner
Dipl.-Ing. Stephan Schuschnigg
stephan.schuschnigg(at)unileoben.ac.at 
+43 3842 402 3511 
 

Ziel des Projektes FlexiFactory3Dp (2017-2019) ist die Entwicklung eines nachhaltigen, robusten und flexiblen Produktionsprozesses für komplexe metallische und keramische Bauteile, die mittels additiver Werkstoffextrusion hergestellt werden sollen. Zwei Fallbeispiele werden dabei untersucht: ein monolithischer Katalysator zur Luftreinigung und ein Bauteil aus dem Automobilbereich.

Die Hauptaufgabe des Lehrstuhls für KV ist die Entwicklung und Verbesserung der Herstellungsroute SDS (Shaping-Debinding-Sintering – Formgebung-Entbindern-Sintern). Bei diesem Prozess werden die polymeren Komponenten mit metallischen oder keramischen Pulvern vermischt und daraus Filamente extrudiert. Diese werden mittels Werkstoffextrusion, einer additiven Fertigungsmethode, zu Bauteilen geformt. Anschließend folgt der Entbinderungsschritt, bei dem Teile des Polymers entfernt werden. Die verbliebenen Pulverpartikel werden zusammengesintert, um dichte metallische oder keramische Bauteile zu erhalten. 

Am Lehrstuhl wurden bereits hochgefüllte Systeme aus Titan, Stahl, Kupfer, Aluminiumoxid und Zirkonpulver zu Filamenten verarbeitet. In Zusammenarbeit mit den Projektpartnern wurden in ­FlexiFactory3Dp unterschiedliche Konstruktionen eines Katalysators für die Luftreinigung designt und produziert. Der Projektpartner RHP hat den dafür notwendigen Sintervorgang optimiert und ein Bauteil aus dem Automobilbereich entworfen.

Auf einen Blick 
Förderung: FFG, 22. AS Produktion der Zukunft 2016 China Universität Shanghai, 860385
Projektpartner: RHP-Technology GmbH, Shanghai University ­Research Centre of Nanoscience and Technology, Shanghai Industrial Technology Institute Intelligent Manufacturing Department

Ansprechpartner
Dr. Joamin Gonzalez-Gutierrez
joamin.gonzalez-gutierrez@unileoben.ac.at
+43 3842 402 3541
 

Das FFG Leitprojekt AddManu (849297) war ein nationales Forschungs-Netzwerk mit einem internationalen Wissenschaftsbeirat und dem Ziel der Etablierung der additiven Fertigung in der österreichischen Wirtschaft. Der Fokus lag auf vier additiven Fertigungstechnologien, die das größte Potenzial für die industrielle Anwendung sowohl für Metalle, als auch für Keramiken und Kunststoffe aufweisen. 19 Partner aus Forschung und Industrie unterschiedlichster Branchen haben sich zwischen Mai 2015 und Juli 2018 intensiv mit der Weiterentwicklung der additiven Fertigung am Standort Österreich beschäftigt. 

Der Filamentdurchmesser als entscheidendes Qualitätsmerkmal
Der Lehrstuhl für Kunststoffverarbeitung hat sich innerhalb dieses Projekts ausschließlich mit der Qualitätssteigerung der additiven Werkstoffextrusion (Filamentverfahren, FFF) befasst. Neben erfolgreichen Strategien zur Festigkeitssteigerung von technischen Bauteilen und der Optimierung der Haftung der ersten abgelegten Schicht wurde im Speziellen eine Anlage zur automatisierten Filamentproduktion entwickelt. Eine hohe Durchmesserkonstanz und eine geringe Ovalität des Filaments bilden Grundvoraussetzungen für einen stabilen und verlässlichen 3D-Druckprozess. Bereits geringe Abweichungen des Filamentdurchmessers können den Füllgrad des Druckes deutlich erniedrigen oder die Düse verstopfen. Im Rahmen des Projekts wurde eine Filamentextrusionsanlage mit integrierter Durchmesser- und Geschwindigkeitsmessung sowie einer vollautomatisierten Wickeleinheit entwickelt. In Kombination mit verschiedenen Abkühlmethoden und einem breiten Spektrum an Extrudern ist der Lehrstuhl für Kunststoffverarbeitung durch dieses Projekt in der Lage, jegliches noch so komplexe, thermoplastische Material zu Filament für die additive Werkstoffextrusion zu verarbeiten.

Auf einen Blick
Förderung: FFG, 849297
Projektpartner: Airbus DS, Böhler Edelstahl GmbH, CEST Kompetenzzentrum für elektrochemische Oberflächentechnologie GmbH, FOTEC Forschungs- und Technologietransfer GmbH, GE Jenbacher GmbH, Hage Sondermaschinenbau GmbH, Joanneum Research Forschungsgesellschaft (Laserproduktionstechnik, funktionelle Oberflächen), LAM Research AG, Lithoz GmbH, Magna Steyr Engineering AG, Mahle Austria Filtersystems GmbH, MUL (Außeninstitut Lehrstühle für Umformtechnik, KV, SGK, KC, Struktur-und Funktionswerkstoffe), O.K.+Partner GmbH, PKT Präzisionskunststofftechnik Bürtlmair GmbH, PROFACTOR GmbH, RHI AG, RHP-Technology GmbH, TIGER Coatings GmbH, TU Wien (Lehrstuhl für Nichtmetallische Werkstoffe, Institute für Managementwissenschaften und angewandte Synthesechemie)

Ansprechpartner
Dipl.-Ing. Stephan Schuschnigg
stephan.schuschnigg@unileoben.ac.at
+43 3842 402 3511 
 

Additive Manufacturing (AM) in der Medizin
Eine Stärke von additiven Fertigungsverfahren liegt darin, individualisierte Produkte herstellen zu können. Diese Eigenschaft macht AM besonders für die Medizintechnik interessant. Durch die derzeit sehr starke Entwicklungstätigkeit, sowohl bei Materialien als auch bei Technologien, werden immer mehr medizinische Anwendungen möglich.

CAMed
In dem von der FFG geförderten ­COMET Projekt sind 18 Projektpartner aus Österreich und Deutschland unter der Führung der Medizinischen Universität Graz versammelt. Im Projekt werden die  Möglichkeiten von zwei ­Materialien für die additive Fertigung erforscht: Auf der einen Seite steht das AM mit metallischen Werkstoffen, welches hauptsächlich auf Pulverbetttechnologien basiert. Auf der anderen Seite stehen die Kunststoffe; der Lehrstuhl für Kunststoffverarbeitung ist im Projekt für die additive Werkstoffextrusion von polymeren Werkstoffen verantwortlich. Unter anderem sollen metallische Implantate durch Kunststoffe ersetzt werden, die neben dem geringeren Gewicht und ihrer definierten Steifigkeit auch wegen der Durchlässigkeit von Röntgenstrahlen im Vorteil sind.

