Deutschland ist Europas größter Hersteller und Verarbeiter von Kunststoffen. Die deutsche Kunststoffindustrie umfasst entlang der gesamten Wertschöpfungskette die Kunststofferzeuger und -weiterverarbeiter sowie die Maschinenbauer bis hin zu Recyclingunternehmen. Mit einem jährlichen Umsatz von rund 90 Milliarden Euro stellt die Kunststoffindustrie einen Anteil von sechs Prozent an der heimischen Industrieproduktion. So liefert man innovative Produkte und Lösungen für nahezu alle Branchen.

Es ist deshalb auch nicht verwunderlich, dass die deutschen Kunststofferzeuger, die weiterverarbeitenden Industrien sowie die industrienahen Forschungseinrichtungen und Kompetenzzentren auch bei der Forschung und Entwicklung internationale Maßstäbe setzen. Ausländische Unternehmen, die sich am Standort Deutschland ansiedeln, profitieren von diesen Strukturen entlang der gesamten Wertschöpfungskette bis hin zu innovativen Clustern und Forschungseinrichtungen.

70 anwendungsnahe universitäre und außeruniversitäre Forschungseinrichtungen und Kompetenzzentren auf dem Gebiet der Polymer- und Materialforschung sowie über 40 Kunststoff-Cluster und branchenspezifische Kompetenznetze bilden die Infrastruktur für Forschung & Entwicklung. Rund 28 moderne Chemiestandorte und Chemieparks haben sich auf die Polymer-Produktion und auf die weiterverarbeitende Kunststoffbranche spezialisiert. Darüber hinaus werden in Nähe von Kunststofferzeugern zunehmend sogenannte „Korrespondenzstandorte“ für die weiterverarbeitende Industrie entwickelt. Auch fördert das Cluster-Konzept Deutschlands die Zusammenarbeit zwischen Großindustrie und mittelständischen Unternehmen sowie den Forschungseinrichtungen.

Eine Vielzahl an Fördermöglichkeiten sowie unterschiedliche Programme zielen auf die jeweiligen Bedürfnisse der Unternehmen in unterschiedlichen Entwicklungsstufen ab. Die Förderoptionen reichen von direkten Investitionszuschüssen bis zur Bezuschussung von Forschungs- und Entwicklungsvorhaben – dafür hat die Bundesregierung mehr als 15 Milliarden Euro zur Verfügung gestellt. Auch die EU-Kommission fordert zu neuen F&E-Vorschlägen auf und hat im Rahmen des bis 2013 laufenden Programms „FP7″ jetzt die nächste Runde für Vorschlagseinreichungen eingeläutet. Zudem werden Gelder in Höhe von 8,1 Milliarden Euro zur Verfügung gestellt.

Der Verband European Plastics Converters (EuPC, Brüssel, Belgien) weist die Kunststoffverarbeiter auf die Möglichkeiten der Beteiligung an Forschungsprojekten und Konsortien in diesem Rahmen hin. „Mehr als je zuvor sollte sich die Industrie in Europa bei Forschung und Innovation engagieren, um die europäische Wettbewerbsfähigkeit zu erhalten und damit Wachstum und Beschäftigung zu sichern“, erläutert EuPC-Geschäftsführer Alexandre Dangis. Im Juni dieses Jahres hatte die EU-Kommission bereits 80 Milliarden Euro als Mittel für das nächste Rahmenprogramm „Horizon 2020 (2014-2020)“ bekannt gegeben. Auch wird die EuPC weiter versuchen, mit den Möglichkeiten aus diesem Topf Chancen für die F&E der europäischen Kunststoffverarbeitung zu generieren.

