Der Kunststoffcampus-Bayern ruft zur Zusammenarbeit der Technischen Hochschule (TH) Deggendorf und der Hochschule (HS) Ansbach im TSZ Weißenburg auf, um Synergien zu erzeugen und nach außen ein einheitliches Erscheinungsbild zu vermitteln. Er bündelt Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten der kooperierenden TH Deggendorf sowie Studien- und berufliche Weiterbildungsmöglichkeiten der kooperierenden HS Ansbach, der IHK-Mittelfranken und der Fachschule Weißenburg für Kunststofftechnik und Faserverbundtechnologie unter einem Dach.

Neben dem Technologiezentrum Weißenburg ist auch der Technologiecampus (TC) Hutthurm der TH Deggendorf ein tragendes Element des KCB. Der TC Hutthurm kooperiert mit Forschungs- und Entwicklungsthemen zur Ressourceneffizienz durch Prozessentwicklung, Leichtbau und Materialforschung. Das in Treuchtlingen in unmittelbarer Nähe zu Weißenburg ansässige Unternehmen k3-works, ein eigenständiges Tochterunternehmen der Alfmeier Präzision SE, führt Umwelt- und Lebensdauertests in eigens am KCB gemieteten Labor- und Büroflächen durch.

Der Förderverein des Kunststoffcampus Bayern e.V. fördert und entwickelt den Betrieb des KCB; der Verein schafft und pflegt zusätzliche Kontakte zwischen Wissenschaft, Wirtschaft und Öffentlichkeit insbesondere im Landkreis Gunzenhausen-Weißenburg sowie in der Stadt Weißenburg. Der Vereinsvorsitzende ist Dr. Simon Amesöder, (RF Plast GmbH, Gunzenhausen), der stellvertretende Vorsitzende ist Dr. Karl-Friedrich Ossberger, (Ossberger GmbH & Co. KG, Weißenburg).

Bildnachweis: Roland Platz, Kunststoffcampus Bayern Weißenburg

Im September 2019 und im März 2021 nahmen die beiden neu an die TH Deggendorf berufenen Professoren Dmitry Rychkov und Roland Platz ihre Arbeit als wissenschaftliche Leiter am TZ in Weißenburg auf. Prof. Rychkov vertritt das Lehrgebiet „Nachhaltige Kunststofftechnik“; seine Schwerpunkte liegen in funktionsintegrierten und funktionserweiternden Werkstoffen. Beispiele sind elektroaktive Polymerfolien, elektr. Isolationsmaterialien/ Compounds, Aktuatoren, Sensoren. Ferner engagiert sich Prof. Rychkov für die Kreislaufwirtschaft in der Kunststoffindustrie. Prof. Platz vertritt das Lehrgebiet „Bewegungsdynamik und Konstruktion“; sein Schwerpunkt liegt in der Zustandskontrolle strukturdynamischer Systeme. Beispiele sind die Identifikation und Simulation der Belastungsspektren lasttragender Systeme wie z. B. für Rahmen- und Lagerstrukturen, Feder-Dämpfer-Systeme im Maschinenbau, Tragwerksstrukturen im Bauingenieurwesen, die Schwingungs-, Stabilitäts- und Lastumleitungs­kontrolle eben solcher Systeme sowie die Bewertung von Daten- und Modellunsicherheit.

Gemeinsam fokussieren sich die beiden Arbeitsgruppen auf die Weiterentwicklung von Herstellungsverfahren, Strukturintegration sowie Verifikation und Validation in der frühen Entwicklungsphase von Kunststoffbauteilen und -systemen. Daraus leitet sich ein breites Angebot von Dienstleistungen ab.

Ab dem Sommersemester 2025 startet am Technologie- und Studienzentrum in Weißenburg der neue Masterstudiengang Sustainability in Polymer Technology.

Vom Design, der Produktentwicklung und -prüfung über die Produktion hin zum Recycling werden in diesem Masterstudiengang alle Bereiche der Polymertechnik abgebildet. Neben der Bedeutung der Wiederverwertung und Aufbereitung steht auch die Nachhaltigkeit als Leitprinzip während des gesamten Produktlebenszyklus und darüber hinaus im Mittelpunkt.

Am Technologie- und Studienzentrum der Technischen Hochschule (TH) Deggendorf in Weißenburg findest du dank der einzigartigen und hochmodernen Ausstattung die ideale Lernumgebung, zahlreiche Möglichkeiten zur praktischen Vertiefung und wertvolle Anknüpfungspunkte zu Forschung und Industrie.

Weitere Informationen unter:

https://www.th-deg.de/spt-m

Um die Anliegen und Interessen des kunststoffcampus bayern bestmöglich nach außen zu tragen und zu unterstützen, wurde im Februar 2015 ein Förderverein auf Initiative des Landkreises sowie den Unternehmern Dr. Simon Amesöder, Gunzenhausen, und Dr. Karl-Friedrich Ossberger, Weißenburg, aus der Taufe gehoben.

Der Zweck des Vereins besteht in der Förderung der Entwicklung und des Betriebs des „kunststoffcampus bayern - Technologie- und Studienzentrum", welcher bekanntlich am 27. März 2015 offiziell eingeweiht wurde.

