Immer kürzer werdende Produktlebenszyklen, steigende Anforderungen und der stetig wachsende Wettbewerbsdruck stellen jedoch enorme Herausforderungen für die gesamte Industrie dar, zumal sich auch das gesetzliche Umfeld in den letzten Jahren sehr dynamisch geändert hat. Hier ist das SKZ für die Industrie Forschungs- und Entwicklungspartner. Viele Schritte der Entstehung eines Kunststoffprodukts werden betrachtet – von den Details einzelner Prozesse bis zur gesamten Wertschöpfungskette. Hierzu werden im Institut interdisziplinäre Teams aus Wissenschaftlern mit langjähriger Berufserfahrung gebildet.

Tüftler arbeiten für
bessere Kunststoffprodukte

Waren vor wenigen Jahren fast ausschließlich Kunststoffingenieure mit der Bearbeitung der diversen Fragestellungen betraut, so arbeiten heute auch Chemiker, Physiker, Werkstoffwissenschaftler, Ökonomen, Geoökologen und Maschinenbauer gemeinsam an diesen Herausforderungen. Dies gewährleistet unterschiedliche Betrachtungsweisen und in der Folge optimale Ergebnisse.
Die Auswahl der am SKZ behandelten Themen orientiert sich stark an der Relevanz der Fragestellungen für die kunststoffverarbeitende Industrie. Zur Bearbeitung der unterschiedlichsten Fragestellungen wurden hochmoderne Anlagen installiert, um Produktionsprozesse in industrienahen Maßstab nachstellen und unter technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten optimieren zu können. In den Bereichen: Materialentwicklung, Verarbeitungsverfahren (Compoundieren, Extrusion, Spritzgießen), Fügen, Bauteileigenschaften, Prozessmesstechnik sowie Nachhaltigkeit wird intensiv an der Lösung von industrierelevanten Aufgabenstellungen gearbeitet.

Gezielte Materialentwicklung

Die Aktivitäten rund um Produkte aus Wood Polymer Composites (WPC), also holz-gefüllten Kunststoffen, sind gut geeignet, um die breit aufgestellte Kompetenz und das enge Zusammenspiel der einzelnen Bereiche beispielhaft aufzuzeigen: Die richtige Zusammensetzung eines Kunststoffcompounds ist der erste wesentliche Baustein eines funktionierenden und erfolgreichen Produkts. Bei den Wood Polymer Composites (WPC) ist das SKZ eines der führenden Institute europaweit. Die SKZ-Kompetenz liegt in der Entwicklung von maßgeschneiderten Materialien, die im Spritzguss- oder Extrusionsverfahren verarbeitet und im Innen- beziehungsweise Außenbereich eingesetzt werden können. Durch diverse öffentlich geförderte Projekte sowie durch die enge Zusammenarbeit mit der Industrie wurde ein großer Erfahrungsschatz generiert. Es wird ständig an der Verbesserung des Verarbeitungsverhaltens der Verbundmaterialien gearbeitet, zum Beispiel durch erhöhte thermische Stabilität der Schmelze, Anpassung der Fließ- und Plastifiziereigenschaften und natürlich auch an der gezielten Verbesserung der Materialeigenschaften bezogen auf die spätere Anwendung gearbeitet.
Neben Wood Polymer Composites werden auch Formulierungen für andere polymere Werkstoffe, beispielsweise Thermoplastische Elastomere wie TPE und TPV, für Nanocomposite, flammgeschützte Thermoplaste oder auch für Kunststoffe für Anwendungen in der Medizintechnik entwickelt.

