Eine Reihe von Untersuchungsmethoden kann Schwachstellen aufgrund von Faserfehlorientierungen aufzeigen. Aufschluss über das Steifigkeits- und Zugfestigkeitsverhalten erlauben insbesondere der Faservolumengehalt und die Faserverteilung, die sich mit einer neuen Ultraschallmethode flexibel am fertigen Bauteil erfassen lassen.

Ultraschall einkoppeln: Ein Scherwellenprüfkopf steht über ein zähflüssiges Koppelmittel mit einem glasfaserverstärkten Kunststoffprüfkörper in Kontakt

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Methoden zur Bestimmung der Faserorientierung in verstärkten Kunststoffen

Ultraschall-Sensoren

Messtechnik

Sensoren / Messwertaufnehmer

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

Kunststoff Werkstoffe

Computer-Tomografie-Systeme

Werkstoffprüfung

Optische Mess- und Prüftechnik

Ultraschallprüfgeräte

Faserverbundwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Kunststofffasern

Verstärkungsstoffe

Röntgenprüfgeräte

Software für Optische Messtechnik

Richtungsweisende Ultraschall-Scherwellen

Mit viel Know-how, mutigen Investitionen und eigenen Entwicklungsmethoden hat sich der Automobilzulieferer RF Plast ein zweites Standbein geschaffen. Grundlage dafür war ein Kundenprojekt, bei dem Edelstahl durch Kunststoff ersetzt wurde.

Geschäftsführer Dr. Simon Amesöder (links) und Prozesstechniker Klaus Wüst halten Scheibenfilterelemente aus Vollkunststoff mit weißer Dichtung und ohne eine solche vor der 3000-kN-Maschine, auf der das Bauteil gefertigt wird 

RF Plast überzeugte die Edelstahlbauer der Huber SE mit Siebfilterelementen aus Kunststoff

Spritzgießen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Lohnfertigung

Dienstleistungen

Forschung + Entwicklung

Prozesssimulation

Software

Simulation

Abwasserreinigung

Betriebsausrüstung / Betriebsmittel

Standardkunststoffe

Thermoplaste

Spritzgießsimulation

Kunststoffverarbeitung

Wasseraufbereitung

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Polypropylen-Compound

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Werkstoffliche Wachablösung

Carbonfasern sind kostspielig und deshalb interessant für das Recycling. Die Ergebnisse des Projekts RecyCarb ermöglichen die Mehrfachnutzung von Carbonfasern durch einen funktionellen Wiedereinsatz. Erste Demonstratoren belegen die industrielle Umsetzbarkeit.

 Carbonvliesstoffanlage des STFI mit Fallschneidemaschine (1), Reißmaschine (2), Füllschacht (3), Airlay (4), Krempel (5), Kreuzleger (6), Nadelmaschine (7) und Nähwirkmaschine des Typs Mali- watt (8)

Wiedereinsatz rezyklierter Carbonfasern in anspruchsvollen Bauteilen

Faserverarbeitung

Recycling

Umweltmanagement

Kunststoff-Recycling

Kunststoff-Aufbereitung

Zweites Leben für Carbon

Die Optik spielt bei Kunststoffbauteilen eine immer größere Rolle. Entscheidend für ein ansprechendes Aussehen sind glänzende und gleichmäßige Oberflächen. Diese Anforderungen lassen sich bei glasfaserverstärkten Polyamiden bisher meist nur mit einer zusätzlichen Lackierung erreichen. Eine Alternative bietet ein speziell für die Gestaltung von Oberflächen entwickeltes Polyamid.

Bei Sichtbauteilen ist häufig eine gleichmäßige, glänzende Oberfläche gewünscht, die sich mit glasfaserverstärktem Polyamid oft nur schwer erreichen lässt. Grivory G7V von EMS löst dieses Problem

Aliphatisches Hochleistungspolyamid für Oberflächen

Polyamide

Oberflächentechnik

Glänzende Bauteile ohne Lackierung

Seit Oktober 2020 ist Warden Schijve Teil des AZL-Engineering-Teams und baut den Bereich für Produkt- und Anwendungsentwicklung im Leichtbau weiter aus.