Ziel des Vereins ist es, Mittel zur Förderung von Wissenschaft und Forschung, der Berufsbildung und der akademischen Aus- und Weiterbildung zu generieren. Dies soll u.a. durch die Schaffung eines Dialogklimas zwischen Wissenschaft und Wirtschaft, durch die finanzielle Unterstützung und Durchführung wissenschaftlicher Veranstaltungen sowie durch die Initiierung und den Ausbau von Kontakten zu relevanten Einrichtungen auch außerhalb der Region Altmühlfranken realisiert werden.

Um die Anliegen und Interessen des Projekts kunststoffcampus bayern bestmöglich nach außen zu tragen und zu unterstützen, wurde im Februar 2015 ein Förderverein aus der Taufe gehoben.

Alle natürlichen oder juristischen Personen, die sich mit den Zielen des kunststoffcampus bayern identifizieren, sind als neue Mitglieder herzlich willkommen.

Zusammensetzung des Vereins:

Vorsitzender: Dr. Simon Amesöder, RF Plast GmbH
Stellvertretender Vorsitzender: Dr. Karl-Friedrich Ossberger, Ossberger GmbH + Co KG.
Schatzmeister: Rudolf Dürr, SWR Dürr Albrecht Körzendörfer Partnerschaft
Schriftführerin: Sabine Unterlandstaettner, Zukunftsinitiative altmühlfranken

Weitere Vorstandsmitglieder:
- Andre Baumann, Verpa Folie Gunzenhausen GmbH
- Andreas Gebhardt, SMA Holding GmbH
- Harald Höglmeier, HP-T Höglmeier Polymer-Tech GmbH & Co. KG
- Michael Meyer, m3profile GmbH Kunststoffverarbeitung
- Klaus Rößler, Schnitzer Group GmbH & Co. KG

Für weitere Informationen und Mitglieder des Fördervereins stehen folgende Links zur Verfügung:

https://www.kunststoffcampus-bayern.de/foerderverein/

https://www.kunststoffcampus-bayern.de/mitglieder-des-foerdervereins/

In der Kunststoffverarbeitung ist zunächst die Aufbereitung notwendig, um aus dem Kunststoffrohstoff eine verarbeitbare Kunststoffmasse herzustellen, z. B. Zerkleinern (Granulieren, Mahlen) sowie Mischen im festen und im plastischen Zustand. Zuschlagstoffe aus Additiven und Füllstoffen werden i. d. R. bis zu 50% dem Kunststoff zugegeben mit dem Ziel, diese möglichst homogen in der Masse zu verteilen und die gewünschten mechanische, thermische, chemischen und elektrischen Eigenschaften in den Kunststoffprodukten zu realisieren.  Beim Plastifizieren wird die trocken vorgemischte Kunststoffmasse aufgeschmolzen und während Knetens über Ein- oder Mehrfachschneckensysteme weiter homogenisiert. Nach der Aufbereitung werden Kunststoffprodukte i.d.R. in hohen Stückzahlen über klassische Herstellungsverfahren wie Formpressen, Spritzgießen und Blasformen, sowie Extrudieren, Schäumen, Kalandrieren, Rotationsformen, usw. zu Bauteilen, Folien, Schäumen, Isolierungen, Verpackungen etc. weiterverarbeitet. Die am häufigsten in den klassischen Verfahren zu Produkten verarbeitete Kunststoffe sind Thermoplaste aus Kohlenwasserstoffverbindungen wie Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyvinylchloride (PVC) und Polyethylen-Terephthalat (PET).

2K-Spritzgießmaschine                                                          Zweischneckenextruder                                                                        Plasmaanlage

2K-Spritzgießmaschine KM CXL 130-750/380

Zweischneckenextruder KM ZE 25Ax45D

Miniextruderlinie EXS-AN-0100

Feuchtemessgerät Aquatrac-3e

Strahlmaschine

Arburg Trockner Thermolift 100-3

Mobiler Trockner Simar KTX120-102

Laserschneidmaschine

Plasmaanlage Plasma Coat PCU3D

Additive Fertigungsverfahren bzw. Kunststoffschmelzschichtverfahren gewinnen in der  Kunststoffverarbeitung gegenüber   den klassischen Herstellungsverfahren seit den 1990er Jahren  zunehmend und weltweit an Bedeutung unter dem Begriff   Fused Depostion Modeling (FDM). Gegenüber den klassischen Verfahren erlaubt FDM generell die individuelle Maßfertigung,   hohe Flexibilität in der   Formgebung und geringe Produktionskosten ohne nennenswerte Einschränkungen bei der Herstellung  komplexer geometrischer Formen thermoplastischer Kunststoffprodukte. Niedrige Stückzahlen  individualisierter Produkte   können wirtschaftlich hergestellt werden. Schließlich ermöglicht FDM die Kombination mit Zuschlagstoffen aus Additiven und   Füllstoffen für die Funktionsintegration von erweiterten   mechanischen, thermischen, chemischen und elektrischen  Eigenschaften,  z. B. mit Aluminiumoxid, Glasfaser,   Eisenpartikel, Flugasche/Rußpartikel und Kohlenstofffasern oder  Kohlenstoffnanoröhrchen.

Das Fused Granular Fabrication (FGF) Verfahren ist ein spezielles FDM-Verfahren, das ohne die Herstellung   von Filamenten als  Vorprodukt für die additive Herstellung von Kunststoffverbunden (Compounds), wie es   beim weiter verbreiteten Fused   Filament Fabrication (FFF) Verfahren der Fall ist, auskommt. Das Kunststoffgranulat (1) wird durch den Vortrieb mit einer   Extruderschnecke (2) durch eine beheizte Zone (3) aus drei Heizbändern plastifiziert und tritt durch die Extruderdüse (4) zum   schichtweisen Aufbau von Strukturen (6) auf einer beheizten Plattform (5) aus.