Prozessmesstechnik zur Sicherung
der Produktqualität

Eine auf das Produkt abgestimmte Prozessmesstechnik ermöglicht eine Ausschussreduzierung und lückenlose Dokumentation der Qualität. Dies beginnt bereits bei der kontinuierlichen Überwachung der Dispergiergüte von WPC während der Compoundierung oder Direktextrusion. Das SKZ setzt innovative Messmethoden als Bindeglied zwischen der Grundlagenforschung und der industriellen Nutzung für diese spezifische Anwendung um. So wird die Terahertz- oder Ultraschallmesstechnik für die Kontrolle der Dispergiergüte von WPC forciert, neben der inline-Farbmessung in der Schmelze. Dies bietet eine schnelle Rückmeldung von Abweichungen von definierten Qualitätskennwerten. Beim Spritzgießprozess dient eine innovative inline-Überwachung der ortsaufgelösten Bauteiltemperatur durch Thermografie oder die indirekte Messung des Schneckenvorraumdrucks für eine sichere Prozessführung. Das SKZ gewährleistet mit seinen Tätigkeiten auf dem Gebiet der Prozessmesstechnik, dass die Überwachungsmethoden mit den stetig steigenden Anforderungen an die Qualität und Dokumentation von Produkten und deren Entstehungsgeschichte Schritt halten. Die Entwicklung von Messmethoden zur schnellen Beurteilung von spezifischen Materialeigenschaften dient zudem als Grundvoraussetzung, um Materialentwicklungszyklen erheblich zu reduzieren und so die Entwicklungskosten und -zeiten niedrig zu halten.

Vom Fügen der Halbzeuge bis zur
Lebenszyklusbetrachtung

Die Analyse und Anwendung von Fügeverfahren und entsprechenden Prozess-parametern sowie deren Optimierung und Modifizierung stellen den Schwerpunkt der Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet „Fügen von Kunststoffen“ dar. Hierbei wird annähernd das gesamte Spektrum von Fügeverfahren und zu fügenden Materialien abgedeckt. Beispielsweise wurde das Arbeitsfenster zum Fügen von WPC-Materialien in Ermangelung weltweit fehlender Erkenntnisse grundlegend untersucht. Hierzu konnten sehr gute Ergebnisse für das Heizelementestumpfschweißen erarbeitet werden. Weiterführende Forschungsvorhaben fokussieren das Infrarot-, Ultraschall- und Vibrationsschweißen sowie die prinzipielle Untersuchung der Klebbarkeit von WPC.
Die wachsende Bedeutung von Fragen der Nachhaltigkeit rücken Kunststoffe und Kunststoffprodukte immer mehr in den Fokus. Es wird dadurch zunehmend wichtig, gesamte Lebenszyklen zu betrachten und die ökologischen, ökonomischen und sozialen Aspekte zu analysieren. WPC haben in diesem Zusammenhang eine interessante Ausgangsposition: komplett recycelbar und überwiegend aus nachwachsenden Rohstoffen. Ob ein WPC-Produkt die nachhaltigere Alternative ist, lässt sich nur von Fall zu Fall beantworten, indem man konkrete Daten für den gesamten Lebensweg ermittelt, zum Beispiel: Wie viel Energie wird verbraucht? Wie viel CO2 entsteht? Wie lange hält das Bauteil? Wie hoch ist der Rezyklatanteil? Entscheidend sind hier von unabhängiger Stelle mit wissenschaftlichen Methoden ermittelte Zahlen, da Produkte der Industrie immer stärker von der Öffentlichkeit oder den Kunden unter die Lupe genommen werden. Sind Aussagen zur Umweltfreundlichkeit dann nachprüfbar, schützt dies vor dem Vorwurf des Greenwashing und stärkt die Glaubwürdigkeit des Herstellers.
Die Partner der Kunststoffindustrie hierbei zu unterstützen, ist eine der Aufgaben des Geschäftsbereichs Nachhaltigkeit des SKZ, sei es mit Daten, beispielsweise durch Energie- und Emissionsmessungen oder Instrumenten zur praxisnahen Bewertung der Nachhaltigkeit, wie der Software „Elwood“ für die Bewertung von Terrassenbelägen aus WPC.