Durch den Einsatz von maßgeschneiderten Polymeren und unterschiedlichen additiven Fertigungstechnologien für polymere Werkstoffe sollen hochwertige, personalisierte Implantate direkt in den Krankenhäusern gefertigt  und dadurch Zeit sowie Kosten gespart werden können. Das Wohl der Patientinnen und Patienten  steht dabei sowohl in der Klinik - durch weniger und kürzere Operationen - als auch im täglichen Einsatz der Implantate im Fokus.

Auf einen Blick
Förderung: FFG, 7. AS COMET Projekte 2017, 865768

Ansprechpartner
Dipl.-Ing. Stephan Schuschnigg
stephan.schuschnigg(at)unileoben.ac.at 
+43 3842 402 3511 

Dr. Joamin Gonzalez-Gutierrez
joamin.gonzalez-gutierrez(at)unileoben.ac.at 
+43 3842 402 3541
 

Additive Fertigung von Kunststoffbauteilen mittels Werkstoffextrusion
Die additive Fertigung erlebt in den letzten Jahren einen weltweiten Aufschwung. Ausgehend von diesem Trend werden auch 3D-gedruckte Bauteile aus Kunststoff immer interessanter für diverse Anwendungen. Aufgrund der geringen Anschaffungskosten für Maschinen, wird vor allem die additive Fertigung via Werkstoffextrusion (Fused Filament Fabrication - FFF) für ein breites Publikum zugängig. Aufgrund des Verarbeitungsverfahrens, weisen viele Bauteile die auf diese Art hergestellt werden jedoch oftmals relativ geringe mechanische Eigenschaften auf. Eingehende Studien der Verarbeitungsbedingungen haben jedoch gezeigt, dass eine geschickte Auswahl der Prozessparameter die mechanischen Eigenschaften eklatant steigern können. Dadurch ist es möglich, Bauteile die mittels FFF Verfahren hergestellt wurden auch in strukturell beanspruchten Teilen zu verwenden. 

Optimierung mechanischer Eigenschaften
In gegenwärtigen Untersuchungen werden sowohl klassische mechanische Kennwerte, wie Steifigkeit und Festigkeit, sowie auch bruchmechanische Zähigkeitsparameter in Abhängigkeit der Prozessparameter ermittelt. Wie anhand der Abbildungen zu sehen ist, können je nach gewählten Einstellungen immense Unterschiede in den Eigenschaften erreicht werden. Einige Materialien können hinsichtlich Prozessführung sogar soweit optimiert werden, dass diese nahezu homogene Eigenschaften in alle Raumrichtungen aufweisen. Vor allem für mechanisch stark belastete Bauteile und deren Auslegung, bietet dies immense Vorteile.

Auf einen Blick
Förderung: Diese Arbeit wurde v. d. FFG im Rahmen des AddManu-Projekts („Stärkung der österreichischen Wertschöpfungsketten f ür die generative Fertigung in der industriellen Produktion“, Zuschussvereinbarung 849297) unterstützt.

Ansprechpartner
Dr. Florian Arbeiter
florian.arbeiter(at)unileoben.ac.at 
+43 3842 402 2122

Die Entwicklung von biokompatiblen Materialien für den 3D-Druck eröffnet die Möglichkeit der digitalen Fabrikation komplexer, geometrischer Strukturen in der Medizintechnik. Von den gängigen 3D-Druckverfahren für Kunststoffe kann besonders die Stereolithographie durch eine sehr hohe Auflösung überzeugen. Diese auf der Photopolymerisation von flüssigen Harzen basierende Technologie eignet sich insbesondere für die Herstellung biomedizinischer Produkte, bei welchen hohe Passgenauigkeit sowie hohe Oberflächengüte gefordert sind. Kommerziell verwendete Harzsysteme basieren größtenteils auf Acrylat- und Methacrylat-Monomeren, die aufgrund ihrer großen Sprödigkeit und vergleichbar hohen Zytotoxizität für die Herstellung von Medizinprodukten, mit Kontakt zu Gewebe oder Schleimhaut, nur bedingt geeignet sind.

Im Rahmen der Forschungstätigkeiten des CD Labors für funktionelle Druckertinten auf Polymerbasis werden biokompatible Harzsystem für die additive Fertigung von auf den Patienten angepassten, medizinischen Applikationen und Vorrichtungen (z. B. kieferorthopädischer Zahnschienen, siehe Abbildung 1) entwickelt. Diese Harzsysteme basieren auf der radikalischen Reaktion von multifunktionellen Alkin- und Thiol-Monomeren (siehe Abbildung 2) und weisen eine signifikant höhere Biokompatibilität als Stand-der-Technik Harze auf. Der spezielle Polymerisationsmechanismus dieser Härtungsreaktion führt zur Bildung sehr homogener polymerer Netzwerkstrukturen, woraus einzigartige thermo-mechanische Eigenschaften (Duktilität und Zähigkeit) resultieren. 
Die Forschungsarbeiten des CD-Labors zur  Entwicklung biokompatibler Harze für die additive Fertigung von kieferorthopädische Zahnschienen wurde kürzlich mit dem Wissenschaftspreis der Deutschen Gesellschaft für Aligner Orthodontie ausgezeichnet. 

Auf einen Blick
Förderung: Christian Doppler Forschungsgesellschaft
Projektpartner:  Schmid Rhyner AG,  Lithoz GmbH, Wollsdorf Leder Schmidt & Co Ges.m.b.H.

Ansprechpartner
assoz.Prof. Dr. Thomas Griesser 
thomas.griesser(at)unileoben.ac.at 
+43 3842 402 2358
 

Mit Photoinitiatoren werden unter UV-Licht radikalische oder kationische Polymerisationen ausgelöst. In einem neuen Forschungsansatz wurde untersucht, inwieweit sich Photoinitiatoren an die Oberfläche von anorganischen Partikeln koppeln lassen, um migrationsfreie Photoinitiatoren für die UV-Härtung zu erhalten. 

Im Rahmen des FFG-Leitprojektes AddManu und in einem strategischen Projekt des PCCL wurden fünf Typen von Photoinitiatoren (Acylphosphinoxide und andere Norrish-Typ 1 Initiatoren) mit kopplungsfähigen Trialkoxy-Silylgruppen hergestellt. Diese Photoinitiatoren wurden über Kondensation an die Oberfläche von Silica-Partikeln gekoppelt. 

Die Härtung von Acrylatharzen, basierend auf Tetrahydrofuran-Acrylat, wurde mit den funktionalisierten Partikeln und mit dem freien Photoinitiator (als Vergleichskomponente) mittels Photo-DSC und real-time FTIR untersucht. Tatsächlich erfolgt die Photo-Polymerisation des Acrylates unter Verwendung der gekoppelten Photoinitiatoren mit ähnlicher Reaktionsgeschwindigkeit und vergleichbarem Doppelbindungsumsatz, wie bei freien Initiatoren. Für Thiol-En Harze zeigen die gekoppelten Photoinitiatoren zwar eine geringere Reaktionsgeschwindigkeit, letztlich aber einen vergleichbaren Doppelbindungsumsatz. 

