Institute for Sustainable Polymers and Composites (ISPC)

EcoPreg – Prepreg-Anlage für nachhaltige und kreislauffähige Faserverbundwerkstoffe im Leichtbau

Der Leichtbau ist ein maßgeblicher Innovationstreiber in vielen Hochtechnologiebranchen und zählt nicht nur in Deutschland zu den Schlüsseltechnologien. Der Einsatz beruht auf dem Prinzip: weniger Material = weniger Gewicht = weniger Emissionen und wird dadurch zum Garanten für Ressourcen- und Energieeffizienz. Insbesondere Faserverbundkunststoffe bieten aufgrund ihrer gezielt einstellbaren Eigenschaften ein großes Leichtbaupotenzial. Bioverbunde oder BioComposite sind Verbundwerkstoffe, in denen mindestens einer der Komponenten (Faser, Matrix) bio-basiert oder biologisch abbaubar ist. Naturfasern können, bezogen auf ihre spezifischen Eigenschaften, mit Glasfasern verglichen werden und zeichnen sich deutlich durch ihre adäquate Werkstoff-Energiebilanz aus.

EcoPreg zielt auf den Aufbau der Infrastruktur zur Erforschung und Entwicklung nachhaltiger und kreislauffähiger Prepregs ab. Wettbewerbsfähige Materialien setzen eine wirtschaftliche Herstellung, reproduzierbare Qualität, einfaches Handling und eine stabile Verarbeitbarkeit voraus. Genau hier knüpft EcoPreg an. Im Rahmen des Projekts wird mit Anbietern aus der Industrie eine hochflexible Forschungsanlage geplant und umgesetzt, die trockene Faserhalbzeuge mit einer duroplastischen oder thermoplastischen Polymermatrix vorimprägniert. Durch diese Prepreg-Anlage sollen neuartige Faserverbundwerkstoffe für einen nachhaltigen und kreislauffähigen Leichtbau entwickelt werden und eine Stabilisierung und Effizienzsteigerung des Herstellungsprozesses erreicht werden.

Post-Consumer-Rezyklate (PCR) bestehen meist aus komplexen Multi-Kunststoff-Verbunden, z. B. Mehrschichtfolien, die in großer Menge für Funktionsverpackungen Einsatz finden. Das Abfallaufkommen wächst progressiv. Heute werden heterophasige Post-Consumer-Abfälle mangels einer möglichen, stofflichen Wiederverwertung mehrheitlich verbrannt und emittieren entsprechend CO2 in die Umwelt!
Im Projekt wird nachgewiesen, dass bei einem ganzheitlichen Engineering-Ansatz, eine werkstoffliche Wiederverwertung von heterophasigen PCR zur Herstellung gebrauchsfähiger, technischer Produkte nachhaltig möglich ist. Der verfolgte Lösungsansatz erfordert ein interdisziplinäres Zusammenwirken verschiedener kunststofftechnischer Expertisen und berücksichtigt sowohl material- und aufbereitungstechnische Aspekte, eine recyclinggerechte Produktentwicklung und Verfahrenssimulation als auch die maschinen- und prozesstechnischen Voraussetzungen für eine praktische Verarbeitung von PCR.
Die industriellen Kooperationspartner im geplanten Verbund decken alle erforderlichen Teil-Expertisen für eine gemeinsame Lösung der umweltrelevanten, offenen Fragen ab. Die digitale Entwicklung von Demonstratoren und deren anschließende Fertigung benötigen ein ganzheitliches kunststofftechnisches Engineering. Der Machbarkeitsnachweis der Demonstratoren belegt die Wirksamkeit des „Circular Engineerings“ als Voraussetzung für die Rückführung von PCR in den Werkstoffkreislauf und für die Herstellung von langlebigen und damit nachhaltigen Produkten. Die Ergebnisse erlauben neue Entwicklungsrichtlinien für den PCR-Einsatz in Produkten abzuleiten und diese in die bisherige Produktentwicklung zu integrieren.
Die Entwicklungen zur werkstofflichen Wiederverwertung von heterophasigen PCR werden maßgeblich zum „Green Deal“ beitragen, denn sie dienen der Ressourcenschonung, reduzieren die CO2-Emissionen und tragen zu einer stofflichen Wiederverwertung und damit zur Umsetzung einer konsequenten Kreislaufwirtschaft bei.