Begrüßung des neuen Kollegen im AZL Tech Center (v. l.): Dr. Michael Emonts, Warden Schijve, Philipp Fröhlig und Dr. Kai Fischer

Glasfasern / -matten

Kohlenstofffasern / -matten

Sekundärfasern

Kunststoff-Rezyklat

Fasern

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

Aramidfasern

Personen

kunststoffe.de

Werkzeuge für Faserverarbeitung

Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung

Neues Mitglied im AZL-Engineering-Team

Der Fortschritt bei Fügetechnologien wie dem Laserdurchstrahlschweißen, die steigende Nachfrage nach wärmeleitenden Kunststoffen, der Leichtbau und die Elektromobilität gehören in der Material- und Anwendungsentwicklung mit Polyamid zu den großen Trends. Auch bei bei diesem Polymer wächst der Bedarf an nachhaltigeren Werkstoffen. Geschlossene Stoffkreisläufe werden deshalb künftig in der Herstellung von PA 6 und PA 66 eine immer wichtigere Rolle spielen.

Motorradtank aus Durethan BC550Z 900116 DUSXBL: Das unverstärkte und schlagzäh modifizierte PA 6 wird zu zwei Halbschalen spritzgegossen, die durch Heizelementschweißen zum Tank gefügt werden

Polyamid (PA): Produktverbesserungen und Ersatz von PA 66 durch PA-6-Compounds

Hybridtechnik

Compound

Elektronik

Automotive

Vibrationsschweißen

Verbindungstechnik Verfahren

Thermisches Fügeverfahren

Hybridwerkstoffe

Technische Kunststoffe

Laserschweißen

Laserauftragsschweißen

Laserbearbeitungen

Lasertechnik

Verbesserungen bei Materialien und  der Verarbeitung

Biobasierte Kunststoffe können in langlebigen und recycelbaren Anwendungen große Mengen an CO2 speichern und einen echten Beitrag zum Klimaschutz leisten. Entsprechendes Produktdesign und eine funktionierende Kreislaufwirtschaft vorausgesetzt, könnte die Kunststoffbranche zu einer Schlüsselindustrie einer grünen Wirtschaft werden.

Möbel und Einrichtungsgegenstände mit langer Nutzungsdauer sind prädestinierte Anwendungen für Biokunststoffe

Wie biobasierte Kunststoffe zur langfristigen Speicherung von CO2 beitragen können

Kunststoffe, biobasiert

Biokunststoffe

Kunststoffe, bioabbaubar

Mit Biokunststoffen zur Zukunftsbranche

Zur Erwärmung von endlosfaserverstärkten Thermoplasten eignet sich auch der Joule-Effekt. Am Institut für Kunststofftechnik der Universität Stuttgart wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem Halbzeuge über Kontaktelemente bestromt werden.

Joulesche Erwärmung: Durch Halbzeuge fließt Strom über direkte Kontaktelemente und erwärmt das Bauteil von innen heraus über das gesamte Volumen

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Einfluss der Kontaktierung auf die Joulesche  Erwärmung endlosfaserverstärkter Thermoplaste

Heizeinrichtungen, elektrisch

Richtig heiß mit runden Ecken

Das Stuttgarter Kunststoffkolloquium fand in diesem Jahr in digitaler Form statt. Schwerpunkte der 27. Auflage in waren die additive Fertigung, die Prüfung von Kunststoffen, Faserverbundmaterialien und Biokunststoffe. Die über 600 Teilnehmer der Veranstaltung zeigten, dass auch nach einem Jahr Coronakrise das Interesse an digitalen Fachinformationen weiterhin groß ist.