Die Untersuchung des extrahierbaren Anteils an Photoinitiator (bzw. seiner Spaltprodukte) erfolgte durch ­Soxhlet-Extraktion mit nachfolgender GC/MS-Analytik. Bei einem hohen Grad an Funktionalisierung der Silica-Partikel liegt der extrahierbare Gehalt an Photoinitiator (bzw. den Spaltprodukten) unter der Nachweisgrenze. Für industrielle Anwendungen, z. B. Druckfarben für Lebensmittelverpackungen, können gekoppelte Photoinitiatoren somit eine quantitative Umwandlung der Monomere und eine geringe Extrahierbarkeit des Photoinitiators gewährleisten. 

Auf einen Blick
Förderung: FFG-Leitprojekt ­addmanu
Projektpartner: ETH Zürich (Prof. H. Grützmacher), PCCL (Dr. S. Schlögl)

Ansprechpartner
Univ.-Prof. Dr. Wolfgang Kern
wolfgang.kern(at)unileoben.ac.at 
+43 3842 402 2351
 

Die Zukunft des Fliegens
In der zivilen Luftfahrt wird innerhalb der nächsten 15 Jahre eine Verdoppelung des Transportbedarfs erwartet. Nicht zuletzt aufgrund von steigendem Umweltbewusstseins, erhöhter gesellschaftlicher Akzeptanz sowie zunehmender Ressourcenknappheit, wird der  Bedarf an umweltfreundlichen, Ressourcen-schonenden und geräuscharmen Flugzeugen bei allen global führenden Flugzeugherstellern maßgeblich steigen. 

Faser-verstärkte polymere Verbundwerkstoffe spielen eine entscheidende Rolle, wenn es um die Herstellung von modernen Flugzeugen geht. Im Vergleich zu Metallen kann das Verhältnis von Masse zu Steifigkeit bis zu vierfach übertroffen werden. Dies birgt enormes Potenzial zur Treibstoffeinsparung bzw. Steigerung von Reichweite und Nutzlast.

Entwicklungen in der Fertigung
Im Rahmen von Evolution#4 werden Strategien zur vierten industriellen Revolution in der Flugzeugfertigung entwickelt, die aktuell noch maßgeblich von manuellen Tätigkeiten geprägt ist. Automatisierte Fertigungsmöglichkeiten auf Basis des Resin Transfer Moulding Verfahrens mit integrierter Qualitätskontrolle sowie Konzepte des digitalen Zwillings werden anhand der Fertigung einer Tragflächenkomponente entwickelt und demonstriert.

Unterstützung durch Take Off
Das Projekt Evolution#4 wird im Rahmen des österreichischen Forschungsprogramms „Take Off“ vom Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie (bmvit) gefördert und seitens der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft FFG administriert. Das Projektkonsortium umfasst die Industripartner ­Alpex ­Technologies GmbH, aerospace & ­advanced ­composites GmbH, Fill GmbH und ­Brimatech Services GmbH sowie die Montanuniversität Leoben als Forschungspartner.

Auf einen Blick
Förderung: bmvit FTI Initiative „Take Off“, administriert durch die FFG
Projektpartner: Alpex Technologies GmbH, aerospace & advanced composites GmbH, Fill GmbH, Brimatech Services GmbH, MUL

Ansprechpartner
assoz.Prof. Dr. Ewald Fauster 
ewald.fauster(at)unileoben.ac.at 
+43 3842 402 2708
 

Ausgangssituation
Für viele technische Anwendungen muss eine feine Balance aus Steifigkeit und Zähigkeit gefunden werden. Werkstoffe mit hoher Steifigkeit haben dabei oft den Nachteil, dass sie ein sehr sprödes Bruchverhalten aufweisen. Viele biologische Materialien hingegen sind zugleich steif und zäh, was ihrer filigranen Mikrostruktur zuzuschreiben ist. Das Skelett des Tiefseeschwammes Euplectella aspergillum besteht beispielsweise zu mehr als 99 % aus SiO2 (Bioglas) und ist durchsetzt mit hauchdünnen, konzentrischen Proteinschichten. Diese Schichten wirken als Rissstopper und verleihen dem Glasskelett eine bemerkenswerte Zähigkeit. 

Nachahmung der Natur
Im Rahmen eines FFG-Bridge Projektes soll nun erforscht werden, ob derartige Konzepte auch für polymere Werkstoffe adaptiert werden können. Dabei werden hochgradig mineralisch verstärktes und zähigkeitsmodifiziertes Polypropylen anstelle von Bioglas und Protein eingesetzt. Durch Methoden der elastisch-plastischen Bruchmechanik kann gezeigt werden, dass die weichen Zwischenschichten ein signifikantes Hindernis für das Wachstum von Rissen darstellen.

Anwendung
Die gewonnenen Erkenntnisse sollen in Verbindung mit FE-Simulationen die Auslegung eines optimierten Mehrschichtverbundes ermöglichen.  Als Resultat werden besonders widerstandsfähige Werkstoffe mit gezielter Schichtarchitektur erwartet. Dadurch können neue Anwendungsgebiete für Kunststoffe erschlossen oder bestehende Herausforderungen effizienter und ressourcenschonender bewältigt werden.

Auf einen Blick
Förderung: FFG - Bridge 
Projektpartner:  ESI, MCL

Ansprechpartner
Dr. Florian Arbeiter
florian.arbeiter(at)unileoben.ac.at 
+43 3842 402 2122
 

Die voranschreitende Digitalisierung hat die Möglichkeiten der Steuerung und Überwachung von industriellen Prozessen bereits massiv erweitert, und wird auch künftig noch deutliche Veränderungen der Art, Produkte zu erzeugen, mit sich bringen. Zu den Schlüsseltechnologien der digitalen Fabrik zählen das Internet der Dinge, IPv6 und OPC/UA, Cloud-Lösungen, Big Data, Artificial Technology und intelligente Sensor-Aktuator Kombinationen. Diese Systeme werden zunehmend von der Industrie der Hochlohnländer eingesetzt, um gleichzeitig die Effizienz und die Flexibilität der Produktionsprozesse zu erhöhen und somit den Mitbewerbern aus Niedriglohnländern einen Schritt voraus zu bleiben. 

Im Projekt SORIM soll ein Regelungssystem für Kautschuk-Spritzgussmaschinen entstehen, welches unter Einbeziehung des Material- und Prozesszustandes selbstständig auf kritische Abweichungen reagieren, und eine gleichbleibende Formteilqualität sicherstellen kann.