Durch den Verzicht auf das Filament als Zwischenprodukt vereinfacht sich beim FGF-Verfahren die Herstellung additiv  gefertigter Compounds, die einen unterbrechungsfreien Prozess von der Mischung von Granulaten mit Zuschlag-stoffen sowie   Masterbatches oder Farbpigmentpulver, Auf-schmelzen, Fördern und Drucken zu Kunststoffbauteilen zulässt. Damit ist es   möglich, recycelte Kunststoffgranulate, -pellets oder -flakes direkt zu verarbeiten. Ein zu-sätzlicher Herstellungsprozess eines Filaments aus Granulaten wie fürs FFF-Verfahren ist nicht nötig.                                                                                                                                                                                                                                           Realisierter 3D-Drucker

Derzeit erforscht die Gruppe Varianten zur Prozessregelung des 3D-Druckers, um typische Produktionsfehler beim FGF-Verfahren             zu minimieren und die Homogenität der hergestellten Compounds zu maximieren bzw. sie maßgeschneidert realisieren.

Granulat-3D-Druck (T-REX 0609) (Entwicklung am TZ Weißenburg)

3D-Drucker Felix Pro 2

Investition wurde von der Europäischen Union durch den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung kofinanziert.

3D-Drucker Raise3D Pro2

Trockenschrank FED115

Trockner Aufsatzsystem

Schnittbild zum Aufbau des 3D-Druckers

Die Qualität und Sicherheit von Kunststoffprodukten sind von größter Bedeutung. Unzureichende Werkstoffe oder fehlerhafte Bauteile können nicht nur teure Produktionsausfälle verursachen,  sondern  auch die Sicherheit gefährden. Deshalb ist die Werkstoff- und Bauteilprüfung ein entscheidender Schritt in der Produktentwicklung und -herstellung.

Das TZ Weißenburg besitzt hierfür modernste Technologien und fortschrittliche Prüfverfahren, um den höchsten Qualitätsstandard zu entsprechen. Die Reproduzierbarkeit von den Messergebnissen ist maßgeblich von der Güte der Probekörper abhängig, wofür diverse Maschinen zur Probenpräparation zur Verfügung stehen, um die entsprechenden Prüfungen durchzuführen. Die Untersuchungen können sowohl an Probekörpern als auch an Bauteilen durchgeführt werden.

Universalprüfmaschine

Schnellbewitterungsgerät QUV

Xenon Prüfkammer Q-Sun Xe-1

Klima- / Temperaturschockschränke

Pendelschlagwerk

Schmelzindex-Prüfgerät MeltFloW

Investition wurde von der Europäischen Union durch den Europäischen Fonds für regionale  Entwicklung kofinanziert.                                                                                                                                                       Universalprüfmaschine

Härteprüfmaschine Nova360

Härteprüfmaschine Digitest II Bareiss

Schleif- und Poliermaschine LAPO5

Tischtrennmaschine Labotom-5

Ultraschall-Reinigungsgeräte
 

Die Mikroskopie und Analytik von Kunststoffen ermöglichen einen tiefen Einblick in ihre Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften. Mit Hilfe von hochauflösenden Mikroskopen können Defekte, Verunreinigungen und Unregelmäßigkeiten erkannt werden, die die Qualität beeinflussen können. Die thermische und chemische Analyse von Kunststoffen ist entscheidend, um ihre Zusammensetzung und Eigenschaften zu bestimmen. Mit Techniken wie der Infrarotspektroskopie können wir die chemische Struktur von Kunststoffen entschlüsseln. Dadurch können wir sicherstellen, dass die richtigen Materialien verwendet werden und Qualitätsstandards eingehalten werden.

Die Mikroskopie und Analytik von Kunststoffen deckt verschiedene Bereiche, wie Qualitätskontrolle, Fehleranalyse, Materialentwicklung ab.

FT-IR Mikroskop und Spektrometer

Investition wurde von der Europäischen Union durch den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung kofinanziert.

Differenzkalorimeter - DSC 214 Polyma

Investition wurde von der Europäischen Union durch den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung kofinanziert.

Thermogravimetrie - TGA TG 209 F1 Libra

Investition wurde von der Europäischen Union durch den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung kofinanziert.

Lichtmikroskop Keyence VHX5000

Investition wurde von der Europäischen Union durch den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung kofinanziert.                             Lichtmikroskop Keyence VHX5000

Spektralphotometer Konica-Minolta CM-5

Rheometer 102e

Wärmeleitfähigkeitsmesser

Mobile Surface Analyzer Krüss

Thermoanalysator Triton DMA 2000

Der Schwerpunkt liegt in der geregelten Zustandskontrolle funktionsintegrierter strukturdynamischer Systeme. Beispiele sind die Identifikation und Simulation der Belastungsspektren lasttragender Systeme wie z. B. für Rahmen- und Lagerstrukturen, Feder-Dämpfer-Systeme, Tragwerksstrukturen, die Schwingungs-, Stabilitäts- und Lastumleitungskontrolle eben solcher Systeme sowie die Bewertung der Zuverlässigkeit sowie der Daten- und Modellunsicherheit durch numerische Verifikations- und experimentelle Kalibrierungs- und Validierungsverfahren nach Bayes-Inferenzmethoden.

