Forschungsprojekte

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.

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.

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.

Das Ziel des Vorhabens ist es mit Hilfe der künstlichen Intelligenz (KI) die Wiederverwertung von Post-Industrial Abfällen für neue Bauteile insoweit zu ermöglichen, dass die Qualitätsanforderungen an ein Neuprodukt erfüllt bleiben.
Die Motivation dahinter ist einerseits die Reduktion der signifikanten Mengen an Industrieabfällen, die bei den Kunststoffverarbeitern, im Speziellen bei den Spritzgießern, in Form von Angussteilen oder Ausschuss anfallen. Andererseits wurden durch die neue Gewerbeabfallverordnung (GewAbfV) sowie das neue Kreislaufwirtschaftsgesetz (KrWG) die Recyclingquoten verschärft: die stoffliche Recyclingquote soll von derzeit 7 % auf mindestens 30 % erhöht und somit die Verbrennungsmengen von Abfällen aus Gewerbe und Industrie stark gesenkt werden.

Somit trägt das KI-ProWita zur intelligenten Schließung von Stoffkreisläufen in der Kunststoffwirtschaft bei. Dies führt zur Schonung wertvoller und knapper Ressourcen sowie zur Reduktion von negativen Umwelteinwirkungen, die durch die thermische Verwertung verursacht werden. Von großer Bedeutung für KMU sind weiterhin die Kostenersparnisse, die durch die Wiederverwertung solcher Industrieabfälle (anfallende Mengen bis zu einigen Tonnen jährlich), erzielt werden. Praktisch bedeutet dies im Erfolgsfall, dass je nach Qualität des Post-Industrial Abfalls entweder dieser zu 100 % oder zumindest anteilig in ein neues Bauteil zugeführt werden kann. Entsprechend ändert sich im Vergleich zur Neuware das Materialverhalten im Prozess (z. B. Schmelztemperatur, Viskosität) und somit die benötigten Prozessparameter. Welcher Anteil an Rezyklat sowie welche Prozessparameter einzustellen sind, um die Bauteilanforderungen zu erfüllen, wird mit der Unterstützung der KI entschieden. Aufgrund der thermischen Natur des Spritzgussprozesses werden Long Short-Term Memory (LSTM)-Netzwerke eingesetzt.

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.

Das übergeordnete Ziel der geplanten Forschungs- und Entwicklungsarbeiten ist, die Nutzbarkeit von Biokunststoffen für die Herstellung neuer Produkte und (Faserverbund-)Strukturen zu erhöhen.

Kunststoffe sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Jedoch ist ein Umdenken hinsichtlich Nutzung und Verwertung essenziell, um die Klima- und Nachhaltigkeitsziele der Bundesrepublik Deutschland und Europas zu erreichen. Ein Schritt in diese Richtung ist der Einsatz sogenannter Biokunststoffe, die zum einen aufgrund ihres biobasierten Ursprungs zur Schonung wichtiger und knapper Ressourcen beitragen können. Zum anderen legen biologisch abbaubare Kunststoffe den Grundbaustein hinsichtlich einer geschlossenen Kreislaufwirtschaft, in der das Material entlang einer Kaskade stetig wiederverwertet wird, bis das Material schließlich als Nährstoff an die Umwelt zurückgeführt wird.

Der Einsatz von Biokunststoffen und Bioverbundwerkstoffen ist heutzutage jedoch gehemmt durch fehlende Informationen hinsichtlich Verarbeitung, Eigenschaften und Langzeitverhalten. Ziel der Anschubfinanzierung ist es daher, eine Wissensbasis zum Umgang mit Biokunststoffen aufzubauen. In einem nachgeschalteten Projekt gilt es, diese Daten zu evaluieren und zu systematisieren, um sie gezielt für diverse Anwendungen und als Basis für Bioverbunde einzusetzen.

Die Auslegung von Dämpfungselementen, wie beispielsweise Gummi-Metall-Puffern, zur Schwingungsabwehr basiert heutzutage mehrheitlich auf langjährigen Erfahrungswerten der Konstrukteure. Eine zeit- und damit kostensparendere Methode stellt die Auslegung mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) dar. Hierfür sind jedoch Werkstoffdaten zur Materialmodellerstellung notwendig.

Ziel des Projektes ist es daher, temperatur- und frequenzabhängigen Materialkennwerte der Gummikomponente bereitzustellen, sodass das verwendete Materialmodell eine möglichst hohe Beschreibungsgüte aufweist.

Dafür wird eine Versuchsmethodik sowie eine Auswertestrategie zur Bestimmung temperatur- und frequenzabhängiger Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften technischer Elastomere für den relevanten Verformungsbereich entwickelt. Zudem werden die Kennwerte in geeigneter Weise in kommerzielle FE-Programme implementiert und die Berechnungsergebnisse anhand realer Bauteilversuche bewertet.