Hybridwerkstoffe, auch als Multimaterialkombinationen bezeichnet, finden heute vermehrt ihren Einsatz im Maschinenbau, in der Luft- und Raumfahrt oder im Automobilsektor. Die Materialkombinationen sind genauso vielfältig wie die Verbindungstechniken. Neben der Klebetechnik kommt die mechanische Verbindung ebenso verbreitet zum Einsatz. Die Eigenschaften der Hybridwerkstoffe hängen stark von der Fügetechnik und den Prozessparametern ab. Eine systematische Erfassung existiert derzeit nicht. Bei der Entwicklung neuer Hybridstrukturen dominiert “Trial-and-Error“. HybridDigital leistet einen wesentlichen Beitrag zur digitalisierten und nachhaltigen Etablierung von Hybridstrukturen für den Leichtbau. Mit Hilfe eines digitalen Zwillings für Hybride soll zukünftig eine ressourcenoptimierte und robuste Entwicklung von Hybridstrukturen auf Basis individualisierter Fügeverbindungen möglich sein.

Im Fokus des Forschungsvorhabens steht die Ermittlung, Systematisierung, Strukturierung, Modellierung, und letztlich formalsprachliche Beschreibung der prozessabhängigen Kennwerte. Die Datenerhebung basiert auf der Charakterisierung und Beschreibung von Hybridstrukturen auf experimenteller und numerischer Ebene für eine ausgewählte Multimaterialkombination (Stahl-Carbonfaserkunststoffverbund, kurz Stahl-CFK). Das notwendige Wissen wird durch eine systematische Probenherstellung und Charakterisierung des Verhaltens unter Belastung vergleichend für zwei Fügetechniken (Kleben und Bolzen) erhoben, ergänzt um Schallemissionsanalysen. So können Schäden im Material bereits auf Mikroebene erkannt und mit dem Versagensverhalten im Hybrid auf Makroebene in Verbindung gebracht werden.

Dies erlaubt die Verknüpfung der Eigenschaften der Hybridwerkstoffe mit den Prozessparametern und den Eigenschaften der jeweiligen Eingangsmaterialien. Damit sollen sowohl die Auswahl der geeigneten Fügetechnik als auch die Auslegung der Verbindung und die automatisierte Auswertung von Versagens- und Schadensmustern ermöglicht werden.

Einen weiteren Mehrwert bietet die numerische Modellierung der Streuung der Materialkennwerte durch Materialschwankungen und systematische Maschinenfehler. Dadurch können Eigenschaftsschwankungen und somit das Versagensverhalten besser vorhergesagt und entsprechend bei der Bauteilauslegung berücksichtigt werden. Durch angepasste Sicherheitsfaktoren können der Materialeinsatz und das Gewicht im Bauteil reduziert und somit ein direkter Beitrag zur Schonung von Ressourcen und Umwelt geleistet werden.

Die Arbeiten an der HSAA lassen sich im Folgenden zusammenfassen:

• Durchführung und Dokumentation der Oberflächenvorbehandlung metallischer Fügepartner
• Experimentelle Beschreibung der quasi-statischen und zyklischen Materialkennwerte unter Variation der Vorbereitungsparameter
• Charakterisierung von Grenzflächenphänomene
• Aufarbeitung und Bereitstellung von Daten für numerische Modellierung und Ontologieerstellung

BioLeit verfolgt die Entwicklung neuer Bioverbundwerkstoffe für den Leichtbau

Ob in Schutzhelmen, Bremsbelägen oder als lasttragende Strukturbauteile in Maschinenbau – Duroplaste finden sich in vielen wichtigen Bauteilen. Die nach dem Aushärten nicht mehr verformbaren Kunststoffe zeichnen sich durch ihre hohe Festigkeit und Steifigkeit aus, selbst bei erhöhten Temperaturen. In Kombination mit Fasern aus Glas, Aramid oder Carbonfasern können sie für Leichtbauanwendungen weiter optimiert werden.

Duroplaste, die heute zum Einsatz kommen, sind noch überwiegend erdölbasiert. In diesem Forschungsvorhaben liegt der Fokus auf der Entwicklung sogenannter Bioverbundwerkstoffe für den Leichtbau. Die Besonderheit: Aus heutiger Sicht liegen Bioverbunde bereits dann vor, wenn auch nur eine der Komponenten des Materialverbunds biobasiert ist. BioLeit hingegen strebt einen 100-prozentigen biogenen Verbundwerkstoff an. Dabei kommen biobasierte Duroplaste zum Einsatz und zur Verstärkung wird auf Naturfasern zurückgegriffen.

Mit der Förderung CZS-Forschungsstart wird der neuberufenen Professorin der nötige Freiraum für erste Forschungsaktivitäten in Richtung BioComposite ermöglicht. Dabei verfolgt sie den Aufbau einer Forschungsgruppe zum Thema nachhaltiger Leichtbau an der Hochschule Aalen, um ihre Vision von innovativen Werkstoffen als Teil einer zirkuläten Ökonomie voranzutreiben.