Diese Aufgabe stellt gerade beim Kautschukspritzgießen eine besondere Herausforderung dar, da (1) die Kautschukmischung ein lebendes chemisches System darstellt und ihre Eigenschaften durch Mischprozess und Lagerung deutlich beeinflusst werden,  und (2) bereits geringfügig abweichende Prozessbedingungen im Spritzgießprozess große Änderungen in der Formteilqualität herbeiführen können, d. h. nur durch Analyse aller zur Verfügung stehenden Daten und einer genauen Kenntnis der Einflussfaktoren kann das Ziel einer Null-Fehler-Produktion erreicht werden.

Im Projekt SORIM wird das, aus früheren Projekten gewonnene, Wissen über die im Kautschukspritzguss qualitätsbestimmenden Einflussgrößen um die Komponente des Online-Prozessmonitorings erweitert. Somit kann eine Maschinenregelung entstehen, die selbstständig und ohne Bedienereingriff die Qualität der Formteile regelt.

Auf einen Blick 
Förderung: FFG COMET Kompetenzzentrenprogramm (PCCL)
Projektpartner: PCCL, MUL-SGK, SKF Group, Engel Austria GmbH, Simcon kunststofftechnische Software GmbH and Dr. Gierth Ingenieurgesellschaft mbH, Woco 

Ansprechpartner
Dipl. Ing. Thomas Hutterer
thomas.hutterer(at)pccl.at 
+43 3842 429 6229

assoz.Prof. Dr. Gerald Berger-Weber
gerald.berger-weber(at)unileoben.ac.at 
+43 3842 402 2904
 

Hohlkörper-Verbundwerkstoff-Bauteile auf Basis von faserverstärkten Kunststoffen lassen sich sehr effizient mittels Schlauchblas-Harzinfiltrationsverfahren (bladder-assisted resin transfer molding - BARTM) herstellen. Der hohe Fließwiderstand der textilen Verstärkungsstruktur begrenzt dabei allerdings die technisch umsetzbare und ökonomische Fertigung, insbesondere bei langen Bauteilen. Dies wird noch kritischer, wenn der Prozess mit einem schnell härtenden oder einem hochviskosen Harz umgesetzt wird. Um diesen prozessinhärenten Herausforderungen zu begegnen, wurde im Rahmen des bmvit-geförderten Projektes ­NoVoTube (FFG  Nr. 853453) eine Kaskadeninfiltration beim BARTM untersucht. Der Ansatz verfolgt dabei eine signifikante Reduzierung der wirksamen Fließweglänge und, damit einhergehend, der Füllzeit. Dies konnte durch ein sequenzielles Füllen über mehrere Harzzuflusspunkte entlang der Längsachse des Bauteils erreicht werden.

Bei der Umsetzung haben sich Ringangüsse deutlich vorteilhaft gegenüber Punktangüssen erwiesen. Außerdem konnte durch Entlüftungspunkte an den kaskadierten Ringangüssen das Risiko von Lufteinschlüssen im Bauteil reduziert werden. Für die Realisierung eines vollautomatisierten Kaskaden-Infiltrationsprozesses wurde eine effiziente Prozesskontrolle umgesetzt. Diese ermöglicht ein akkurates Umschalten der einzelnen Infiltrationskaskaden entsprechend dem erreichten Füllzustand. Hierfür wurde eine geeignete Füllfrontdetektion integriert. NIR-Sensorik hat sich dabei als zuverlässige Technik zur Erfassung der Fließfront erwiesen. Darüber hinaus bietet die NIR-Sensorik die Möglichkeit zusätzlich das Mischungsverhältnis Harz/Härter und den Aushärtezustand des Reaktionsharzes zu erfassen. Ein Inline-Qualitätsmonitoring wird damit möglich.

Auf einen Blick
Förderung: bmvit Programm ­„Produktion der Zukunft“ administriert durch die FFG
Projektpartner: Thöni Industriebetriebe GmbH, superTEX composites GmbH, Research Center for Non Destructive Testing GmbH

Ansprechpartner
Univ.-Prof. Dr. Ralf Schledjewski
ralf.schledjewski(at)unileoben.ac.at 
+43 3842 402 2701
 

Das Projekt InQCIM adressiert eine flexible Produktion von Kunststoffbauteilen ohne Qualitätsverlust und verfolgt dabei mit einem „intelligenten Spritzgießwerkzeug“ einen neuen, interdisziplinären Lösungsansatz.

Das intelligente Spritzgießwerkeug (iSGW) soll als Cyber Physical System vollintegriert in die Fertigungszelle selbstständig die Bauteilqualität überwachen sowie in situ und automatisch auf äußere Störungen und (innere) Prozessschwankungen reagieren können. 

Dazu benötigt das iSGW: 

• Neue, robuste Körperschall-Sensoren für die umfassende Zustandsüberwachung im Spritzgießwerkzeug.
• Eine  optische Vollinspektion der Bauteilqualität direkt in der Produktionszelle.
• Neue und umfassende OPC/UA Informationsmodelle für Spritzgießmaschinen, Spritzgießwerkzeuge und Peripherie. Implementierung als bidirektionale OPC/UA Schnittstelle Spritzgießmaschine - Qualitätsregler - Spritzgießwerkzeug.
• Ein neues Machine Learning basiertes FDC-System (Fault Detection and Classification)
• Einen integrierten, adaptiven und intelligenten Qualitätsregler mit der Fähigkeit zur automatischen und gezielten Reaktion auf Qualitätsabweichungen während der Produktion.
• Eine moderne, vernetzte Spritzgießfertigungszelle.

Intelligente Spritzgießwerkzeuge werden langfristig den österreichischen und europäischen Spritzgießern ermöglichen, die Qualität ihrer Produkte weiter zu steigern und mit einer konstant hohen Qualität ihre Wettbewerbsfähigkeit gegenüber Mitbewerbern aus Fernost zu erhalten.

Auf einen Blick
Projektpartner: SGK (Leitung), TU Wien (Institut für Fertigungstechnik und Hochleistungslasertechnik), PCCL, Wittmann Battenfeld GmbH,     Miraplast Kunststoffverarbeitungs GmbH, MAHLE Filtersysteme Austria GmbH, Julius Blum GmbH,    Automobilzulieferer (anonym)

Ansprechpartner
assoz.Prof. Dr. Gerald Berger-Weber
gerald.berger-weber(at)unileoben.ac.at 
+43 3842 402 2904

Priv.-Doz. Dr. Dieter P. Gruber
dieter.gruber(at)pccl.at 
+43 3842 429 6228
 

Der Begriff „Hybride Werkstoffkombination“ stellt seit einigen Jahren verschiedene Forschungsdisziplinen vor Herausforderungen. Nichtsdestotrotz scheinen die Möglichkeiten, die sich durch solche Materialkombinationen im Hinblick auf Werkstoffeigenschaften erzielen lassen, grenzenlos. Besonders in der Verarbeitung tun sich hierbei aber bisher unbekannte Fragestellungen auf: Wie kann ein Interface der beiden Werkstoffe in einer ausreichenden Güte hergestellt werden? Wodurch kann eine wirtschaftliche Fertigung gewährleistet werden? Im Projekt „­HybridRTM“ sollten genau diese Fragen beantwortet werden.