                                                                                                                                                                                             Verbindung eines Schwingspulenaktuators (Voice Coil Actuator) mit                                                                                                                                                                                                     einer oszillierenden Masse und Kraftsensor für                                                                                                                                                                                                                               die Simulation der passiven und aktiven Schwingungsisolierung                   

Die Wahrnehmung von Kunststoffen in der Öffentlichkeit ist sehr stark von ihren Umweltaspekten geprägt.

So stehen sie bei Verpackungsmaterialien im Vordergrund, die für Mikroplastik, Treibhausgase und die allgemeine Wegwerfgesellschaft verantwortlich sind. In Fachkreisen werden Kunststoffe in erster Linie nur als  Konstruktionsmaterialien gesehen. Kunststoffe können jedoch viel mehr. Durch deren elektroaktiven Eigenschaften können Kunststoffe zu Smart Materials werden. Z. B. durch die Verankerung elektrischer Ladungen auf der Oberfläche können Polymerfolien sensorische und aktuatorische Eigenschaften bekommen.  Solche elektromechanischen Wandler werden heute in der mobilen Elektronik, der Automobilindustrie und der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt. Die dazugehörigen Prozesse und Mechanismen der Ladungsspeicherung und des Ladungstransports werden am TZ Weißenburg mithilfe modernster Messtechnik untersucht.

                                                                                                                                                                               LCR-Meter (Instek) & Digitalmultimeter (Keithley)

LCR-Meter Instek LCR-821

6,5 Digit Digitalmultimeter Keithley DMM6500

Hochspannungsverstärker TREK Model 5/80

Hochspannungsverstärker TREK Model PD 0531

Präzisionheizplatte Präzitherm PZ35

Heizpresse Vogt LaboPress P200S

Laserschneider Makeblock Laserbox MLP-K503-40W   

• Titel des Vorhabens:

                  "Neue Werkstoffkonzepte für Kunststoffplatten-Wärmetauscher zum Aufbau innovativer Wärmepumpen-Heizungssysteme (WärmeKunst)"

• Fördermittelgeber: Bayrische Forschungsstiftung
• Kooperationspartner: JuraKälte GmbH & noris plastic GmbH
• Laufzeit: 01.07.2024 - 30.06.2027 (36 Monate)

Wissenschaftliche Kurzfassung

Die Wärmepumpentechnologie kann niedrige thermische Energie aus der Umwelt gewinnen, um Gebäude effizient zu heizen oder zu kühlen und so die beiden großen Probleme der Energieknappheit und der Umweltverschmutzung bis zu einem gewissen Grad zu lindern. Ein wichtiger Teil des modernen Wärmepumpensystems, der dessen Effizienz und Kosten beeinflusst, ist der Wärmetauscher. Das Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines Technologiekonzepts zur Herstellung von kosten- und energieeffizienten Plattenwärmetauschern auf Kunststoffbasis.

Projektbeschreibung

In diesem Projekt wird ein Technologiekonzept zur Herstellung von kosten- und energieeffizienten Wärmetauschern für modernen Wärmepumpen-Heizungssysteme entwickelt. Die Hauptprojektidee besteht darin, herkömmliche Wärmetauscher aus Edelstahl oder Kunststoffrohren vollständig durch Polymerplatten mit extrudierten Kanälen zu ersetzen. Solche Kunststoffplatten haben einen um ein Vielfaches geringeren CO₂-Fußabdruck, sind kostengünstiger in der Herstellung, beim Transport und bei der Installation und können anschließend leicht recycelt werden.

Dies stellt sehr hohe Anforderungen an die Materialeigenschaften der Kunststoffplatten. Die Materialien müssen mechanisch stabil und gleichzeitig robust gegen äußere Einflüsse wie Hitze, Kälte, Feuchtigkeit und UV-Belastung sein. Außerdem muss die von Natur aus geringe Wärmeleitfähigkeit solcher Materialien erhöht werden, um eine möglichst hohe Entzugsleistung zu erzielen. 

Die Entwicklung des Technologiekonzepts beinhaltet die Untersuchung und gezielte Steuerung aller relevanten Materialeigenschaften, Auslegung und Konstruktion von Wärmetauscherplatten sowie Konstruktion von Werkzeugen, Vorrichtungen und Hilfsmitteln zur Herstellung der Wärmetauscherplatten. Parallel wird die Möglichkeit für den Einsatz von „postconsumer“ und „postindustrial“ Rezyklaten für die Herstellung von Wärmetauscherplatten untersucht. Die entwickelten technologischen Ansätze werden für die Fertigung von Demo-Plattenwärmetauschern verwendet, die unter realen Bedingungen in Wärmepumpen-Heizungsanlagen geprüft und validiert werden.

Bild: Wärmetauscher [Quelle: Jura – Kälte GmbH]; (a) Edelstahl; (b) Kunststoffrohre                      Bild: Konzept für die Konstruktion der Wärmetauscherplatte

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Prof. Dr. Dmitry Rychkov

• dmitry.rychkov@th-deg.de
• +49(0) 9141/874669-201

• Titel des Vorhabens:

                  "Mikroskopische Mechanismen der Ladungsstabilisierung in elektrisch geladenen Fein-Faser-Elektretmaterialien (MIKROLAST-EFFEKT)"

• Fördermittelgeber: Bayrische Forschungsstiftung
• Kooperationspartner: IREMA Filter GmbH
• Laufzeit: 01.10.2022 - 31.09.2025 (36 Monate)

Ausgangssituation und Zielsetzung

Die zur Bekämpfung von Viruserkrankungen wie die Covid-Pandemie eingesetzten Atemschutzmasken und Luftfilter müssen elektrisch aufgeladen werden, um eine hohe Filterwirkung zu erzielen. Die gängigen Materialien haben jedoch eine sehr geringe Ladungsstabilität. Im Projekt sollen neue und effiziente Methoden zur Ladungsstabilisierung in Filterfasern erforscht und entwickelt werden.

