Projekte

Auch Kunststoffe altern. Deshalb ist die Vorhersage der Lebensdauer für Kunststoffe in Außenanwendungen besonders wichtig. Korrosionsschutzbeschichtungen, harzbasierte Komposite für Windkraftanlagen und nicht zuletzt Bauteile in Autos, Bahnen oder Flugzeugen verlangen Langzeitstabilität. Da lange Prüfzeiten hohe Kosten verursachen und die Entwicklung verzögern, besteht seitens der Industrie seit langem der Wunsch nach kürzeren Prüfzyklen.

Schallwellen sind Verdichtungsschwingungen in der Luft. Die akustische Abstrahlung von Strukturen lässt sich durch die Schallintensität beschreiben. Mit dieser vektoriellen Größe lässt sich neben der Schallleitung ebenfalls die Ausbreitung im dreidimensionalen Raum beschreiben. Konventionelle Systeme zur Messung der Schallintensität bestehen aus handgeführten Sonden, welche in der Regel relativ teuer sind. Zudem führt die manuelle Durchführung von Messungen zu einer Reduktion der Reproduzierbarkeit und weiteren Steigerung der Kosten der Messungen. Aus diesem Grund wurde ein System zur automatisierten Messung der Schallintensität auf Basis von Low-Cost Komponenten entwickelt.

Für die Betreiber von Intralogistiksystemen wie beispielsweise Kränen und Staplern ist die Verfügbarkeit ihrer Anlagen von strategischer Bedeutung. Sie fordern deshalb eine höhere Anlagenverfügbarkeit bei gleichzeitig geringeren Anlagenlebenszykluskosten. Systeme, die eine umfassende Zustandsüberwachung der Intralogistikgeräte und damit deren optimierte Wartung erlauben, sind heute aber noch nicht verfügbar. Dieser Herausforderung stellen sich das Institut für Fördertechnik und Logistik IFL und das Fraunhofer LBF.

Acoustic Black Hole (ABH) ermöglichen eine neue Form der strukturellen Vibrationsdämpfung. Durch gezielte Geometrieänderungen wird Schwingungsenergie lokal konzentriert und effizient dissipiert – ohne zusätzliche Masse und über einen breiten Frequenzbereich wirksam.

Entwickelt wird eine Technologieplattform zur Erzeugung realitätsnahen Gummiabriebs, dessen Analyse für Material- und Reifen­ent­wicklungen und die Prognose für die digitalisierte Fahranalyse genutzt werden. Erforderlich hierzu sind die Entwicklung einer parametrischen Reib­fläche und die Erzeugung realer Referenzpartikel. Die Degradation des erzeugten rea­lis­ti­schen Abriebs wird mit neuen Techniken der Labor­bewitterung und chemischen Ana­ly­sen untersucht. Die Ergebnisse werden für ökotoxikologische Bewertungen genutzt und auch in Fahrzeugflottensimulationen überführt.

Hochwertige Kunststoffbauteile aus Recyclingmaterialien – ROBUST reduziert Ausschuss und verbessert nachhaltig die Oberflächenqualität.

Das Reibschweißen ist eine Fügetechnik mit der sich Bauteile schnell und effizient fügen lassen. Es können dabei auch Werkstoffkombinationen gefügt werden, die mit konventionellen Scheißverfahren nicht zuverlässig gefügt werden können. Zu Projektbeginn existierten jedoch noch keine Bewertungskonzepte, mit der die Schwingfestigkeit reibgeschweißter Bauteile abgeschätzt werden konnten. Eine Anwendung der Bewertungskonzepte für lichtbogengeschweißte Verbindungen war nicht zielführend, da die versagenskritischen Kerben gänzlich unterschiedliche Charakteristika aufweisen. Nach Abschluss des Projekts steht nun eine Bewertungsmethodik zur Verfügung, mit der eine zuverlässige Bemessung möglich ist.