Da die Corona-Pandemie Präsenzveranstaltungen unmöglich macht, findet das 27. Stuttgarter Kunststoffkolloquium in digitaler Form statt

Streifinger, Florian

Lehrstühle und Institute

Hochschulen

Industrie 4.0 für die Kunststoffverarbeitung

Industrie 4.0

Forschungsinstitute (MPI, FHG)

Stuttgarter Kunststoffkolloquium zeigt Fortschritte beim 3D-Druck und nachhaltigen Materialien

Trotz alternativer Mobilitätskonzepte, ist der Wunsch nach einem eigenen Fahrzeug nach wie vor groß. Da hochwertige und nachhaltige Materialien die Kaufentscheidung des Endkunden beeinflussen, kommen im Innenraum von Fahrzeugen neuentwickelte Polymere zum Einsatz.

Auch mit glasfaserverstärkten Kunststoffen lassen sich optisch ansprechende Oberflächen gestalten. Das zeigt beispielsweise das PP SoForm 

Der Wunsch nach ansprechenden Oberflächen und einer höheren Nachhaltigkeit treibt die Materialentwicklungen im Fahrzeuginterieur voran

Polyethylenterephthalat

Polypropylen

Fahrzeugbau

Erfolgsfaktor Optik

CFK-Bauteile sind häufig unter rauen Umweltbedingungen im Dauereinsatz und werden bei Beschädigung einfach durch neue Bauteile ersetzt. Mit einem neuen Verfahren können defekte CFK-Strukturen nun deutlich einfacher lokal repariert werden.

Bild 1. Übersicht über das simulationsgestützte Reparaturverfahren für CFK-Bauteile: Die Methode ermöglicht eine gezielte Reparatur der Schadstelle 

Verfahren zur Reparatur von CFK-Bauteilen ohne Spanen

Reparieren statt austauschen

Endlosfaserverstärkte Thermoplast-Composites etablieren sich auch bei dünnwandigen Gehäusen. Sie bieten eine hohe Steifigkeit, helfen das Gewicht zu senken und ermöglichen ein edles Design und Funktionsintegration. Werden die Gehäuse im Hybrid-Molding-Verfahren gefertigt, lassen sich außerdem Kosten, Verarbeitungsschritte und Zykluszeiten reduzieren

Das Smartphone Carbon 1 Mark II von Carbon Mobile wurde in Deutschland entwickelt.  Die mattschwarzen Carbonfasern verleihen dem Smartphone einen edlen Hightech-Look

Composites senken das Gewicht und erleichtern die Produktion von Elektronikgehäusen

Composite-Halbzeuge

Organobleche (gewebeverstärkte Thermoplast-Halbzeuge)

Leichtbau für die Hosentasche

CFK verfügen in Abhängigkeit vom Carbonfasergehalt, der Faserlänge sowie der Orientierung der Fasern über eine inhärente Leitfähigkeit. Bisher wurde diese jedoch kaum beachtet oder als störender Effekt betrachtet. Richtig umgesetzt, lassen sich damit jedoch zusätzliche Funktionen wie EMV-Abschirmung und Heizleistung in Bauteile integrieren.

Bild 1. Spezifischer Oberflächenwiderstand verschiedener rCFK: Der Widerstand hängt sowohl vom Faservolumengehalt als auch dem Herstellungsverfahren ab 

Die elektrische Leitfähigkeit von CFK für Zusatzfunktionen nutzen

Mehr als nur Leichtbau

Leichtbau mit Faserverbundkunststoffen spart im Betrieb von Automobilen und Flugzeugen Energieressourcen ein. Den Einsparungen stehen jedoch häufig höhere Verbräuche in der Produktion gegenüber. Deshalb rückt die Nachhaltigkeit bei der Fertigung verstärkt in den Fokus. Eine entsprechende Nachhaltigkeitsbetrachtung für die Verarbeitung von thermoplastischen UD-Tapes zu funktionsintegrierten Bauteilen hat das Forschungsinstitut Neue Materialien Bayreuth durchgeführt.

Bild 1. Leichtbau vs. konventionelle Bauweise: Schematische Darstellung des Energiebedarfs für Leichtbaulösungen im Vergleich zu konventionellen Lösungen in der Herstellung sowie anschließenden Nutzungsphase.

Die Umweltauswirkungen der Produktion von FVK-Bauteilen bewerten

UD-Tapes

Nachhaltigkeit

Schnüre, Bänder, Tapes

Wie nachhaltig ist Leichtbau wirklich?