Verfahrensentwicklung für die Produktion von Morgen

Das Spritzgießen ist heutzutage das wichtigste Verarbeitungsverfahren zur Herstellung technischer Formteile. Dies ist der Tatsache zu verdanken, dass durch innovative Werkzeug- und Verfahrenstechniken immer mehr Funktionen in ein Produkt integriert werden können und so zusätzliche Montage- oder Nachbearbeitungsschritte entfallen. Damit steigt jedoch die Komplexität der verwendeten Anlagentechnik, da Formteil, Material, Werkzeug, Maschine, Peripherie, Prozessführung und Qualitätssicherung eng auf einander abgestimmt sein müssen. Statt des Wissens um die Funktion einzelner Teilsysteme ist heute daher besonders die Systemkompetenz gefragt. Es muss ein durchgängiges Verständnis aller technischen Zusammenhänge und Wechselwirkungen rund um das Spritzgießen beim Verarbeiter sowie beim Anlagenbauer vorhanden sein. Nicht zuletzt kommt hier das Stichwort Produktionseffizienz zum Tragen.

Die Voraussetzungen um systemkompetent forschen zu können müssen deshalb auch an den entsprechenden Forschungs- und Entwicklungszentren gegeben sein. Ein Netzwerk an begleitenden Unternehmen, eine zeitgemäße technische Ausstattung und nicht zuletzt eine motivierte F&E-Mannschaft sind hierbei die Basis für Entwicklungs-dienstleistungen und Forschungen. In erster Linie orientiert sich F&E heute am Bedarf der Kunden und so wird in Richtung Formteilentwicklung, Werkzeugtechnik, Sonderverfahren, Prozessoptimierung sowie Automatisierung, Prüftechnik und Qualitätssicherung geforscht.

Additive Fertigungsverfahren und photonische Prozessketten

Zum Beispiel ist die Verarbeitung von Faserverbundkunststoffen im Zuge der Elektromobilität verstärkt worden. FVK hat aufgrund seiner einstellbaren Eigenschaften bereits ein breites Anwendungsspektrum in verschiedenen Industriebereichen. Vor allem wegen der gewichtsspezifischen Festigkeiten bei nahezu freier Formgebung lassen sich traditionelle Werkstoffe damit ersetzen. Zudem tragen FVK zu einer materialsparenden und somit ressourcenschonenden Bauweise bei.

Berücksichtigt man, dass das Erzeugen des Verbundmaterials zeitgleich mit der Bauteilfertigung erfolgt, ergeben sich nahezu unbegrenzte Möglichkeiten der Bauteilgestaltung und dem daraus resultierenden Eigenschaftspotenzial. Diese Erfolgsfaktoren bieten unzählige Anreize für Konstrukteure und Gestalter dieses Material auch verstärkt in anderen Bereichen zu nutzen, gerade im Automobilbau oder im Bauwesen. Leider können viele Potenziale dieser Faserverbundkunststoffe bei weitem noch nicht ausgeschöpft werden, da das Wissen um dieses vergleichsweise junge Material noch begrenzt ist. Deshalb wird heute überwiegend noch an einer ganzheitlichen Betrachtung des Einsatzes von Faserverbundkunststoffen ausgehend von der Auswahl und Einstellung der Materialeigenschaften über die Gestaltung von Objekten und Bauteilen bis hin zur technologischen Realisierung von Fertigungs- und Verbindungskonzepten geforscht.

Möglichst kurze Entwicklungszeiten bei der gleichzeitigen Einhaltung hoher Qualitätsstandards sind entscheidende Voraussetzungen für die erfolgreiche Markteinführung innovativer Produkte. Beide Anforderungen unterstützen die sogenannten Additiven Fertigungsverfahren, welche seit mehr als zwei Jahrzehnten das Herstellen dreidimensionaler Objekte direkt aus CAD-Modellen ermöglichen. Nach der Erfindung der Stereolithographie (SLA) im Jahr 1987 wurden weitere neue Prozesse zur Additiven Fertigung wie unter anderem das Selektive Lasersintern (SLS) und das Fused Deposition Modeling (FDM) oder das 3D-Printing entwickelt.