Im Fraunhofer-Leitprojekt „Waste4Future“ haben acht Fraunhofer-Institute neue Lösungen für das Abfallmanagement und die Kreislaufwirtschaft von Kunststoffen entwickelt. Das Hauptziel ist die Verbesserung des Recyclings von kunststoffhaltigen Abfällen, die zuvor verbrannt wurden. Das Fraunhofer LBF untersuchte intensiv den Alterungszustand von Kunststoffen, um die Sortierung basierend auf dem Schädigungsgrad zu optimieren. Die Ergebnisse zeigen, dass Polypropylen (PP) und Polyamid (PA) unterschiedliche Degradationsverhalten aufweisen, was für die Qualität der Rezyklate entscheidend ist.

Die Lithografie ist entscheidend für die Herstellung elektronischer Halbleiter. Neue Lacke (Resiste) mit hoher Sensitivität und Auflösung sind erforderlich, um die Bauteildichte zu erhöhen und die Massenproduktion zu bewältigen. Mit dem Projekt »IndiNaPoly« wollen Fraunhofer-Forschende die chemische Industrie unterstützen, um einen technologischen Vorsprung zu erzielen und neue Märkte erschließen zu können. Resisthersteller sind ein wichtiges Bindeglied in der Halbleiterindustrie. Hersteller von Spezialpolymeren und Halbleiter profitieren ebenfalls von den Ergebnissen.

Im FNR-Projekt »BioFlammschutz« wurden neuartige, biobasierte und umweltverträgliche phosphorhaltige Flammschutzmittel entwickelt. Diese sollen als ökologisch und ökonomisch vorteilhafte Alternative zu den derzeit verwendeten halogenhaltigen und ökotoxikologisch problematischen flammhemmenden Additiven dienen. Die neuen Flammschutzmittel wurden aus Baumwoll- und Holzzellulose und dem kostengünstigen Zuckeralkohol Erythritol mit einer am Fraunhofer LBF entwickelten Methode hergestellt. Ihre Eignung wurde exemplarisch mit dem Flammschutz von Polyolefinen und einem teilbiobasierten Polyamid gezeigt.

Recycling ist zunehmend gesellschaftlich wie wirtschaftlich wichtig. Im Bereich des Kunststoffrecycling gewinnt vor allem das Recycling von Polyolefinabfällen an Bedeutung. Ein starkes Hemmnis, insbesondere für deren Upcycling, stellen jedoch unzureichende Informationen zum molekularen Aufbau und vorhandenen niedermolekularen Verunreinigungen dar. Dieses kann durch die 2-dimensionale Flüssigchromatografie ideal adressiert werden, wozu auf Rezyklate zugeschnittenen Methoden entwickelt werden müssen. Dieser Problemstellung nimmt sich das Fraunhofer LBF im Rahmen des IGF-Projekts PORez an.

Das Projekt »VibraVoid« verfolgt das Ziel, das Phänomen der akustischen schwarzen Löcher (ABH) zur Beherrschung von (Mikro-)Vibrationen und Schockbelastungen in Raumfahrtstrukturen zu nutzen. Das Projektteam wird eine konstruktionswissenschaftliche Vorgehensweise zur Integration von ABHs in komplexe Systeme entwickelen.

Passive Handprothesen mit gelenkigen Fingern sind häufig wegen der geringen Kosten attraktiv für den Endnutzer. Im Fraunhofer Cluster of Excellence Programmable Materials (CPM) wird ein Finger für eine Handprothese entwickelt, welcher vier stabile Verformungszustände annehmen kann. Das Fraunhofer LBF, IWM, ITWM und IAP arbeiten im Projekt „ProFi“ zusammen, um die bisherige mehrteilige und verschraubte Lösung durch ein einzelnes programmierbares Metamaterial zu ersetzten, um den Montageaufwand zu verringern. Umgesetzt wurde dies mit einer Gelenkstruktur, welche nur einen rotatorischen Freiheitsgrad und einen geringen Biegeradius besitzt und mit bistabilen Einheitszellen verschaltet wird.

Kunststoffe müssen während der Schmelzeverarbeitung durch Prozessstabilisatoren, Antioxidantien, geschützt werden. Da es sowohl unter ökonomischen als auch ökologischen Gesichtspunkten nachteilig ist, pauschal „genug“ hinzuzufügen, wird die optimale Menge für neue Kunststofftypen in aufwändigen Versuchsreihen ermittelt. Online-Rheologische Messungen bieten hier das Potenzial zur Beschleunigung und damit die Möglichkeit, zur Restabilisierung beim mechanischen Recycling die Stabilisatorzugabe in Echtzeit auf die wechselnden Chargenzusammensetzungen anpassen zu können.