Viele Materialien benötigen ein speziell auf die Materialeigenschaften abgestimmtes Dosierkonzept wie den Faserdosierer FiberXpert von Brabender Technologie.

FiberXpert FX225 eignet sich ideal für das Dosieren von langen und unregelmäßigen Fasern.

Messe K-Kunststoffmesse

kunststoffe-international.com

Materialhandling

Dosieren von langen und recycelten Fasern

Grundgerüste für menschliche Organgewebe aus Kunststofffasern

Man nehme sehr filigrane Kunststofffasern, ordne sie speziell an – und verleihe ihnen die Eigenschaft, körperähnliches Gewebe aufzubauen. Das Fraunhofer ISC konnte mit diesem Verfahren Gewebe mit erstaunlicher Ähnlichkeit zur menschlichen Unterhaut entwickeln. Die Erweiterung dieser Unterhaut mit Fettgewebe komplettiert damit eine neue Methode, menschliche Haut auf Basis von gewöhnlichen Kunststoffen herzustellen. Die menschlichen Organgewebe ermöglichen unter anderem eine tierversuchsfreie Entwicklung von Medikamenten und Kosmetika.

Elektrospinnen: Das ISC Fraunhofer entwickelt Methode, menschliche Haut auf Basis von gewöhnlichen Kunststoffen herzustellen.

Das Elektrospinnen ist ein Prozess, der Kunststofffasern im Bereich von 0,1 bis 1 µm Durchmesser erzeugt. Dafür wird zunächst der Feststoff in einer geeigneten Flüssigkeit gelöst und über eine Spritze durch eine Metallkanüle gedrückt. Ein elektrischer Kontakt lädt dabei die Kanüle sowie die darin befindliche Kunststofflösung über eine Hochspannungsquelle auf. Über das Gegenspiel von Oberflächenspannung und elektrischer Abstoßung bildet sich aus der Lösung am Kanülenausgang ein sehr dünner Flüssigkeitsstrahl (Bild 1), welcher in Richtung eines Kollektors beschleunigt.

Auf dem Weg dorthin (Flugzeit circa eine hundertstel Sekunde) verdampft das Lösungsmittel und die sich bildende sehr dünne Faser wird am Kollektor aufgefangen. Die eher unkontrollierte Flugbahn und die hohe Geschwindigkeit machen aber eine kontrollierte Anordnung der Fasern herausfordernd bis unmöglich, weshalb die ursprünglich erhoffte Anwendungsvielfalt der mittlerweile mehrere Jahrzehnte alten Technik sehr limitiert ist.

Motiviert, diese Begrenzungen zu überwinden und die Technik der Industrie zugänglich zu machen, entwickelt das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC) in Würzburg neue Elektrospinn-Systeme, welche mit verschiedenen integrierten Techniken eine automatisierte Prozesssteuerung ermöglichen. So können die Faserstrukturen der Vliese für neue Anwendungen kontrolliert und angepasst werden.

Entfernt man die Zellen aus menschlichem Bindegewebe wie zum Beispiel der Unterhaut, offenbart sich eine feine Faserstruktur aus Proteinen wie Kollagen und Elastin. Je nach Gewebetyp befinden sich diese Strukturen im Bereich von 0,1 – 0,5 µm im Bindegewebe bis zu mehreren µm bei Sehnen. Wegen der offensichtlichen Ähnlichkeit des Faserdurchmessers (Bild 2) wurde das Elektrospinnen bereits zu den Anfängen der Technik in Verbindung mit dem Tissue Engineering, der Herstellung menschlichen Gewebes in Zellkultur-Laboren, gebracht. Die unkontrollierte Ablage der Fasern führte aber zu einem sehr dichten Faservlies, in das menschliche Zellen kaum eindringen und somit auch die Struktur nicht verändern konnten. Dadurch beschränkte sich das Einsatzgebiet im Tissue Engineering ausschließlich auf zweidimensionale Anwendungen, beispielsweise als strukturierte Oberfläche für die Kultur von Zellen oder als Grundstruktur von künstlichen Blutgefäßen.