Vorgehensweise / Methoden

Beim Meltblown-Verfahren wird geschmolzenes Polymer über Düsen zu feinen Filter-Vliesen umgewandelt. Um die hohe Filtrationseffizienz zu erreichen, müssen die Vliese elektrisch aufgeladen werden. Durch eine geringe Ladungsstabilität in üblichen Meltblowns lässt die Filtrationseffizienz relativ schnell nach. Das Ziel dieses Projektes ist die Untersuchung der molekularen Mechanismen der Ladungsspeicherung in Meltblownfasern. Darauf aufbauend sollen Methoden zur Erhöhung der Ladungsdichte und zur Ladungsstabilisierung entwickelt werden. Die Hauptprojektidee beinhaltet eine gezielte Steuerung der Ladungsstabilität und der Ladungsdichte in elektrostatisch aufgeladenen Polymerfasern durch eine Kombination von physikalischen und chemischen Methoden. Dabei werden Folien, einzelne Fasern und Meltblown-Vliese in Koronaentladung aufgeladen und die Entladungsprozesse werden unter Einfluss von externen Faktoren wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Lösungsmitteldämpfe systematisch untersucht. Damit gewonnene Kenntnisse über den Ladungstransport werden für die Entwicklung von Ladungsstabilisierungsmethoden eingesetzt. Auf mikroskopischer Ebene bedeutet es, dass die Ladungsträger selektiv in tiefen Haftstellen gespeichert werden und die Polymermaterialien so modifiziert werden, dass zusätzlich zu den bestehenden Haftstellen neue tiefe Haftstellen entstehen. Die beiden Lösungswege werden durch thermische Behandlung, Optimierung der Ladungsprozesse, Oberflächenmodifizierung von Vliesen und Granulat und durch Zugabe von Additive mittels Compoundierung realisiert. Die entwickelten technologischen Ansätze werden für die Fertigung von seriennahen Demofiltervliesen verwendet, die unter Serienbedingungen in Meltblown-Prozessen geprüft und validiert werden.

Ergebnisse

Die im Projekt zu erwartende Ergebnisse und die wichtigsten Innovationsmerkmale können wie folgend formuliert werden:

- Wissenschaftlich fundierte und gezielte Steuerung der Materialparameter durch eine Kombination aus physikalischen und chemischen Behandlungsmethoden.

- Zum ersten Mal werden Methoden der Oberflächenbehandlung eingesetzt, um die Ladungsspeicherung in Meltblownmaterialien zu verbessern.

- Es wird nicht nur die Konzentration, sondern auch die Tiefe der Haftstellen erhöht. Dadurch wird die Stabilität und die Dichte der gespeicherten Ladungen erhöht und dementsprechend auch die Filtrationseffizienz verbessert.

- Neue und tiefere Haftstellen auf den Faseroberflächen machen die Filter resistenter gegen die Umwelteinflüsse wie Luftfeuchtigkeit oder Chemikaliendämpfe. Letztere sind besonders von Bedeutung in der Medizintechnik.

Fazit / Ausblick

Aus dem Projekt soll ein Technologiekonzept zur Herstellung von synthetischen Filtermedien mit herausragenden Eigenschaften hervorgehen. Darüber hinaus können die elektrisch aufgeladenen Vliese auch piezoelektrische Eigenschaften aufweisen. Dies eröffnet neue Perspektiven für die Anwendung dieser Materialien im Bereich der Aktorik und Sensorik. Besonders interessant sind die Anwendungen im Bereich des Energy Harvesting, für das leichte und formkonforme Vliese zum Zwecke der Energierückgewinnung eingesetzt werden können. Ein weiterer Bedarf an temperaturstabilen Elektretfiltern besteht bei der Filtration von Mikroplastik sowie bei der Abriebpartikelfilterung im Automobilbereich. Die oben genannten Anwendungen sind nur dann sinnvoll oder gar möglich, wenn eine hohe Ladungsstabilität vorhanden ist. In diesem Sinne werden die Projektergebnisse neue Verwendungsbereiche für bereits etablierte Technologien eröffnen.