Als Ziel wurde die Entwicklung eines einstufigen Fertigungsverfahrens definiert, welches die Herstellung eines aus Carbon Faser verstärktem Kunststoff (CFK) und Stahl gefertigten Hybridverbund ermöglicht. Das Ergebnis ist das One-Shot-Hybrid Resin Transfer Moulding (OSH-RTM) Verfahren. Dabei wird das zur Herstellung des CFK Werkstoffs notwendige Epoxidharz gleichzeitig als Matrixwerkstoff und auch als Klebstoff für die Stahlkomponente verwendet. Diese Integration des Klebeprozesses in die Bauteilherstellung reduziert die im herkömmlichen Herstellungsverfahren nötigen Arbeitsschritte (Bauteilfertigung und anschließendes Verkleben) und ermöglicht somit eine Effizienzsteigerung.
 
Als Beispiel wird in der Abbildung die Fertigung eines Dachspriegels mit Stahlanbindungspunkten für das verschweißen mit der restlichen Fahrzeugkarosserie gezeigt. Durch die Verwendung eines Schaumkerns kann das Gewicht des Bauteils, trotz hoher Steifigkeitswerte, gering gehalten werden. Mithilfe einer modellbasierten Prozessüberwachung und Regelung konnte außerdem eine gleichbleibend hohe Qualität der Bauteile gewährleistet werden.

Auf einen Blick
Förderung: bmvit Programm ­„Produktion der Zukunft“ administriert durch die FFG
Projektpartner: Alpex ­Technology GmbH, Austrian Institute of ­Technology GmbH, SGL Composites GmbH, bto-Epoxy GmbH

Ansprechpartner
assoz.Prof. Dr. Ewald Fauster 
ewald.fauster@unileoben.ac.at
+43 3842 402 2708

Das CDL für Hocheffiziente Composite Verarbeitung zielt darauf ab, grundlegendes Verständnis für die Fertigungsverfahren von hochqualitativen Luftfahrtbauteilen aus Verbundwerkstoffen zu entwickeln. Einer dieser Prozesse ist das (Faser-) Wickeln, ein sehr energie- und kosteneffizienter, automatisierter Prozess. Wickeln ist bereits ein etabliertes Verfahren in der Composite-Verarbeitung. Dennoch können mit dem großseriellen Einsatz  von Robotik und modernsten digitalen Fertigungsmethoden noch mehr Möglichkeiten eröffnet werden. 

Im CDL wird das relativ neue, innovative Verfahren des trockenen Wickelns von Faserbündeln (Rovings) und unidirektionalen Tapes erforscht. Dieser Prozess hat großes Potenzial, ein vollautomatisierter Teil einer Prozesskette zu werden, deren Ziel es ist, die teure und zeitintensive Fertigung in einem Autoklaven zu ersetzen („out of autoclave“). Die wesentlichen Fragestellungen sind: Können vorgeformte Halbzeuge (Preforms), die im Nachgang flüssig imprägniert werden, durch Wickeln von trockenen Fasern hergestellt werden? Können bestehende Wickelanlagen so weiterentwickelt werden, dass sie für das Hochgeschwindigkeitswickeln verschiedener Materialien geeignet sind? 

Um die grundlegenden Aspekte des Prozesses zu untersuchen, wird derzeit eine multifunktionale Roboterzelle entwickelt. Das flexible Design des Roboterkopfes ermöglicht dabei, neben dem Wickeln von Rovings, auch das diskontinuierliche Ablegen von vorimprägnierten Halbzeugen. Untersucht  werden die Prozesseigenschaften sowie der Einfluss des Fertigungsverfahrens auf die Materialeigenschaften und Prozessparameter. Ziel ist es, Informationen zu verschiedenen Schritten der Prozesskette zu erhalten und die Prozessgrenzen besser zu verstehen. Die Hauptherausforderungen sind:  Wickeln komplexer Strukturen ohne Abrutschen der Faser,, Vermeidung von Faserschäden aufgrund zu hoher Fadenspannung, das Imprägnieren der gewickelten Preform und die Steuerung verschiedener voneinander abhängiger Prozessparameter. Letztendlich geht es um die Erarbeitung einer fundierten Wissensbasis für diese Technik, die sich von der virtuellen Fertigung bis zur vollständigen Beherrschung des realen Prozesses erstreckt.

Der Autor dankt dem BMDW sowie der FACC Operations GmbH als Partner des CDL für die Finanzierung der durchgeführten Forschung. Sein Dank gilt darüber hinaus der CDG für die Betreuung.

Auf einen Blick
Förderung: BMDW 
Betreeung: CDG
Projektpartner: FACC Operations GmbH

Ansprechpartner
Univ.-Prof. Dr. Ralf Schledjewski
ralf.schledjewski(at)unileoben.ac.at 
+43 3842 402 2701
 

Aufgrund der hohen spezifischen Festigkeit und des geringen spezifischen Gewichtes sind endlosfaserverstärkte Polymere als Ersatz für Metalle mehr und mehr auf dem Vormarsch. Die verfügbaren Materialdaten dieser Werkstoffklasse beschränken sich aber meistens auf quasi-statische Kennwerte, wie der elastische Modul oder die Festigkeit.
Für die Auslegung von dynamisch-zyklisch belasteten Bauteilen ist die Kenntnis der lokalen Wöhlerlinien (S/N-Kurven) der Materialien Voraussetzung, die wesentlich von bauteilspezifischen Aspekten, wie Faserorientierung, Lastart, Mittelspannung, Temperatur, etc., beeinflusst werden. Für die Vorhersage der Lebensdauer von zyklisch belasteten Bauteilen wurde eine Methode entwickelt, die obige Parameter aber auch typische Versagensmechanismen in dieser Werkstoffklasse, wie Faserbruch, Zwischenfaserbruch oder Delamination, in den Berechnungen berücksichtigt. Bei der Analyse der Strukturspannungen über Finite Elemente Methoden wird das lokale orthotrope Materialverhalten der einzelnen Laminatlagen miteinbezogen.

Obwohl die Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens von kontinuierlich faserverstärkten Polymeren komplex ist und eine Vielzahl von Prüfungen notwendig sind, um die wesentlichen Einflussparameter zu erfassen, ist es gelungen unter Berücksichtigung eines für zyklische Lasten modifizierten Puck-Kriteriums eine Hypothese für die Vorhersage der Betriebsfestigkeit von orthotropen Composites aufzustellen und in eine existierende Software (FEMFAT®) zu implementieren. Die Methodik ist auch für Lastkollektive und multi-axiale Lasten anwendbar. Erste Ergebnisse an Bauteilen unterstreichen das Potenzial der Methodik, zeigen aber auch Limitationen auf, die in der Zukunft bearbeitet werden müssen.