Kooperationen für
bessere Kunststoffprodukte

Ergänzt werden die SKZ-eigenen Kompetenzen durch vielfältige Kooperationen mit der Industrie, zum Beispiel mit dem Ziel der Entwicklung optimierter Haftvermittler oder der Entwicklung neuer (Weiter-)Verarbeitungsverfahren, mit Forschungsinstituten, deren Schwerpunkte unter anderem im Bereich der Messtechnik oder der Holzforschung bestehen, sowie mit Verbänden, beispielsweise mit dem Ziel, Forschungsergebnisse schnell in Normen und Richtlinien umzusetzen.
Aus diesen Kooperationen sind Ergebnisse generiert worden, die wahrscheinlich keine Einrichtung allein in entsprechender Qualität hätte schaffen können. Aus der Vernetzung unterschiedlicher Kompetenzen kann folglich – und die Ergebnisse zeigen es eindrucksvoll – mehr geschaffen werden, als durch die sequenzielle Abarbeitung einer Fragestellung an unterschiedlichen Orten. So konnte im Jahr 2009 der renommierte Otto-von-Guericke Preis für die Kooperation des SKZ mit dem Institut für Hochfrequenztechnik der Universität Braunschweig gewonnen werden. Die Gutachter würdigten die eindrucksvolle Zusammenarbeit der beiden Institute. Infolgedessen hat die Terahertz-Technologie einen enormen Schritt von der Grundlagenforschung hin zur industriellen Anwendung gemacht.

Beste technische Ausstattung

Für die experimentellen Arbeiten stehen am SKZ unterschiedlichste Technika zur Verfügung. Ausgestattet mit modernsten Verarbeitungsmaschinen, Fügeapparaturen und Prüfgeräten können hier Projekte von der Idee bis hin zur Pilotproduktion durchgeführt werden.
Im Extrusionstechnikum stehen neben Kleinstcompoundierlinien mit Durchsätzen von wenigen Gramm pro Stunde auch Anlagen zur Herstellung von Produktionschargen von mehreren hundert Kilogramm pro Stunde zur Verfügung. Ergänzt werden diese Linien durch drei Extrusionsanlagen zur Herstellung von Rohren, Profilen und Folien die nahezu industriellen Maßstab aufweisen. Erkenntnisse, die auf diesen Linien gewonnen werden, können folglich meist direkt auf industrielle Prozesse übertragen werden. In direkter Nachbarschaft zum Extrusionstechnikum befinden sich zwei Technika in denen Spritzgießmaschinen mit Schließkräften von 800 bis 5.000 kN untergebracht sind.
Im Kunststoff-Zentrum werden Fragestellungen mit großer praktischer Relevanz rund um die Entwicklung neuer Verfahren, die Optimierung bestehender Prozesse sowie die Abmusterung von Werkzeugen bearbeitet. Darüber hinaus beschäftigen sich die Wissenschaftler mit der Entwicklung von Prüfkörpern für neue Prüfverfahren. Hier übernehmen sie alle Arbeiten – von der Konzeption des Werkzeugs über die Konstruktion bis hin zur Abmusterung desselben und der Herstellung entsprechender Probekörper.
Im Fügetechnikum werden praxisrelevante Fragestellungen zur Herstellung und Prüfung von Fügeverbindungen von Kunststoffteilen und Halbzeugen behandelt. Die Ausstattung gestattet es mithilfe unterschiedlichster Verfahren, angefangen vom Heizelementschweißen über das Muffenschweißen von Rohren bis hin zum Ultraschall- und Extrusionsschweißen eine große Bandbreite von Schweißverfahren, sowie unterschiedlichste Klebeverfahren abzubilden.
Aktivitäten im Bereich der Entwicklung neuer und zerstörungsfreier Prüfverfahren sind in einem weiteren Technikum konzentriert. Hier stehen umfangreiche Einrichtungen zur dynamischen Prüfung von Bauteilen und Halbzeugen sowie zur zerstörungsfreien Prüfung von Materialien und Bauteilen zur Verfügung. Ergänzt werden diese Verfahren darüber hinaus durch die wesentlichen Verfahren zur Prüfung der mechanischen Eigenschaften unter statischer und dynamischer Last.

 

Autor

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Karsten Kretschmer