Neues Verfahren sorgt für extrem lockeres Fasergeflecht

Über ein neues Verfahren wurden nun wasserlösliche Partikel zwischen die Fasern eingebracht, welche die Distanzen zwischen ihnen stark vergrößern. Wird das Faservlies nach dem Spinnprozess in Wasser gelegt, lösen sich die Partikel sofort auf und es resultiert ein Faservlies mit extrem lockerem Fasergeflecht und einem Wasseranteil von 99 %. Diese Offenmaschigkeit und gewonnene Beweglichkeit der Fasern erlaubt es nun, dass Gewebezellen eindringen und die gesamte Struktur besiedeln können. Gleichzeitig können die Zellen die Fasern neu anordnen sowie ihre eigene Proteinmatrix innerhalb der synthetischen Struktur aufbauen. Daraus resultiert ein Biologisierungsprozess, der die ursprünglich kunststoffbasierte Struktur zu einem lebendigen und biologisch aktiven Gewebe umwandelt. Als Basis dienen derzeit alle für den Elektrospinnprozess anwendbaren Kunststoffe, wie zum Beispiel Polyamide und Polyester. Für die Weiterentwicklung fließt in diese Thematik die Materialexpertise des Fraunhofer ISC ein, um neue intelligente Materialien mit spezifischen Eigenschaften wie Degradation, Magnetisierbarkeit, elektrische Leitfähigkeit und vor allem mit der Freisetzung von bioaktiven Stoffen einzusetzen.

Tierfreie Testsysteme für die Entwicklung von Kosmetika

Im Translationszentrum für Regenerative Therapien (TLZ-RT) des Fraunhofer ISC wird eine Vielzahl von menschlichen Organgeweben entwickelt, welche direkt in der pharmazeutischen und kosmetischen Industrie als Testsysteme angewendet werden und damit bereits einen Teil der Tierversuche ersetzen können. Mit steigender Komplexität dieser Testsysteme sind aber Strukturen des Bindegewebes notwendig, die wiederum aus Tieren gewonnen werden. Am Beispiel der Haut konnte nun das neuentwickelte kunststoffbasierte sowie biologisierte Gewebe für die Unterhaut eingesetzt (Bild 3) und so das bisher verwendete Kollagen aus Rattenschwänzen ersetzt werden (wissenschaftliche Publikation: 10.1002/adma.202106780). Gleichzeitig wurde mit der Anwendung der elektrogesponnenen Vliese auch die Ähnlichkeit zum komplexen menschlichen Gewebe der Haut erhöht, insbesondere durch die Erweiterung mit einer zusätzlichen Komponente der Haut, dem Fettgewebe. In naher Zukunft sollte es daher möglich sein, die bei der Entwicklung von Medikamenten und Kosmetika eingesetzten Testsysteme auch komplett frei von tierischen Komponenten herzustellen.

Ausgabenartikel KU07-23

Bild 1. Bildung eines dünnen Flüssigkeitsstrahls (links von der Kanüle) aus einer Polymerlösung im Prozess des Elektrospinnens.  

Bild 2. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von zellfreiem Bindegewebe (links) und elektrogesponnenen Fasern (rechts).  

Bild 3. Ein schwimmendes 3D-Faservlies in Wasser (links). Die Mikroskopie-Aufnahmen zeigen die einzelnen Schichten des kunststofffaserbasierten Hautäquivalents. Die Fasern fungieren dabei als Grundstruktur in der Unterhaut (Mitte) sowie im Fettgewebe (rechts). Die roten Punkte repräsentieren die Fettzellen, die sich im Faservlies gebildet haben.

Hauptartikel ISC Fraunhofer

Fraunhofer ISC entwickelt Verfahren für menschliche Organgewebe aus Kunststofffasern

Aus Kunststoff wird lebendige Haut

Dr. Tobias Weigel arbeitet am Translationszentrum für Regenerative Therapien am Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC) in Würzburg.

<a href="http://www.isc.fraunhofer.de" target="_blank">www.isc.fraunhofer.de</a>