Auszug Forschungsprojekte

Bestimmung von Dehndruckverlusten bei Kunststoffschmelzen

Prof. Dr. - Ing. Thomas Schröder, B. Eng. Daniel Hastert, B. Eng Carsten Fein

Bestimmung von Dehndruckverlusten bei  Kunststoffschmelzen

Stand der Technik
Die  Berechnung  von  Fließ- und  Füllvorgängen  viskoelastischer Medien  wie  z.B.  Polymerschmelzen  durch  diverse  Simulationssoftware  ist  mit  Fehlern  behaftet.  Aktuell  ist  es  nicht  möglich, Dehndruckverluste an Querschnittssprüngen in Kanälen oder Kavitäten  zu  bestimmen  bzw.  vorherzusagen.  Ursache  hierfür  sind die  viskoelastischen  Eigenschaften  wie  z.B.  die  Kompressibilität von  Kunststoffschmelzen,  die  bisher  nicht  beschrieben  werden konnten.

Projektbeschreibung
Sinn  und  Zweck  der  Druckverlustberechnung  ist  es,  Dehndruckverluste in einem Heißkanal abschätzen zu können. Diese sind besonders wichtig bei der Auslegung und Konstruktion von Heißkanälen. Das  Rheologie-Labor  des  Instituts  für  Kunststofftechnik Darmstadt  ist  im  Besitz  von  verschiedenen  Messgeräten,  welche die  Viskoelastischen  Eigenschaften  von  Kunst stoffschmelzen  bestimmen können.

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Erforschung und Entwicklung lasersinterfähiger Thermoplaste

Prof. Dr.-Ing. Roger Weinlein

Bauteileigenschaften von Probekörpern

Stand der Technik
Additive Fertigungsverfahren gewinnen immer mehr anBedeutung. Insbesondere die Sinterung von Hochtemperatur-Thermoplasten (HT) zu hochwertigen Bauteilen für denMedizin-, Aerospace und Automobilbereich findet immermehr Anwendungen. Im Bereich HT steckt also noch vielPotenzial, dass es zu erforschen und zu nutzen gilt. Zielsetzung: Das Ziel des AIF-Projekts „Economic HT-Manufacturing“ist daher die Entwicklung einer kostengünstigen und flexiblen Sinteranlage für Hochtemperatur-Thermoplaste, mit der es erstmals möglich sein wird, die Sinterung von HTBauteilenbei Kleinserien zu einer wirtschaftlichen Alternativeneben dem Spritzgießen zu machen.Die Hochschule Darmstadt wird daneben preiswerte, sinterbare Kunststoffpulver auf Basis der Standardkunststoffeentwickeln, sowie deren Pulveraufbereitung und Verarbeitungsprozesse an der Sinteranlage optimieren. Im Fokus stehen hier Hochtemperaturthermoplaste.

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Charakterisierung der Bauteileigenschaften von Probekörpern im 3D-Druckverfahren FFF

Prof. Dr.-Ing. Roger Weinlein

Bauteileigenschaften von Probekörpern

Anlass und Motivation
Das Forschungsprojekt FLM befasst sich mit der Fertigung von Prototypen im FFF Verfahren. Beim Fused Filament Fabrication (FFF) aus der Familie der Rapid-Prototyping-Verfahren werden Modelle aus thermoplastischem Draht (Filament) generiert. FFF Anlagen werden bereits seit gut 20 Jahren im Industriebereich eingesetzt. Seit ca. 10 Jahren befasst sich eine stark wachsende DIY-Community („Do It Yourself“) mit der Entwicklung und dem Bau von low-cost Anlagen. Diese DIY-Technologie ist mittlerweile soweit fortgeschritten, dass erste plug and play Anlagen für den Haushaltsgebrauch beworben werden. Die open source basierte Fertigungssoftware bietet dem elektromechanisch versierten Anwender die Möglichkeit, eigenständig eine FFF-Anlage zu bauen. Das Forschungsprojekt beinhaltet die Erforschung und Quantifizierung der Einflussgrößen auf die Bauteileigenschaften und die systematische Verbesserung dieser DIY-A

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„New Potential PHB“ Entwicklung neuer PHBBlends für innovative Einsatzfelder