Gebäudedämmungen aus nachwachsenden Rohstoffen sind seit vielen Jahren Stand der Technik, haben aber immer noch einen kleinen Anteil auf dem Dämmstoffmarkt, da sie gegenüber mineralischen Produkten und geschäumten Kunststoffen Nachteile z. B. hinsichtlich des Brandverhaltens aufweisen können oder nicht in Form von selbsttragenden Platten verfügbar sind. In dem durch das BMWK geförderten Verbundprojekt »OrganoPor_Fassade« haben Experten aus dem Fraunhofer LBF neue biobasierte, halogenfrei flammgeschützte, selbsttragende Dämmstoffplatten weiterentwickelt, die in ein Wärmedämmverbundsystem integriert werden können.

Nachhaltige Kunststoffrezyklate und bioabbaubare Polymere für Vliesstoffe und Dachbahnen: 1. Ist es möglich, unterschiedliche Abfallströme wieder aufbereiten und additivieren zu lassen, um daraus hochwertige Rezyklate herzustellen, aus denen ihrerseits Fasern und Folien produziert werden können, die zu konkurrenzfähigen Vliesen und Folien für Dachbahnen weiterverarbeitet werden können? 2. Lassen sich Fasern aus biobasierten Polymeren herstellen, die nicht nur zu Vliesstoffen versponnen werden können, sondern deren Abbau in der Umwelt einstellbar ist und gleichzeitig für die Umwelt kein Risiko darstellen?

IQPAK setzt ein Ausrufezeichen im Verpackungsmarkt: Die vielseitig einsetzbare Multi-Layer-Verpackung verbindet die Vorteile von Mehrweg und Stoffkreislauf. Ein wiederverwendbarer Grundkörper wird dabei von einer dünnen Schutzschicht umschlossen, die recycelt wird. Entwickelt wurde IQPAKTM von Löning & Partner, einem Spezialisten für Kreislaufwirtschaft, gemeinsam mit dem Fraunhofer LBF. Fokus des Fraunhofer LBF lag auf der Material- und Prozessseite, der Entwicklung des Systemaufbaus sowie der Demonstration der Machbar- und Skalierbarkeit.

Zur Reduzierung des Fahrzeuggewichtes und des Kraftstoffverbrauchs werden im Automobil zunehmend Kunststoffkomponenten verbaut, unter anderem auch im Motorraum. Neben Motorabdeckungen, Kabeln oder Kabelverbindungen werden auch lasttragende Teile aus Metall, wie z.B. die Motorhalterung, durch Kunststoffteile ersetzt. Da hierfür eine hohe Temperaturbeständigkeit erforderlich ist, hat sich für solche Anwendungen Polyamid 6.6 (mit Glasfaseranteil) etabliert. Da es sich hierbei praktisch um eine Außenanwendung handelt, sind die Polyamidbauteile neben der erhöhten Temperatur auch unterschiedlichen Luftfeuchten ausgesetzt, was bei Polyamid bekanntermaßen zu hydrolytisch bedingter Schädigung führt. Der Einfluss der Umgebungsfeuchte und des resultierenden Wassergehaltes in den Kunststoffteilen wurde bisher aber weder in Prüfverfahren zur Lebensdauerbestimmung von Kunststoffen noch in den Modellen zur Lebensdauervorhersage ausreichend berücksichtigt.

Wir untersuchen den Einfluss von Schweißprozessen und Nachbehandlungsverfahren auf die Betriebsfestigkeit. Wir wenden bewährte Bewertungskonzepte an und entwicklen neue Methoden zu Lebensdauerabschätzung.

Die in diesem Projekt entwickelten Methoden gestatten es, zukünftig die Zuverlässigkeit und Sicherheit von Antriebsstrang-Komponenten effizienter zu bewerten und damit eine zeit- und kostenoptimierte Entwicklung zu unterstützen.