Bild: Aufladen in der Koronaentladung, thermisch-stimulierte Entladung von Folien und Vliesen

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Prof. Dr. Dmitry Rychkov

• dmitry.rychkov@th-deg.de
• +49(0) 9141/874669-201

Dr. Anna Guliakova

• anna.guliakova@th-deg.de
• +49(0) 9141/874669-205

M.Sc. Dominik Weiß

• dominik.weiss@th-deg.de
• +49(0) 9141/874669-214

• Titel des Vorhabens: 

                  "Flüsterseile - Leiterseiloberflächen"

• Kooperationspartner: Amprion GmbH
• Laufzeit: 01.04.2024 - 31.03.2025 (12 Monate)

               Bild: Nahaufnahme

In der heutigen Energie- und Klimapolitik spielt die Einbindung der erneuerbaren Energien, sowie die steigende Nachfrage nach elektrischer Energie eine zentrale Rolle. Dafür ist der Ausbau der Kapazität des elektrischen Energieversorgungsnetzes und die Erneuerung und effiziente Nutzung bereits vorhandener Systeme notwendig. Im Übertragungsnetz, sowie im Verteilnetz wird der grösste Teil der Energie mithilfe von Freileitungen übertragen. Allerdings sinkt die Akzeptanz für Freileitungen innerhalb der Bevölkerung stetig, wodurch sich die Umsetzung im Neubau erschwert und langwierig gestaltet. Ein signifikanter Kritikpunkt an Freileitungen sind die Geräuschemissionen, welche bei schlechtem Wetter auftreten können. Aus diesem Grund ist in den letzten Jahren das Interesse von Energienetzbetreibern an einer Reduktion der Geräusche stark gestiegen.

Die Geräuschemissionen sind eine Folge von Coronaentladungen an der Leiterseiloberfläche. Die Entladungen treten an Feldüberhöhungen durch anlagernde Wassertropfen an der Leiterseil-oberfläche auf. Um eine Verringerung der Geräuschemission zu erreichen, muss die Oberflächenbeschaffenheit der Leiterseile verändert werden. Die Entwicklung sogenannter Flüsterseile wird bereits von einigen Leiterseilherstellern vorangetrieben, in der Regel sind dies Oberflächenbehandlungen, die die Rauigkeit der Oberfläche erhöhen. Die damit erreichbare Verringerung der Geräuschemission ist jedoch für die Netzbetreiber bisher nicht genügend. Am TZ Weißenburg wird untersucht, welcher Einfluss die Oberflächenbehandlungen auf die Geräuschemission haben, und ob alternative Methoden zur Beschichtung von Leiterseiloberflächen mit Kunststoffen oder ähnlichen Materialien entwickelt werden können.

          Bild: Kabeltrommel                                                                   Bild: Seil mit Tropfen

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Prof. Dr. Dmitry Rychkov

• dmitry.rychkov@th-deg.de
• +49(0) 9141/874669-201

Dieses Projekt wird aus dem Europäischen Sozialfonds gefördert.

• Titel des Vorhabens:

                 "#DieWirkt - Die Weiterbildungsinitiative ressourcenschonende Kunststofftechnik"

• Maßnahmen-ID: StMBW-W-IX.4-6-210039
• Laufzeit: 01.07.2021 - 31.12.2022

Das Thema „Kreislaufwirtschaft in der Kunststoffindustrie“ wird in naher Zukunft entscheidender für den unternehmerischen Erfolg.

Dementsprechend muss der Fokus intensiver auf ressourcenschonende und umweltbewusste Entwicklung und Produktion gerichtet werden.

Die Weiterbildungsinitiative ressourcenschonende Kunststofftechnik (#DieWirkt) soll kleinen und mittelständischen Industrieunternehmen kostenfrei den Zugang zu den Schwerpunkten „Nachhaltigkeit“, „Recycling“ und „Kreislaufwirtschaft“ erleichtern. Hierfür werden die Technische Hochschule Deggendorf (THD) am Standort Weißenburg und die IHK Akademie Mittelfranken als Vermittler von themenspezifischem Wissen sowie Praxiserfahrungen agieren und es können entsprechende Zertifikate durch regelmäßige Teilnahme erworben werden. Das Weiterbildungskonzept orientiert sich am Zyklus der Kreislaufwirtschaft, damit Verknüpfungen zwischen den Kunststofffeldern „Design“, „Produktion“, „Nutzung“ und „Recycling“ entstehen. Alternative Angebote ermöglichen auch bei weiterhin angespannter Pandemie-Lage eine erfolgreiche Durchführung des Projektes.

Industrieunternehmen sind essentiell für die Umsetzung der Ziele im Rahmen des „europäischen Green Deal“. Durch konkrete Maßnahmen müssen Unternehmen weiter gestärkt und im Transformationsprozess unterstützt werden. Als Mitglied im Bundesverband mittelständische Wirtschaft e.V. (BVMW) sind wir daran interessiert zwischen den kleinen und mittelständischen Unternehmen den Wissenstransfer entsprechend anzustoßen. In einer Kooperation mit dem BVMW wird zu Beginn des Förderprojektes herausgearbeitet, welche Themenfelder auf großes Interesse stoßen. Somit ist es den Teilnehmern möglich die Lerninhalte für die verschiedenen Weiterbildungsfelder im Rahmen von #DieWirkt mitzugestalten. Hierfür suchen wir aktuell Unternehmen und Kooperationspartner aus den verschiedenen Phasen des Produktzyklus, um eine funktionierende Kreislaufwirtschaft für Menschen, Regionen und Städte zu initiieren.