Obwohl diese Technologien in der Vergangenheit zunächst nur zur Herstellung von Prototypen und Funktionsmodellen herangezogen wurden, sollen sie heute immer mehr Anwendungen im Bereich der Kleinserienproduktion finden. Mit den Additiven Fertigungsverfahren lässt sich insbesondere eine effiziente Produktion von Kunststoffteilen in relativ geringer Jahresmenge wie zum Beispiel in den Sektoren der Automobil- und Luftfahrtindustrie oder im Ersatzteilgeschäft erreichen.

Voraussetzungen für eine konstante Produktqualität bei der Herstellung technischer Teile sind eine hohe Reproduzierbarkeit der Prozessparameter und der Materialeigenschaften sowie die Einhaltung akzeptabler Kostengrenzen. Selbst wenn einige Firmen bereits heute solche Verfahren für Ihre Serienproduktion nutzen, ist noch eine Verbesserung der Rentabilitätsschwelle durch Prozessoptimierung und Kostenreduzierung erforderlich, um den Einsatz für eine breitere Palette von Artikeln zu ermöglichen. Zur Unterstützung beim Aufbau von Anlagen für die Additive Fertigung und Erweiterung des Know-hows haben Forschungseinrichtungen den Fokus auf die SLS- und FDM-Verfahren gelegt.

Wie groß das Interesse an diesem Thema ist, zeigte sich auf dem Kongress „Photonische Prozessketten – Die Revolution der Produktion?“ im Rahmen der Euromold. Das Potenzial photonischer Produktionsverfahren ist immens. Um jedoch das volle Potenzial der Photonik für die nächste Generation der Produktion nutzen zu können, müssen Design, Konstruktion, Materialauswahl und Produktionsabläufe als ein ganzheitliches System mit einem durchgängigen Konzept auf optische Fertigungsverfahren und deren Möglichkeiten ausgerichtet werden – also ein Denken in photonischen Prozessketten.

Die Fachvorträge mit den Themen: „Generative Laserfertigungsverfahren – mehr Freiheiten für Form und Individualität“ von Axel Demmer, Sprecher der Fraunhofer Allianz Generative Fertigung, oder „Digital Photonic Production – mit abtragenden Laserfertigungsverfahren zu funktionsgerechten Strukturen“ von Jens Holtkamp, Leiter der Gruppe Mikro- und Nanostrukturierung, Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, Aachen, zeigen auf, dass hier umfangreiche Forschungsarbeiten laufen. Die Anwendungsbreite der Photonik ist in den letzten Jahren stark gestiegen. Daher entstehen Konzepte für vollkommen neue technische Systeme und Fertigungsverfahren, die vorher kaum denkbar waren.

Deutschlands Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Quantenoptik und der maßgeschneiderten photonischen Materialien ist exzellent. Zum Ausbau dieser Stärke gilt es, die bestehende Verbundforschung (BMBF-Forschungsförderung) mit anderen Förderorganisationen wie beispielsweise der Deutschen Forschungsgemeinschaft und der Institutslandschaft der Photonik weiter zu vernetzten. Gleichzeitig soll der frühzeitige Kontakt der Wissenschaft mit der Wirtschaft gefördert werden. Die Photonik bietet zahlreiche Ansätze zur Lösung einer ressourcenschonenden Wirtschaft.

Ausgehend von einer gemeinsamen technologischen Basis verbindet sie unterschiedliche Bereiche wie Produktionstechnik, Energie- und Beleuchtungstechnik, Medizintechnik, Umwelttechnik, Plasmatechnologie, Informations- und Kommunikationstechnik. Die Beherrschung und Nutzung des Photons ist zu einem der wichtigsten Innovationstreiber für die moderne Gesellschaft und Wirtschaft geworden und stellt so heute einen global umworbenen, hoch dynamischen Markt mit einem Umsatzvolumen von 250 Milliarden Euro dar. Und Deutschlands Anteil am Weltmarkt beträgt etwa neun Prozent, in den Leitmärkten Produktionstechnik, Bildverarbeitung und Messtechnik, Medizintechnik und Life Science, Beleuchtungs- und Energietechnik sowie optische Komponenten und Systeme liegt er bei über 17 Prozent.