Für eine schnelle und nachhaltig erfolgreiche Überführung in die breite Anwendung spielt die zuverlässige und effiziente Gestaltung von Wasserstoff-Brennstoffzellsystemen eine wichtige Rolle. Daher ist es wichtig die Werkstoffe, Komponenten sowie das System frühzeitig möglichst entwicklungsbegleitend und betriebsnah, kosteneffizient und flexibel zu validieren, ohne dass das Gesamtsystem (z. B. Automobil) fertiggestellt oder vorhanden sein muss. Cyber-physikalische Test- und Validierungsmethoden, sowohl im Rahmen der Entwicklung als auch der finalen Absicherung, sind hierfür die Lösung.

Häufig werden tretkraftunterstützte Fahrräder (Pedelecs oder E-Bikes) oder elektrische Leicht-Kraftfahrzeuge saisonabhängig für einen längeren Zeitraum nicht genutzt. Um mögliche Einschränkungen zu vermeiden und konsequent auch bei längeren Zeiträumen der Nicht-Benutzung die gewünschte Langlebigkeit des Energiespeichers zu gewährleisten, wurde im Fraunhofer LBF ein Batteriemanagementsystem (BMS) mit einer besonders energieeffizienten, dauerhaften und kontinuierlichen Speicherüberwachung entwickelt.

Hochvolt-Energiespeicher in Leichtbauweise für elektrifizierte Sattelauflieger.

Im Rahmen des Leitprojektes Elektrokalorische Wärmepumpe ElKaWe entwickelt die Fraunhofer-Gesellschaft eine Wärmepumpe, welche ohne klimaschädliches Kältemittel oder Kompressor auskommt und sich den elektrokalorischen Effekt zu Nutzen macht. Um die Langzeitstabilität einer Wärmepumpe im Betrieb zu gewährleisten, finden seitens Fraunhofer LBF analytische und experimentelle Untersuchungen zur Zuverlässigkeit hochbeanspruchte Bauteile, wie das eigenentwickelte Federmembranventil, statt.

Predictive Maintenance und Online-Monitoring im Fahrzeugbau erfordern eine genaue Charakterisierung von den zu überwachenden Komponenten. Zusammen mit BMW hat das Fraunhofer LBF eine neue Methodik zur vereinfachten Erprobung und Charakterisierung von strukturintegrierten Hochvoltspeichern entwickelt. Hierbei wird ein Teil der Karosserie mit integriertem Hochvoltspeicher auf einem multiaxialen Schwingtisch getestet. Lagerungen mit einstellbarer Steifigkeit bilden die Steifigkeit der übrigen Karosserie nach und ermöglichen es schnell unterschiedliche Szenarien zu testen.

Herausforderungen auf dem Weg zur Wasserstoffwirtschaft: Maßgeschneiderte Analyse- und Versuchskonzepte für die Entwicklung von mit Wasserstoff beaufschlagten Produkte.

In diesem Projekt hat das LBF während der Corona-Pandemie 3D-gedruckte Komponenten für kostengünstige Beatmungsgeräte von den Gewinnern der »Give a Breath-Challenge«, eine gemeinsame Initiative der Fraunhofer-Gesellschaft und der Munich RE, auf ihre Systemzuverlässigkeit untersucht und Möglichkeiten zur Optimierung aufgezeigt.

Kunststoffbauteile sind im Betrieb wechselnden Umwelteinflüssen und komplexen Belastungskollektiven ausgesetzt. Für eine belastbare Lebensdauerabschätzung ist es erforderlich, Alterungs- und Versagensmechanismen besser zu verstehen, Schädigungen frühzeitig zu erkennen und hieraus Alterungs- und Versagensmodelle abzuleiten. Für Industriepartner werden auf die jeweilige Anwendung zugeschnittene Prüfmethoden und Prüfprotokolle entwickelt.

Im Projekt DMD4Future wurde eine strukturierte Basis geschaffen, um sämtliche Daten und Prozesse der Kunststoffbauteilauslegung in einer sogenannten Ontologie abzubilden und Wirkzusammenhänge zu beschreiben. Dies ermöglicht im nächsten Schritt über bspw. maschinelles Lernen die Identifikation von neuen Wechselwirkungen und die Ableitung von neuen Leichtbaupotenzialen.