Auf einen Blick
Projektpartner: Magna Powertrain, Engineering Center Steyr

Ansprechpartner
Univ.-Prof. Dr. Gerald Pinter
gerald.pinter(at)unileoben.ac.at 
+43 3842 402 2101
 

Dieses Projekt zielt auf die Entwicklung, Charakterisierung und technologische Umsetzung einer neuen Klasse von Verbundwerkstoffen (funktionelle, hierarchische Verbundwerkstoffe für Strukturanwendungen) ab. Diese neuen Werkstoffe besitzen auf allen Größenebenen (Mikro- und Nanoskala) einstellbare Strukturparameter. Dadurch können auf einfache Weise Materialien entwickelt werden, die verbesserte mechanische Eigenschaften aufweisen. Zusätzlich wird durch nanoskalige Struktur eine Überwachung von Bauteilen während ihres Betriebes ermöglicht. Als Referenzpunkt für die im Projekt entwickelten Materialien werden epoxidbasierte Faserverbundwerkstoffe herangezogen. 

Die Eigenschaften der Matrix werden mit Hilfe von nanoskaligen Füllstoffen folgendermaßen verändert:

• Durch Funktionalisierung der Partikeloberflächen mit reaktiven organischen Gruppen werden kontrollierbare Wechselwirkungen zwischen Partikel und Polymermatrix erzielt. Diese können durch Strahlung eingestellt werden, sodass einerseits Füllstoffe mit schwacher (zur Erhöhung der Zähigkeit) und andererseits mit starker Matrix-Wechselwirkung (Erhöhung der Festigkeit und des Moduls) hergestellt werden können. 
• Ein elektrisch leitfähiges Netzwerk bestehend aus leitfähigen Füllstoffen wird in dem Verbund erstellt. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, Schädigungsakkumulationen im Material während des laufenden Betriebes sichtbar zu machen. 

Die Integration des entwickelten Materials in die industrielle Produktion wird vorerst auf Prototypen-Ebene durchgeführt, z. B.: Windkraftanlagen (Compozite Ltd.) und Anwendungen im automobilen Sektor (SGL Composites GmbH). Ebenso werden Möglichkeiten geschaffen, spezielle Epoxidharze für weitere Anwendungen (bto-Epoxy GmbH) zu entwickeln.

Auf einen Blick
Förderung: Transnationale Ausschreibung „M-era-net“ mit österr. u. rumän. Beteiligung;  österr. Part: Produktion der Zukunft (FFG)
Projektpartner: bto-epoxy GmbH, University POLITEHNICA of ­Bucharest, SC COMPOZITE SRL, SGL Composite GmbH 

Ansprechpartner
Dipl.-Ing. Dr. Michael Feuchter
michael.feuchter(at)unileoben.ac.at 
+43 3842 402 2110
 

In dem stetigen Bestreben, mechanische Strukturen in allen Bereichen der Ingenieurwissenschaften hinsichtlich lastgerechter Konstruktion bei gleichzeitig geringem Gewicht zu optimieren, spielen Verbundstrukturen eine Schlüsselrolle. 

Um das Potenzial innovativer Werkstoffe vollständig ausnutzen zu können ist es, entgegen der gegenwärtigen Konstruktionspraxis, notwendig die Optimierung von Struktur und Material gekoppelt zu betrachten.  Dies bedingt sowohl  die Bestimmung der optimalen räumlichen Verteilung als auch die optimale Ausnutzung des Materials, d. h. Orientierung und Anisotropie des Materialtensors, gesteuert durch die Mikrostruktur (siehe Abbildung).

Mit den gängigen Methoden der, auf numerischer Optimierung basierenden, Strukturoptimierung (Topologie- und Gestaltoptimierung, Dimensionierung) ist dies bislang nicht möglich. Bestehende Ansätze zur Materialoptimierung konzentrieren sich  auf das direkte Auffinden physikalisch sinnvoller Lösungen indem eine begrenzte Anzahl vordefinierter Kandidatenwinkel für die Optimierung der Materialorientierung zur Verfügung steht (Discrete Material Optimization), mit der Problematik lokaler Optima. Andere Ansätze, die diese Einschränkung umgehen (Free Material Optimization) stehen vor dem Problem, dass die Optimierung zwar eine theoretisch optimale, jedoch nicht immer physikalisch realisierbare Struktur ergibt.

Ziel ist daher die Entwicklung einer Methode, die, basierend auf einer vernünftigen Anzahl von Entwurfsvariablen, eine physikalisch realistische Materialkonfiguration liefert ohne dabei den Designraum unnötig einzuschränken. Dies führt zu effizienteren, leichteren Strukturen, die nicht nur in der Luft- und Raumfahrtindustrie, sondern in vielen Bereichen der Ingenieurwissenschaften Anwendung finden.

Ansprechpartner
Univ.-Prof. Dr. Clara Schuecker
clara.schuecker(at)unileoben.ac.at 
+43 3842 402 2501 

Die gesetzlichen Vorgaben der EU zur Kreislaufwirtschaft stellen die österreichische Textilbranche vor große Herausforderungen, vor allem da Textilien oftmals aus zwei oder mehr Materialien bestehen, was das stoffliche Recycling sehr erschwert. Im Zuge des Projektes Tex2Mat soll für Baumwoll-PET-Mischgewebe ein Trennverfahren basierend auf einem enzymatischen Prozess entwickelt werden. Das beim Prozess gewonnene, reine PET (aus Handtüchern, Hotel- und Krankenhauswäsche) soll so aufbereitet werden, dass es wieder für den Spinnprozess und letztlich für den ursprünglichen Einsatzzweck verwendbar wird. 

Dafür wurden die aufbereiteten PET-Fasern im ersten Schritt systematisch analysiert, um festzustellen, inwieweit sich die Materialeigenschaften durch Verarbeitung und Gebrauch im Vergleich zur Neuware verändert haben. Basierend auf diesen Erkenntnissen wird das Material durch eine entsprechende Additivierung oder Rekondensation wieder auf ein Niveau gebracht, von dem aus es versponnen werden kann.

Für den Spritzguss geeignet
Weiters sollen PA-Gemenge, die ursprünglich in industriellen Textilien im Einsatz waren, auf ihre Eignung als Material für technische Spritzgießbauteile geprüft werden. Die Anforderungen an die Materialeigenschaften für das Spinnen unterscheiden sich erheblich von denen für das Spritzgießen. 

Nach entsprechenden Materialanalysen wurden Spritzgießversuche zur Bestimmung optimaler Einstellparameter durchgeführt. Diese Versuche zeigten, dass das Fasermaterial mit nur kleinen Änderungen der Prozessparameter sich gut spritzgießen lässt. Mechanische Prüfungen haben ergeben, dass zwar E-Modul und Festigkeit die Ansprüche für technischen Bauteile erfüllen, aber die Kerbschlagzähigkeit unter den Erwartungen liegt. Hier sind umfangreiche Versuche im Gange, um dies zu verbessern.