Prof. Dr.-Ing. Roger Weinlein

Entwicklung neuer PHBBlends für innovative Einsatzfelder

Der Großteil konventioneller Kunststoffe wird auf Basis oder mit Hilfe des fossilen Rohstoffs Erdöl hergestellt. Dieser ist im Laufe von Jahrmillionen aus abgestorbenen Kleinstlebewesen entstanden, welche unter hohem Druck und erhöhter Temperatur zu langkettigen Kohlenwasserstoffen umgewandelt wurden. Aufgrund des immensen Verbrauchs an Erdöl in der heutigen Zeit zur Energieproduktion, Wärmegewinnung und zum Transport ist die Endlichkeit dieser Ressource abzusehen und weitere Preissteigerungen sind zu erwarten. Obwohl die Produktion der klassischen Kunststoffe nur einen geringen Teil der Ressource Erdöl verbraucht, trägt der immer weiter ansteigende Bedarf an Kunststoffen zu einer weiteren Verknappung der Vorräte bei. Als Alternative bieten sich Kunststoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe bzw. mikrobiologischer Synthese an.
Neben der Unabhängigkeit von schwindenden Ressourcen erweitern sich somit die Möglichkeiten nachhaltig zu wirtschaften und im Rahmen beständiger Kunststoffe eine günstigere CO2-Bilanz zu erzeugen. Das Spektrum der biobasierenden Polymere ist hierbei weitgreifend und erlaubt neben der Substitution beständiger, petrolbasierter Kunststoffe, durch chemisch analoge Bio-Pendants (Drop-Ins), auch biologisch abbaubare und kompostierbare Materialkombinationen. Je nach Anwendungsfall lassen sich demnach Werkstofflösungen finden, welche die klassischen Einsatzgebieten mit teils dauerhafter Nutzung und Beanspruchung, wie auch die zügige, bspw. in bestimmten Medien, stattfindende Degradation ermöglichen. Vor Allem im Fall von Verpackungen und Einwegartikeln, die häufig nicht den regulären Entsorgungswegen zugeführt werden, ergeben sich mit abbaubaren Materialien neue Optionen im Bereich des Umweltschutzes.

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Lernen von der Natur - die Biologie als Vorbild

Prof. Dr. Thomas Schröder

Nanostrukturen

Einleitung
Die Bionik, d.h. die Übertragung von Konstruktions- oder Verfahrensprinzipien die aus der Natur abgeleitet wurden, wird in den letzten Jahren auch im Bereich der Kunststofftechnik verstärkt eingesetzt. Grundlage des im Folgenden beschriebenen Forschungsprojekts ist der Sandfischeffekt (Abb. 1). Angewandt wird hierbei ein Replikationsverfahren mit welchem die abriebs- und reibungsarme Eigenschaft der Haut des Sandfisches auf technische Bauteile übertragen werden kann. Somit wird die Möglichkeit der Reduzierung von Reibung und Verschleiß mithilfe von neuartigen bionischen Oberflächen untersucht. Durch die Anwendung der Erkenntnisse auf kinematische Bauteile können diese deutlich wirtschaftlicher gestaltet werden.

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Untersuchung des dynamischen Verhaltens von Hochleistungskunststoffen in der Medizintechnik

Prof. Dr. Thomas Schröder

Hochleistungskunststoffe in der Medizintechnik

Kunststoffe gewinnen in der Medizintechnik in den letzten Jahrzenten immer mehr an Bedeutung. Schon heutzutage liegt der Anteil von Kunststoffen in der Medizintechnik bei geschätzten 50%. Die Ursache hierfür liegt zum einen in den vielfältigen Eigenschaften der Kunststoffe, zum anderen aber auch am Preisvorteil gegenüber anderen Materialien. Für die Medizin sind insbesondere die Medienresistenz, die Möglichkeiten von antibakteriellen Zusatzstoffen, die Herstellung von Formgedächtnismaterialien oder der Ersatz von Metallkomponenten von großer Bedeutung. Schon heute sind Kunststoffgelenke oder mit Nanosilber beschichtete antibakterielle Oberflächen im Einsatz. In Zukunft werden Kunststoffe im Bereich Medizintechnik teure Metallanwendungen verdrängen. Einer der Hauptgründe für das Ersetzen von Metallen ist die Möglichkeit zur Einführung von Disposalkomponenten. Weltweit werden hohe Anforderungen an die Sterilisation von medizinischen Geräten gestellt, die durch die Einführung von Disposalkomponenten umgangen werden können.

Das hier dargestellte Projekt, beschäftigt sich mit dem Metallersatz durch Kunststoffe. Hierbei liegt der Fokus auf dem dynamischen Verhalten der Kunststoffe. Es soll dargestellt werden, wie sich Hochleistungskunststoffe und Standardkunststoffe unter Ultraschallschwingungen verhalten.

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Nanotechnologie des Spritzgießens Bionik: Lernen aus der Natur Sandskink, Mottenaugen, Gecko und Co.