Projektziele

#DieWirkt soll die regionale klein- und mittelbetrieblich ausgerichtete Wirtschaftsstruktur über den Dialog mit Verbänden und Forschung vernetzen und den Wissenstransfer unter allen Beteiligten fördern:

• Potentiale für Transformation zu mehr Nachhaltigkeit finden
• Impulse für die innerbetriebliche Organisation der Kreislaufwirtschaft setzen
• Initiierung und Kommunikation von Good-Practice Beispielen
• Gemeinsam Handlungsempfehlungen für die Politik entwickeln

Termine der Netzwerktätigkeiten

• 13.07.2021 - Auftaktveranstaltung
• 10.08.2021 - Workshop Rezyklate
• 14.09.2021 - Workshop Wertschöpfung
• 12.10.2021 - Seminar Kunststoffverpackungen
• 09.11.2021 - entfallen
• 14.12.2021 - Workshop "Systemchange" mit Andreas Jenne
• 11.01.2022 - Virtuelles Netzwerktreffen
• 08.02.2022 - Marketing/Kommunikation: Die eigenen Stärken gut platzieren
• 08.03.2022 - Standardisierung und Digitalisierung mit Christian Schiller (cirplus) und Felix Philipp (SYSTEMIQ)
• 26.04.2022 - Exkursion zur Barthmann Kunststoff Recycling GmbH
• 10.05.2022 - Start-Ups präsentieren Ideen der nachhaltigen Kunststofftechnik
• 14.06.2022 - Paneldiskussion - Dialog zwischen Politik, Verband, Wirtschaft und Wissenschaft
• 02.07.2022 - Info-Tag am kunststoffcampus mit FragFritz! der TU Clausthal
• 12.07.2022 - Materialflusskostenrechnung mit dem Ressourceneffizienz-Zentrum Bayern
• 13.09.2022 - Exkursion zur Sysplast GmbH
• 11.10.2022 - Workshop „Circular Design“
• 08.11.2022 - Zirkuläre Geschäftsmodelle etablieren - wie rechnet sich die Transformation?
• 13.12.2022 - Abschlussveranstaltung

Für weitere Informationen sprechen Sie uns an oder besuchen Sie uns unter www.kunststoffcampus-bayern.de!

Prof. Dr. Dmitry Rychkov

• dmitry.rychkov@th-deg.de
• +49(0) 9141/874669-201

• Titel des Vorhabens:

                  "Entwicklung von metallisierten 3D-Grundkörpern zur Aufbringung von elektrischen Leiterbahnen auf beliebigen

                   Freiformflächen ohne nasschemische Prozesse zur Herstellung von LED Lampen"

• Förderkennzeichen: ZF4647001LT8
• Kooperationspartner: DOTLUX GmbH
• Laufzeit: 01.01.2019 - 31.12.2021 (36 Monate)

Ausgangslage und Marktbedarf

Traditionelle Lampen werden immer mehr durch moderne Lichtquellen auf Halbleiterbasis ersetzt. Sie zeichnen sich durch eine deutlich höhere Energieeffizienz und Leistungsfähigkeit aus. Dabei haben sich die Lichtemittierenden Dioden in den letzten Jahren zu einer breit verfügbaren Alternative für fast alle Beleuchtungslösungen entwickelt. Im Vergleich zur klassischen Glühlampe besitzen die LEDs eine deutlich bessere Öko-Bilanz, schonen die Umwelt und sparen somit Strom und Geld ein.

Die Schaltungsträger vieler LED-Lampen basieren derzeit auf einem 2D Layout, wie zum Beispiel die Retrofit LED Straßenlampe (siehe Abbildung) der Firma Dotlux GmbH im bayerischen Weißenburg. Zur Erzeugung von hohen Abstrahlungswinkel müssen mehrere Leiterplatten in aufwendigen Montageschritten auf einem Sockel kreisförmig ausgerichtet werden. Das Schaltungslayout sowie die dazugehörigen Bauelemente (LEDs, Widerstände, Dioden, usw.) werden hierzu jeweils auf separate 2D-Leiterplatten aufgebracht. Zur Ableitung der entstehenden Wärme müssen aktuell die einzelnen Leiterplatten mithilfe von Wärmeleitpaste auf einen zentralen Kühlkörper montiert werden. Der Herstellungsprozess der benötigten 2D Leiterplatten ist aufgrund des Einsatzes von Ätzchemie nicht umweltfreundlich zudem ist der gesamte Montageprozess der Lampen insgesamt zeitaufwendig.

Mit einem innovativen Trockenfertigungsverfahren, der sogenannte Direktmetallisierung, werden mit der Kombination aus Spritzguss, Siebdruck sowie der Laser- und Plasmatechnologie elektronisch leitfähige Bahnen direkt auf thermoplastische Oberflächen aufgebracht. Bei diesem Prozess werden keine gesundheitsschädlichen Produkte wie z.B. Ätzmittel (Eisen-3-Chlorid, Aminiumpersulfat) bzw. Kupfer zur Aufbringung der Leiterbahnen benötigt. Die Bauteile werden zudem meist aus rezyklierbaren Thermoplasten hergestellt und sind somit unkritisch bei der Entsorgung.

Definition geforderter Eigenschaften

Gemeinsam mit dem Projektpartner wurden die Eigenschaften des Materials des Lampenkörpers definiert, wobei verschiedene Faktoren berücksichtigt werden mussten. Einerseits sollte neben der guten Compoundierbarkeit der Rohmaterialien auch die Möglichkeit der Beschichtung mit einer Haftung von mindestens 1,1 N/mm erreicht werden. Auf der anderen Seite sollte das Material elektrisch isolierend, aber dennoch eine hohe Wärmeleitfähigkeit sowie Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit aufweisen. Ebenso wurden Möglichkeiten der Recyclingfähigkeit in Betracht gezogen. 