Aus Sicht der Ressourceneffizienz ist natürlich ein Verkürzen von Prozessketten eine wesentliche Aufgabe für Forschung und Entwicklung. Forschungsbedarf besteht unter anderem beim Selective Laser Melting (SLM), bei der Nutzung nichtlinearer Prozesse für die Volumenmodifikation von Werkstoffen sowie für die Multiphotonen-Polymerisation, beim Strukturieren mit athermischem Abtrag, beim Laserdotieren sowie bei der laserchemischen oder plasmatechnischen Modifikation von Oberflächen. Darüber hinaus sind neue Ansätze zu finden, die über eine vollständige Prozesskontrolle und selbstlernende Maschinenoptimierung ein Höchstmaß an Prozesssicherheit auch bei kleinen Stückzahlen und flexibler Fertigung sicherstellen sollen.

Materialentwicklung parallel zur Verfahrensentwicklung

Technologische Verfahrensinnovationen sind vom richtigen Werkstoff abhängig. Leistungsfähige Kunststoffe bieten im Hinblick auf Energieeffizienz und Leichtbau vielfältige Möglichkeiten. Aus immer mehr Marktsegmenten sind sie heute nicht mehr wegzudenken, etwa im Automobilbau, im Schienen- und Schiffsverkehr, im Bauwesen, in der Luftfahrt, der Elektrotechnik und vielen mehr. „Vor allem bei Kunststoffen findet ein großer Teil der Wertschöpfung in den frühen Phasen der Verfahrensentwicklung statt.

Deshalb ist es wichtig, bereits hier die Hebel anzusetzen“, sagt Professor Holger Hanselka, Institutsleiter des Fraunhofer LBF. Für die Zukunft muss die komplette Wertschöpfungskette abgedeckt werden, auch von der Forschungsseite. Kunststoffe bieten unschlagbar gute mechanische Eigenschaften, woraus ihr immenses Energie- und Ressourceneinspar- sowie Leichtbau-Potenzial resultiert. Insbesondere faserverstärkt, partikelgefüllt, geschäumt oder in Sandwich-Strukturen integriert, können Kunststoffe höchste Belastungen ertragen oder erhebliche Mengen an Energie absorbieren. Auch können sie mit zusätzlichen Funktionalitäten versehen werden, beispielsweise zum Schutz vor Strahlung und Witterungseinflüssen sowie im Interesse reduzierten Brandverhaltens, zur Entwicklung spezieller optischer Eigenschaften, elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, sensorischer und aktuatorischer Funktion oder Selbstheilung.

Eine mit der Bauteil- und Systementwicklung aufs engste verflochtene Kunststoffentwicklung ist hier gefragt, will man schnell, gut und konkurrenzfähig agieren. Nur dann können die permanent steigenden Anforderungen an das Praxisverhalten von Material, Bauteil und resultierendem Gesamtsystem erfüllt, hochwertigen und langlebigen Gütern die geforderte Alterungs- und Versagenscharakteristik sowie Reparaturfähigkeit gegeben oder – in sicherheitsrelevanten Bereichen – eine möglichst autarke Überwachung von Integrität und Funktionsfähigkeit realisiert werden.

Biopolymere sind gefragt

Umweltschutz und Ressourcenschonung gewinnen weltweit zunehmend an Bedeutung und dementsprechend werden Polymere basierend auf nachwachsenden Rohstoffen, wie zum Beispiel Stärke, Cellulose oder Milchsäure als Alternative zu konventionellen, aus Erdöl gewonnenen Kunststoffen nachgefragt. Durch ihren Einsatz können im Vergleich zu konventionellen Kunststoffen Kohlendioxidemissionen reduziert, Erdölreserven geschont und neue Technologien entwickelt werden. Daneben können viele Biopolymere nach der Gebrauchsphase kompostiert werden. Momentan werden Biopolymere vor allem in der Verpackungsindustrie, Medizintechnik und Landwirtschaft aber auch in der Automobilindustrie oder für technische Anwendungen, wie beispielsweise bei Gehäusen für Elektrogeräte eingesetzt. Trotz großem Potenzial sind viele der am Markt verfügbaren Biopolymere ohne weitere Modifizierung nur in einem kleinen Anwendungsbereich einsetzbar. Durch Compoundierung mit geeigneten Zuschlagstoffen können sie jedoch für den jeweiligen Anwendungsfall optimiert werden. Hier sind seit einigen Jahren neben der Materialauswahl und Rezepturoptimierung die Entwicklung und Optimierung der notwendigen Verfahrenstechniken sowie die Herstellung und Charakterisierung der Probekörper nach nationalen und internationalen Normen im Fokus der Entwicklungen.