Prof. Dr. Thomas Schröder

Nanotechnologie des Spritzgießens

Entspiegelte Gläser, selbstreinigende Fliesen oder schmutzabweisende Möbel – winzige Strukturen im Nanometerbereich machen es möglich. Nano, das griechische Wort für Zwerg ist ein Kürzel für Maße in der Größenordnung von Millionstel-Millimetern. Gitterstrukturen im Nanometerbereich auf Scheiben vermeiden Reflektionen. Dieser Effekt entspringt der Natur und ist unter dem Mottenaugeneffekt bekannt. Der Abstand der Erhebungen auf dem Facettenauge nachtaktiver Insekten sind mit unter 200 Nanometern geringer als die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes. Dadurch können diese Strukturen nicht aufgelöst werden und das Auge reflektiert kein Licht. Die Vorteile liegen auf der Hand: Nachts sehen die Insekten viel, müssen dabei gleichzeitig nicht als Nahrung herhalten. Diese Vorteile will man am Beispiel der Natur auch in der Technik umsetzen. Die Anwendungsbereiche sind vielseitig: Entspiegelte Brillengläser und Monitore, Antirefflektionsschichten auf Solarmodulen sind nur einige Beispiele für Anwendungsmöglichkeiten. Zum Stand der Technik gehört, dass diese Strukturen zunächst auf Folien übertragen oder mittels Spray auf Oberflächen aufgebracht werden müssen und aufwendig verklebt werden müssen.

Das vorliegende Forschungsprojekt hat zur Aufgabe, diese Nanostrukturen direkt im Spritzgießverfahren herzustellen.

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Nanocomposites und ihre Oberfläche

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Seit mehreren Jahren werden im Institut für Kunststofftechnik Darmstadt Untersuchungen solcher Oberflächenfunktionalitäten vorgenommen. Speziell der Einsatz von Carbon-Nanotubes zur Reduktion der Gleitreibung wurde untersucht. Die Arbeitsgruppe ist Mitglied im NanoNetzwerk Hessen.

In den letzten Jahren nimmt der Einsatz von nanoscaligen Füllstoffen wegen ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften stark zu. Es gibt schon erste Serienanwendungen zur Erhöhung der Kratzfestigkeit von Automobillacken. Dabei ist es möglich, schon durch eine modifizierte Oberfläche, z. B. eine Lackschicht oder Beschichtung, wesentliche Produkteigenschaften zu beeinflussen. Zu nennen sind hier elastische und plastische Verformbarkeit, Kriechverhalten, Gleit- und Haftreibung, Härte, Dämpfung und nicht zuletzt die Verschleißbeständigkeit.

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So könnten die positiven Eigenschaften des Füllstoffes schon durch dünne Funktionsschichten ohne eine hohen und teuren Einsatz von großen Füllstoffmengen auf die mechanisch-physikalischen Oberflächenfunktionalitäten sowie die chemomechanischen Eigenschaften und die Umweltbeständigkeit eines Kunststoffteils übertragen werden.

Automatische Farbmessung bei der Compoundierung von Kunststoffen

dient dazu, bereits bei der Granulierung und Compoundierung des Grundmaterials sowie der Wareneingangskontrolle der Rohmaterialien während der Herstellung von Kunststoffmaterialien, die Farbe zu kontrollieren und so die spätere Produktqualität sicherzustellen. Je früher man eine mögliche Qualitätsabweichung erkennt, desto kostengünstiger ist deren Beseitigung.

Bislang war ein frühzeitiges Eingreifen in den Produktionsprozess mit der herkömmlichen photospektrometrischen Farbmessmethode nicht möglich. Die unterschiedlichen geometrischen Gestalten der Granulatkörner und Effekte wie Weißbruch etc. ließen am Granulat selbst keine exakte Farbmessung zu, so dass stets der Umweg über die Herstellung von Prüfplättchen gegangen werden musste, um zuverlässige Farbwerte zu ermitteln.

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In einem neuentwickelten Verfahren wurde im Institut für Kunststofftechnik Darmstadt der Hochschule Darmstadt das Color-Control-System der Firma ROC zur Farbmessung direkt am Granulat weiterentwickelt. Auf eine Platte automatisch aufgestreutes Material fährt, diffus ausgeleuchtet, an einem hochauflösenden Spektrometer vorbei. Eine intelligente Bildverarbeitung sorgt dafür, dass Granulatkörner nicht nur vom Hintergrund unterschieden, sondern auch Fehlstellen, Weißbruchkanten, Streueffekte der Geometrie etc. erkannt und nicht zur eigentlichen Farbmessung herangezogen werden. Die Messwerte können direkt zur Regelung des Compoundierprozesses verwendet werden und ersparen damit den teuren und zeitintensiven Umweg über spritzgegossene Probeplatten. Mit dem automatischen Probenzuführungssystem kann eine Messrate von mehreren Messungen pro Minute erreicht werden. Mit diesem System gelang erstmals eine schnelle Prozesskontrolle schon beim Compoundieren.