Materialauswahl, Compoundierung und Spritzguss von Prüfkörpern

Zu Projektbeginn wurden im Rahmen einer Masterarbeit die folgenden thermoplastischen Materialien im Spritzgussverfahren verarbeitet und metallisiert:

• HDPE (Silonverbindungen Taborex - Ta1108)
• LDPE (DOW640C Natur)
• PA6 (TechnylC206 Natur)
• PA6 (Durethan BKV 15H 1.0+ 30. + 20% Al2O3 + 15% Glasflocken)
• PA66

Die Untersuchung der Polyamide zeigte aufgrund der gut zu beschichteten Oberflächen hinsichtlich der Metallisierung zunächst die besten Ergebnisse. Um die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern, wurde Al₂O₃ ausgewählt, um die Polymermatrix zu verstärken und die niedrige Wärmeleitfähigkeit der Polymermatrix zu verbessern. Aluminiumoxid dient hierbei zusätzlich als Flammschutzmittel.

Abgeleitetet aus den Untersuchungen mit LDPE, PA6 mit Al₂O₃ und PA6 natur sowie weiterer detaillierter Recherche fiel die weitere Materialauswahl auf ein Polyamid 6 (PA6) bzw. PA66 und ein Polybutylenterephthalat (PBT) mit jeweils Aluminiumoxid (Al₂O₃) und einem Glasfasermehl als Füllstoff. Diese Compounds wurden mittels Doppelschnecken-Extruder zu rieselfähigen Massen verarbeitet. Anschließend wurden daraus zweidimensionale Prüfkörper via Spritzguss hergestellt.

Beschichtung via DDM und Bestückung von 2D-Körpern

Die am Technologiezentrum vorhandene Plasmaanlage zur Digital Direct Metallization (DDM) besitzt einen integrierten 6-Achsroboter. Dies ermöglicht die ortsaufgelöste Beschichtung der Prüfkörper. Beim DDM-Verfahren wird das Kupferpulver durch einen Plasmastrahl geschmolzen und in Richtung der Werkstückoberfläche beschleunigt.

Im Anschluss wurden diese beschichteten Proben mit LED’s bestückt und erfolgreich auf ihre elektrische Leitfähigkeit sowie ihren elektrischen Widerstand untersucht. Ebenfalls war die Haftfestigkeit der erzeugten Kupferschichten zu analysieren. Bei dem Vergleich der verschiedenen Compounds fiel die Entscheidung hinsichtlich Leitfähigkeit und Haftfestigkeit trotz der etwas geringeren Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu PBT und PA66 auf PA6 mit 30 Gew.-% Glasfaserfüllstoff.

Um dieses Material auch dreidimensional auf ihre Eigenschaften zu untersuchen, muss ein entsprechendes Filament für den 3D-Druck hergestellt werden.

Prüfung der Beschichtung und Optimierung Prozessparameter

Für den späteren Einsatz der Lampenkörper in Beleuchtungsanlagen muss die Haftfestigkeit der Beschichtung über den Produktlebenszyklus gewährleistet sein. Zur Validierung wurden Probekörper verschiedenen Prüfungen unterzogen:

• mechanische Prüfung
• Temperatur-/Feuchtelagerung
• Beschleunigte Alterung durch Bewitterung
• visuelle Begutachtung

Die Ergebnisse zeigten, dass sich die Optik der Beschichtung aufgrund von Oxidierung zwar verfärbt, aber keine Verschlechterung der elektrischen Leitfähigkeit oder höherer Widerstand auftritt. Neben den Untersuchungen wurde die Beschichtung soweit optimiert, dass sich auf dem Grundkörper eine nahezu identische Schichtdicke der Kupferleitbahn einstellt. Dies stellt die Basis für eine gleichbleibende Stromtragfähigkeit für die noch zu bestückenden LED´s dar.

Filamentherstellung und Prototypenbau mittels additiver Fertigung

 

Maskierung und Beschichtung der 3D-Grundkörper

 

Um das gewünschte Schaltungslayout auf den 3D-Körpern mittels Plasmabeschichtung aufzubringen, wurde eine entsprechende Maskierung aus Stahl mit Hilfe des addtiven Fertigung am Technologiecampus der THD in Cham hergestellt. Nach Programmierung des integrierten KUKA-Roboters für die dreidimensionale Beschichtung konnte das durch den Partner Dotlux entwickelte Leiterbahnen-Design auf dem Grundkörper aufgebracht werden. Hierbei wurden mehrere Lampenkörperformen für verschiedene Einsatzgebiete mit jeweils angepasstem Leiterbahn-Layout umgesetzt. Durch systematische Variation der Prozessparameter Stromzufuhr, Gasdurfluss, Förderrate oder Abstand zwischen Düse und Substrat wurde eine möglichst widerstandsarme und elektrisch leitfähige Beschichtung erreicht.

 

     

 

 

Bestückung und lichttechnische Überprüfung

 

Die Bestückung der 3D-Körper stellte einige Herausforderungen bereit. Unter anderem die LEDs an den genauen Kontaktpositionen anzubringen oder die geeignete Löttemperatur zu finden ohne den Grundkörper zu stark zu beeinträchtigen. Nach erfolgreicher Aufbringung und Kontaktierung der LEDs, konnte die lichttechnische Überprüfung durch den TÜV erfolgreich durchlaufen werden.

 

 

Für weitere Informationen sprechen Sie uns an!!!

M.Sc. Dominik Weiß

• dominik.weiss@th-deg.de
• +49(0) 9141/874669-214

 

Prof. Dr. Dmitry Rychkov

• dmitry.rychkov@th-deg.de
• +49(0) 9141/874669-201