Auf einen Blick
Förderung: FFG/BMWFW - COIN Programm
Projektpartner: ecoplus.Niederösterreichs Wirtschaftsagentur, Kunststoff-Cluster, TU Wien, BOKU Wien,
DI Monika Daucher Engineering, Ing. Gerhard Fildan GmbH, Herka GmbH,
Huyck.Wangner Austria GmbH, ­Multiplast Kunststoffverarbeitung GmbH, Starlinger & Co Gesellschaft m.b.H., Salesianer Miettex GmbH, Thermoplastkreislauf GmbH

Ansprechpartner
Dipl. Ing. Uta Jenull-Halver 
uta.jenull-halver(at)unileoben.ac.at 
+43 3842 402 3542
 

Entwicklung und Verarbeitung biobasierter Faser-Matrix-Verbundwerkstoffe

Bio-basierte Verbundwerkstoffe erfahren in den letzten Jahren ein wachsendes Interesse und etablieren sich in mehr und mehr Marktsegmenten wie beispielsweise der Automobil-, Transport-, Möbel- und Konsumgüterindustrie. Die Kombination aus nachwachsender Verstärkungsfaser auf Pflanzenbasis und bio-basierten Polymeren erlaubt die Herstellung von ökologisch effizienten Verbundbauteilen. Das Eigenschaftsprofil der Faser-Matrix-Verbundmaterialien lässt sich über weite Bereiche gezielt einstellen, was den Werkstoff für eine Vielzahl an Einsatzmöglichkeiten interessant macht.

Im Rahmen des FFG-Projektes RSBC wird die Harzsynthese auf Basis von Pflanzenölen untersucht. Forschungsschwerpunkt auf Seiten der MUL ist die systematische Analyse geeigneter Harz-Härter-Mischungen zur Herstellung leistungsfähiger, biobasierter Duromere. Im Flüssigimprägnierprozess werden die Naturfaserverstärkung und der polymere Matrixwerkstoff im Anschluss zum Verbundbauteil verarbeitet. Die Analyse der Materialeigenschaften während der Verarbeitung durch Einsatz unterschiedlicher Sensortechnologien und die Entwicklung einer geeigneten Methode zur Prozessüberwachung tragen dabei entscheidend zur Sicherstellung einer reproduzierbaren Bauteilqualität und zur zuverlässigen Verarbeitung der bio-basierten Verbundwerkstoffe bei. 

Die praktische Umsetzung wird mit der Herstellung einer Verkleidungskomponente für Land- und Baumaschinen erprobt. Der Vergleich der Prozess- und Bauteileigenschaften mit dem dafür standardmäßig verwendeten glasfaserverstärkten Verbundwerkstoff zeigt für diesen Anwendungsfall das Potenzial der eingesetzten biobasierten Materialien. Begleitend zu den Forschungsarbeiten erfolgt die Bewertung unter ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten im Rahmen einer Ökoeffizienzanalyse.

Auf einen Blick
Förderung: bmvit - FTI-Programm: „Produktion der Zukunft“ der FFG
Projektpartner: Jaksche Kunststofftechnik GmbH, Kompetenzzentrum Holz GmbH, bto-epoxy GmbH, R&D Consulting GmbH, Kästle GmbH

Ansprechpartner
Moritz Salzmann, MSc
moritz.salzmann(at)unileoben.ac.at 
+43 3842 402 2717

Geschäumte Kunststoffe findet man heutzutage in vielen Bereichen des Alltags, angefangen von Verpackungen bis hin zu Sport- und Freizeitartikeln. Durch das Schäumen von Kunststoffen kann ein Werkstoff mit ganz speziellen Merkmalen erzeugt werden: neben Gewichts- und Kostenreduktion können zum Beispiel Eigenschaften wie hoher elektrischer Widerstand, geringe Wärmeleitfähigkeit und hohe Schalldämpfung erzielt werden. Diese Eigenschaften werden vor allem durch die Schaumstruktur beeinflusst. So erreicht man zum Beispiel durch eine erhöhte Anzahl an Schaumzellen  eine verbesserte Dämmwirkung. Jedoch führt diese hohe Anzahl zu einer Verringerung des Polymeranteils, welcher für die mechanische Stabilität verantwortlich ist. Durch die Vernetzung von Polymerketten kann sowohl die Stabilität verbessert als auch das Einsatzgebiet von Kunststoffen zu höheren Temperaturen verschoben werden.

Die Herstellung von extrudierten Polymerschäumen erfolgt durch das Einbringen von Gas in die Polymerschmelze. Die Zugabe des Gases kann auf unterschiedliche Arten erfolgen, zum Beispiel durch die Verwendung von physikalischen Treibmitteln (z. B. Kohlenstoffdioxid). Bei dieser Art des Schäumens wird das Gas direkt in den Zylinder des Extruders eingespritzt. Jedoch wird hier zusätzlich ein Nukleierungsmittel für die Bildung der Gaszellen benötigt.

Die Idee des Projektes  ­MULTIFOAMREX ist es, ein in der Kunststoffindustrie typisches Nukleierungsmittel chemisch zu modifizieren. Durch diese Modifizierung soll der Füllstoff während des Schaumprozesses sowohl die Bildung der Zellen als auch die Vernetzung zwischen den einzelnen Polymerketten unterstützen. Ziel ist es die Schaumstruktur von Polyolefinschäumen zu verbessern und gleichzeitig ein stabileres Schaumprodukt zu entwickeln.

Auf einen Blick
Förderung: FFG
Projektpartner: KC, KV, Steinbacher Dämmstoff GmbH

Ansprechpartner
Ass.Prof. Dr.rer.nat. Gisbert Rieß
gisbert.riess(at)unileoben.ac.at 
+43 3842 402 - 2311

Bauteile aus Kunststoffen sind aus dem heutigen Leben nicht mehr wegzudenken. Um im globalen Wettbewerb bestehen zu können, müssen die Bauteilentwickler und -hersteller  - viele davon sind KMUs - beständig innovative Lösungen aus Kunststoff- und Hybridbauteilen präsentieren. Dazu müssen sie (bei gleichzeitiger Reduktion der Kosten) Gewichtsreduktion und Miniaturisierung, Steigerung der Funktionalität sowie die Nutzung von Werkstoffkombinationen und neuen Fertigungsverfahren beherrschen.

Sie stehen somit vor der Herausforderung, laufend die vielen Innovationen am Markt und in der Forschung zu verfolgen und rasch in ihre eigenen Produkte zu integrieren, was ohne maßgeschneiderte Ausbildung kaum zu lösen ist. Hier setzte das Qualifizierungsnetz InKuBa an. 