Die Kunststoffwirtschaft steht vor großen Herausforderungen, um den steigenden Anforderungen an Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung gerecht zu werden. Insbesondere der Umgang mit Post-Consumer Siedlungsabfällen gewinnt in diesem Zusammenhang an Bedeutung, da diese eine wertvolle Quelle für Kunststoffrezyklate darstellen. Die effektive Nutzung dieser Abfälle bietet die Möglichkeit, den Verbrauch von Primärkunststoffen zu reduzieren. Gleichzeitig sind innovative Ansätze erforderlich, um die Qualität und Verarbeitbarkeit von Rezyklaten zu verbessern, damit diese den Anforderungen der kunststoffverarbeitenden Industrie gerecht werden. Der Einsatz moderner Technologien wie der künstlichen Intelligenz eröffnet hier neue Möglichkeiten, um bestehende Prozesse zu optimieren und die Grundlage für eine zirkuläre Kunststoffwirtschaft zu schaffen.

Ziel des Vorhabens ist es mit Hilfe von künstlicher Intelligenz, verknüpft mit materialwissenschaftlichen Kennwerten, die Nutzbarkeit von Kunststoffrezyklaten aus Post-Consumer Siedlungsabfällen zu erhöhen. Dadurch sollen Kreisläufe in der Kunststoffwirtschaft geschlossen und Rezyclingquoten gesteigert werden. Neben dem umwelttechnischen Erstreben einer nachhaltigeren Wirtschaft zwingen auch neue Gesetzesänderungen im VerpackG die kunststoffverarbeitende Industrie zu höherem Rezyklateinsatz. Starke Schwankungen von Verarbeitungseigenschaften auch innerhalb einzelner Chargen sorgen jedoch für eine unzuverlässige Qualität der Endprodukte. Um dem entgegenzuwirken ist es das Ziel des Vorhabens, bereits in der Sortierung Verarbeitungseigenschaften zu berücksichtigen, um so genauere Aussagen über die spätere Qualität und Verarbeitbarkeit der Rezyklate treffen zu können. Besonders kunststoffverarbeitende KMU können so zuverlässiger Kunststoffrezyklate einsetzen, ohne zusätzliche Probleme im Verarbeitungsprozess. Praktisch bedeutet dies, dass in der Sortierung detektierbare Parameter in Zusammenhang mit Materialeigenschaften gebracht werden müssen. Neben der Sortierung nach Materialtyp wird dazu zusätzlich in verschiedene Güteklassen unterschieden, die jeweils mit materialwissenschaftlichen Kennwerten beschrieben werden.

Mit einem interdisziplinären Ansatz und unter reger Beteiligung der Industrie und Zivilgesellschaft verfolgt RewitAl die Schließung von Materialkreisläufen und die Mobilisierung von Recycling in der Kunststoffwirtschaft. Der Fokus liegt auf den bislang eher vernachlässigten, aber mengenmäßig bedeutsamen hochwitterungsbeanspruchten Kunststoffen am Beispiel von Sportanlagen mit Kunststoffbelagsystemen. Im Vordergrund der Forschungsaktivitäten stehen (i) der umweltschonende Rückbau der Systeme unter Berücksichtigung der Mikroplastikverteilung in der Umgebung, (ii) die Analyse der optimalen Eignung diverser Recyclingverfahren für die verschiedenen Kunststoffkomponenten des Gesamtsystems sowie (iii) die Untersuchung möglicher Alternativen auf Biokunststoffbasis. Hochrelevant ist die begleitende und vergleichende ökonomische und ökologische Bewertung von Materialien und Prozessen. Zusammen mit einer transparenten Beschreibung der Materialeigenschaften erfolgt die Erarbeitung möglicher Anwendungsszenarien und Geschäftsmodelle. Ein besonderes Augenmerk wird zudem dem Transfer in Wirtschaft und Zivilgesellschaft auf unterschiedlichen Ebenen und über diverse Medien gewidmet, um die Umsetzung der Innova-tions- und Bioökonomiestrategie des Landes Baden-Württemberg aktiv zu unterstützen.

Im SmartPro-Forschungsnetzwerk der Hochschule Aalen arbeiten über 60 Partner aus Industrie, Transfer und Forschung daran, die Energieeffizienz zu erhöhen und Ressourcen zu schonen. In den drei Anwendungsfeldern Energiewandler, Energiespeicher und Leichtbau werden eng vernetzt mit den Querschnittstechnologien Additive Fertigung und Machine Learning, Grundlagen für energieeffiziente und ressourcenschonenden Produkte geschaffen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert SmartPro seit 2017 mit rund 10 Millionen Euro.

Das explorative SmartPro-Projekt SmartCycle mit fünf Teilprojekten umfasst die drei Anwendungsfelder von SmartPro und zielt auf die Entwicklung von Recyclingstrategien und die Rückführung von Abfallprodukten und recycelten Materialien in den Produktionskreislauf von Magneten, Batterien und Leichtbaukonstruktionen. Die Herstellung dieser Produkte wird dank der Entwicklung innovativer Methoden zum Recycling und zur Wiederverwendung von Rohstoffen nachhaltiger und umweltfreundlicher sein.