Angesichts der Verknappung von fossilen Ressourcen und steigender Preise für petrochemische Rohstoffe wird zunehmend nach Lösungen zur Entwicklung von Kunststoffen aus nachwachsenden Rohmaterialien geforscht. Bei den derzeit am Markt erhältlichen weich-elastischen Thermoplasten, wie sie die Gruppe der thermoplastischen Elastomere (TPE) darstellt, handelt es sich jedoch überwiegend um konventionelle Kunststoffe aus petrobasierten Rohstoffen. Einen Teilbereich der TPE stellen die thermoplastischen Vulkanisate (TPV) dar, bei denen ein Kautschuk (meist EPDM) vernetzt und in eine thermoplastische Matrix (üblicherweise PP) eingearbeitet wird. Im Bereich der TPV wurde bislang keine Materialklasse entwickelt, welche überwiegend aus biobasierten Rohstoffen besteht.

Ziel wäre es daher, neuartige thermoplastische Vulkanisate zu entwickeln, welche zu über 90 Prozent aus erneuerbaren Rohstoffen bestehen. Neben der Rezepturentwicklung muss natürlich auch die notwendige Verfahrenstechnik angepasst und die Verarbeitbarkeit des sogenannten Bio-TPV im Spritzgießverfahren untersucht und entwickelt werden. Ein Forschungsprojekt am SKZ zu diesen Themen wird gemeinsam mit den Unternehmen Schleich, Hemer, und Tecnaro, Ilsfeld-Auenstein, im Rahmen des Programmes „KMU-Innovativ“ mit dem Schwerpunktthema „Ressourcen- und Energieeffizienz“ durchgeführt und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt.

Füllstoffe wie Talkum, Kreide, Kaolin, Ruß, Glaskugeln und -fasern, werden üblicherweise in einem Anteil von 20 bis 40 Prozent in Kunststoffen eingesetzt, um spezifische Eigenschaften des Materials zu verbessern oder den Materialpreis zu reduzieren. Im Fokus der SKZ-Aktivitäten stehen deshalb die Prozess- und Rezepturentwicklung von hochgefüllten Kunststoffmaterialien (bis 80 Prozent Füllstoffanteil), die sich zum Beispiel für das Herstellen kunststoffbasierter Terahertz (THz)-Linsen sowie die Entwicklung von tribologischen Werkstoffen und Bauteilen eignen. Hier werden keramische Füllstoffe wie Siliciumcarbid oder Aluminiumoxid eingesetzt.

F&E rund um den Kunststoff unerlässlich

Der noch junge Werkstoff Kunststoff bietet noch so viel Entwicklungspotenzial, dass sich ein umfassender Überblick schwerlich realisieren lässt. Als Zeitschrift für den Kunststoffverarbeiter ist es eine der Aufgaben, den Leser über neueste Entwicklungen und Forschungsarbeiten zu informieren. Natürlich sollte hier der Praxisbezug im Vordergrund stehen. Wir werden deshalb immer wieder von den Kolloquien, Symposien und Fachtagungen der Institute und Einrichtungen berichten, denn F&E ist gerade in der Kunststoffverarbeitung unerlässlich.

„Mehr als je zuvor sollte sich die Industrie in Europa bei
Forschung und Innovation engagieren, um die europäische Wettbewerbsfähigkeit zu erhalten.“

Alexandre Dangis, EuPC Geschäftsführer

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Harald Wollstadt