Die einjährige Ausbildung InKuBa wurde gemeinsam mit allen Projektpartnern und dem KVKL Leoben (siehe auch S. 69) konzipiert und durchgeführt. 41 ExpertInnen aus Industrie und Forschung vermittelten den 27 AusbildungsteilnehmerInnen in 15 Ausbildungstagen Neues aus den Themen Werkstoffe, Oberflächen und Nachhaltigkeit über Systematische Produktentwicklung und Integrative Simulation bis hin zu (neuen) Fertigungsmethoden für Großserien bzw. der additiven Fertigung. Die TeilnehmerInnen mussten das Erlernte im eigenen Unternehmen weitergeben, in praktischen, betriebsrelevanten Fragestellungen unter Begleitung durch ExpertInnen der beteiligten Universitäten anwenden und schließlich ihre Erkenntnisse allen Partnern präsentieren. 

Der Kompetenznachweis erfolgte durch eine abschließende Prüfung (schriftliche Prüfung, Präsentation und Prüfungsgespräch). Im Anschluss erhielten die TeilnehmerInnen ein Personenzertifikat nach ISO 17024 von der akkreditierten Zertifizierungsstelle SystemCert. Mit diesem Vorgehen konnte nachhaltig Innovationskompetenz in den Unternehmen aufgebaut werden.

Auf einen Blick
Förderung: FFG Forschungskompetenzen für die Wirtschaft
Projektpartner: Lehrstühle des Dept. KT., AMB, Außeninstitut, TU Wien (Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie), Universität Linz (Institut für Polymer-Spritzgießtechnik und Prozessautomatisierung), ANTEMO Anlagen & Teilefertigung GmbH, Oberhumer Klaus und Partner Gesellschaft m.b.H., KSZ GmbH, Schöfer GmbH, Miraplast Kunststoffverarbeitungsgesellschaft m.b.H., Jabil Circuit Austria GmbH, Seletec Plastic Products GmbH & Co.KG, KEBA AG, IB STEINER, PADESIGN/product & automotive design e.U., SWARCO FUTURIT Verkehrssignalsysteme Ges.m.b.H., Joh. Fuchs & Sohn Gesellschaft m.b.H., Wild GmbH, FT-TEC GmbH, Philips Austria GmbH

Ansprechpartner
assoz.Prof. Dr. Gerald Berger-Weber
gerald.berger-weber(at)unileoben.ac.at 
+43 3842 402 2904
 

Fachgerechte Recyclingprozesse und -kreisläufe ermöglichen eine dauerhaft optimale Nutzung eines Werkstoffs bzw. den nachhaltigen Umgang mit Rohstoffquellen. Neben der direkten Wiederverwendung von Produkten stellt für polymere Werkstoffe das mechanische Recycling (d. h. die Rückgewinnung des polymeren Materials aus Kunststoffrestmassen inkl. Produktionsabfällen), welches sich durch den weitgehenden Erhalt der polymeren Struktur sowie des gesamten energetischen Materialwerts auszeichnet, eine besonders nachhaltige Verwertungsoption dar. 

Technische Biopolymere werden abfalltechnisch bislang noch nicht separat erfasst und damit verwertet, da sie lediglich 1 %  des gesamten Kunststoffmarkts ausmachen. Der prognostizierte Zuwachs an Produktionsmengen erfordert aber möglichst zeitnah die Etablierung entsprechender ökologisch und ökonomisch sinnvoller Verwertungswege für technische Biopolymere sowie deren Integration in Abfallstoffströme, wozu umfassende Kenntnisse über die generelle Verwertbarkeit notwendig sind. In einer umfassenden Studie wurde daher die prinzipielle mechanische Rezyklierbarkeit repräsentativer Biopolymere auf Basis nachwachsender Rohstoffe analysiert. Besonderer Fokus lag auf der Identifikation verarbeitungsbedingter Degradationsmechanismen und -zeiten und ihrer Auswirkungen auf die Werkstoffcharakteristik. Wenngleich teilweise Bedarf zur Stabilisierung der Materialien insbesondere gegen hydrolytischen Abbau besteht, demonstrieren die Resultate ein prinzipiell hohes Potenzial der untersuchten Biopolymere für mechanisches Recycling. Weiterführende Arbeiten adressieren die Optimierung der Rezyklatqualität und die Integration technischer Biopolymere in bestehende Recyclingprozesse.

Auf einen Blick
Förderung: bmvit/Comet Programm, PCCL-Projekt V-2.S2
Projektpartner: PCCL

Ansprechpartner
Assoz.Prof. Dr.mont. Katharina Resch-Fauster
katharina.resch-fauster(at)unileoben.ac.at 
+43 3842 402 - 2105

Beim Spritzgießen von kurzglasfaserverstärkten Thermoplasten tritt in den schmelzeführenden Komponenten der Maschine und des Werkzeuges verstärkter abrasiver Verschleiß auf, der zu Prozessschwankungen, Bauteilfehlern und hohen Instandhaltungskosten führt.

Im COMET Projekt XTribology (Laufzeit 2015-2018) am Tribologie Kompetenzzentrum AC2T research wurden Verschleiß-Testmethoden weiterentwickelt, um den im Aufschmelzbereich auftretenden, sogenannten „Igeleffekt“ nachzustellen sowie Werkstoffkombinationen untersucht, um adhäsiven Verschleiß zu minimieren. An der MUL wurde außerdem der Einfluss der dissipativen Erwärmung auf den abrasiven Verschleiß experimentell und mittels Simulation untersucht. 

Bemerkenswertestes Ergebnis im anwendungsnahen Plättchenverschleißversuch war ein massiver Härteabfall eines hochlegierten pulvermetallurgischen Stahls an der Verschleißoberfläche von ursprünglich 770 HV0.5 auf 450 HV0.5 nach Verspritzung von 50 kg PA66, gefüllt mit 50 Gew.% Kurzglasfasern (gesamt 210 Spritzzyklen). Als Ursache wurde eine massive oberflächennahe Temperaturerhöhung im Stahl angenommen, die durch Dissipation infolge der hohen Einspritzvolumenströme und Drücke sowie Mikrozerspanung entsteht. Der zyklisch eingebrachte Wärmestrom veränderte das oberflächennahe Gefüge und beschleunigte so den Verschleiß massiv. Simulationen mittels ­SigmaSoft® zeigten einen Schmelzetemperatur-Anstieg auf 700 °C, 0,9 µm von der Wand entfernt. Daraus resultierte ein Anstieg der Temperatur an der Stahloberfläche auf 465 °C nach nur einem Einspritzvorgang. 

In der Zukunft gilt es, den Einfluss der Dissipation auf den Verschleiß von Kunststoffformenstählen sowohl für niedrig als auch hochlegierte Stähle näher zu untersuchen und die verschleißfesten Stähle in Richtung längerer Standzeiten weiterzuentwickeln.

Auf einen Blick
Förderung: Comet
Projektpartner: Wittmann Battenfeld GmbH, AC2T research GmbH, TU Wien - Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie

Ansprechpartner
Dipl.-Ing. David Zidar
david.zidar(at)unileoben.ac.at 
+43 3842 402 2910