Structural-Health-Monitoring

Dieser Themenkomplex wurde über zwei Jahre im Rahmen eines Forschungsprojekts durch Mittel der Hochschule Darmstadt gefördert. Hierbei wurden Sandwichkonfigurationen aus langfaserverstärkten Kunststoff untersucht, die zunehmend im Leichtbau eingesetzt werden. Die dort verwendeten Deckschichtlaminate versagen am häufigsten durch Delamination. Eine Erkennung eines solchen Schadens, speziell wenn es sich um lackierte Bauteile handelt, ist in der Regel schwer möglich. Jedoch durch Einbringung z.B. von Piezofasermodulen direkt in den Laminataufbau lassen sich Änderungen in der Struktur während der Beanspruchung online nachweisen. Dabei fungieren die Module je nach Verschaltung sowohl als Sender als auch als Empfänger. Das Sendemodul erzeugt ein Schwingsignal, welches das Bauteil durchläuft und vom Empfängermodul aufgenommen wird. Bei Änderung der Laminateigenschaften ergibt sich zwangsläufig auch eine Änderung des Eingangssignals am Empfängermodul. Aber darüber hinaus lässt sich durch geschickte Anordnung der Module ebenfalls der Ort der Schädigung im Bauteil bestimmen.

In einer Diplomarbeit des Fachbereichs Kunststofftechnik wurden bei der Firma Airbus Deutschland GmbH am Strandort Stade bei Hamburg grundlegende Untersuchungen durchgeführt. Parallel dazu konnte aufgrund der engen Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit in Darmstadt, der Firma Degussa AG und unter der Einbeziehung der studentischen, akademischen Fliegergruppe Darmstadt (AKA-Flieg) ein Flügeldemonstrator gebaut werden, an dem das Verhalten der Lebensdauerüberwachung bei Faserverbund-Sandwich-Konstuktionen nachgewiesen werden konnte. Mittlerweile sind noch verschiedene weitere Partner aus Wirtschaft und Forschung hinzugetreten, so dass einer Beantragung weiterer Mittel im Rahmen des Förderprogramms Funktionsintegrierter Leichtbau beim Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) nichts mehr im Wege steht.

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In einem nächsten Schritt ist daran gedacht, zwei völlig neue Tragflächen mit unterschiedlichen Sensortypen auszustatten und diese auf ihre Tauglichkeit zur online Strukturüberwachung zu prüfen. Als Versuchsträger dient dabei ein am Fachbereich Kunststofftechnik vorhandener Prototyp eines Very-Light-Aircaft mit einer max. Abflugmasse von 750 kg. Dieser Prototyp, welcher von der Gesellschaft zur Förderung des technischen Nachwuchses Darmstadt e.V. aufgrund einer Schenkung dem Fachbereich Kunststofftechnik zur Verfügung gestellt wurde, wird zur Zeit mittels der tatkräftigen Unterstützung der Studierenden und interessierter Professoren sowie Mitarbeiter der Fachbereiche Maschinenbau, Elektrotechnik und Informationstechnik sowie Kunststofftechnik weiterentwickelt und fertiggebaut. Die Einzelstück-Zulassung diese Flugzeugs beim Luftfahrt-Bundesamt ist beantragt.

„SHM" dient dazu, sichere Konstruktionsteile über Ihre gesamte Lebensdauer zu gewährleisten. Sie soll zukünftig ein wichtiger Bestandteil der Wartung von Strukturen aus Faser-Kunststoff-Verbunden werden, um bei den regelmäßigen Inspektionen einer Konstruktion Teilschädigungen der Bauteile nachzuweisen, bevor diese zu einem Totalversagen führen können. Bei dieser Lebensdauerüberwachung wird ein Auftreten einer Schädigung erkannt und der Schädigungsfortschritt anschließend überwacht, so dass eine ausreichende Resttragfähigkeit der geschädigten Struktur immer gewährleistet ist. Die regelmäßigen Inspektionen legen den Zeitpunkt des Austauschs des geschädigten Bauteils fest und dienen somit der Realisierung schadenstoleranter und ausfallsicherer Konstruktionen.