Das Teilprojekt RecyLIGHT befasst sich mit der Rückführung von Hybridwerkstoffen, die häufig in Leichtbauanwendungen zu finden sind, in den Kreislauf durch mikrobielle Zersetzung an der Grenzfläche der verbundenen Materialien. Zu Beginn muss systematisch eine geeignete Grenzflächenstruktur für eine Verbindung zwischen Faserverbundkunststoff und Metall entwickelt werden. Mittels laserbasierter Oberflächenvorbehandlung sollen einerseits leistungsstarke Verbindungen in der Anwendungsphase garantiert und andererseits Zugang von Mikroorganismen zur biobasierten Matrix am End-of-Life ermöglicht werden, um diese gezielt abzubauen. Verschiedene Laserstrukturen und Aspekte der Fügeverbindung wie Temperatur, Druck, und Dauer werden hinsichtlich ihrer Einflussnahme auf die Abbaugeschwindigkeit bewertet.

• Projektleitung

Prof. Dr. Iman Taha, Lehrstuhl für Nachhaltige Werkstoffe in der Kunststofftechnik

• Projektpartner

Prof. Dr. Volker Knoblauch, Institut für Materialforschung Aalen

Prof. Dr. Harald Riegel, LaserApplikationsZentrum

Kunststoffe wie PET oder PE werden aus Erdöl hergestellt. Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften sind sie resistent gegen viele Umwelteinflüsse und Chemikalien. Das erschwert jedoch ihre Zersetzung auf natürliche Art und Weise. Verpackungen stellen, trotz ihrer kurzen Nutzungsphase, das größte Einsatzgebiet von Kunststoffen dar, wodurch täglich beachtliche Abfallmengen entstehen. Zur Reduktion von Abfall und zur Schonung wertvoller Ressourcen und ihrer optimalen Reintegration in den Materialkreislauf wird Recycling zukünftig eine noch wichtigere Rolle spielen. Das werkstoffliche Recycling von Kunststoffen erfolgt überwiegend durch mechanische Verfahren. Hierzu werden Kunststoffabfälle nach Arten sortiert, gereinigt und aufbereitet. Vor allem die Sortenreinheit ist von großer Bedeutung für eine hohe Recyclingquote. Jedoch, ist der der Sortiervorgang heutzutage sehr aufwendig und fehlerbehaftet. Häufig wird einer automatisierten Sortieranlage eine manuelle Sortierung oder Kontrollsortierung vor- oder nachgeschaltet.

Ziel des Projektes RecycleBot ist es, die Recyclingquote von Kunststoffabfällen zu erhöhen, indem der Sortiervorgang mittels Künstlicher Intelligenz optimiert wird. Damit geht ein erhöhter Nutzungsgrad von Kunststoffen aus Verpackungs- und Gewerbeabfällen einher. Hierzu werden zusätzlich zu großen automatisierten Sortieranlagen kleinere kollaborative Roboter (RecycleBot) eingesetzt, die bisher manuell durchgeführte Tätigkeiten übernehmen können. Die Basis für diese Arbeit sind so genannte Deep-Learning (DL) Algorithmen. Sie verbessern den gesamten Recyclingvorgang, indem sie die unterschiedlichen Kunststoffarten besser voneinander unterscheiden und die Sortierung nicht nur erleichtern, sondern auch weniger fehleranfällig machen. Des Weiteren wird ein Fokus auf neue und kritische Kunststoffe sowie komplexe Verbundverpackungen gelegt.

Der RecycleBot kann die Recyclingquote von kunststoffbasierten Verpackungs- und Gewerbeabfällen aus dem Dualen System erhöhen. Es ist zudem zu erwarten, dass künftig vermehrt Biokunststoffe, die biobasiert oder biologisch abbaubar sind, zum Einsatz kommen. Diese werden bei der Entwicklung des RecycleBot bereits berücksichtigt. Bei der Entwicklung stehen außerdem die Mensch-Roboter-Kollaboration und das Konzept „Human Supervisory Control“ im Vordergrund: Mitarbeiter*innen aus der Abfallbewirtschaftung werden in die Entwicklung einbezogen, um KI und menschliche Erfahrung synergetisch zu nutzen. Ein Schwerpunkt liegt auf der Mensch-Maschine-Schnittstelle zur KI-Visualisierung, um beherrschbare selbst-organisierende Systeme zu ermöglichen. Dadurch sind die Mitarbeiter*innen stets in der Lage, die Entscheidungen des Systems zu überprüfen und zu kontrollieren. Damit trägt das Projekt zu einer zukunftsfähigen Kreislaufwirtschaft bei.