Autor: HWAdmin

Living Materials

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Dr. Britta Pinzger, Dr. Heike Brandt, Dr. Diana Freudendahl

An der Schnittstelle der klassischen Materialwissenschaften und der synthetischen Biologie ist in den letzten Jahren das Forschungsfeld der Living Materials (oder Engineered Living Materials = ELM) neu entstanden und in dieser Zeit bereits enorm gewachsen. Ziel ist es dabei, lebende Zellen als aktive Komponenten zu verwenden, um nicht lebender Materie lebensähnliche Fähigkeiten zu verleihen, z. B. sich zu vermehren, sich selbst zu heilen, sich an Umweltreize anzupassen oder komplexe Moleküle zu synthetisieren. Als lebende Komponente werden Bakterien, Hefen, Algen oder Säugetierzellen eingesetzt, die oftmals zuvor gentechnisch verändert wurden, während als nicht lebende Materialkomponente organische oder anorganische Polymere sowie Mineralien oder Metalle verwendet werden. Weiterlesen

Janus-Partikel

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Dr. Diana Freudendahl, Dr. Heike Brandt, Dr. Ramona Langner

Janus, der römische Gott des Anfangs und des Endes, und insbesondere seine Darstellung als vorwärts- und rückwärtsblickender Janus-Kopf gelten als Symbol der Zwiespältigkeit. Eben jener Name wurde daher vor etwas mehr als 30 Jahren für Partikel und Materialien gewählt, die in klar abgegrenzten Bereichen ihrer Oberfläche verschiedene und teils gegensätzliche physikalische oder chemische Eigenschaften aufweisen – in gewisser Weise also zwiespältig sind. So kann ein Janus-Partikel auf der einen Hälfte seiner Oberfläche wasserabweisend sein und auf der anderen wasserliebend. Alternativ wurden auch Janus-Partikel synthetisiert, die halbseitig z. B. unterschiedliche Farben, magnetische oder elektrische Eigenschaften oder andere Funktionalitäten aufweisen. Ihre Eigenschaften werden in jedem Fall durch ihre asymmetrische Struktur bestimmt. Die Form solcher Partikel reicht dabei von Kugeln und Hanteln bis hin zu Scheiben und Stäbchen. Im Fall von zweidimensionalem Schichtmaterial sowie Membranen kann sich die Janus-Struktur sowohl auf die Ober- und Unterseite als auch auf bestimmte Areale einer Seite des Materials beziehen. Die Partikel können sowohl aus Kunststoffen, Metallen oder Keramiken sowie als hybride Werkstoffstrukturen hergestellt werden. Weiterlesen

Innovative Werkstoffherstellung für das Polymer Laser Sintern – Teil 2

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Das Polymer Laser Sintern wird zu den additiven Fertigungsverfahren gezählt und erfreut sich aufgrund kurzer Produktzyklen und hoher Freiheitsgrade in der Fertigung immer größerer Beliebtheit. Die breitere Anwendung des Verfahrens wird unter anderem noch durch eine begrenzte Materialauswahl behindert, welche auf hohe Anforderungen und das Fehlen passender Herstellungsprozesse zurückzuführen ist. Im zweiten Teil dieses Artikels werden zwei experimentelle Herstellungsverfahren aus der aktuellen Forschung an der Universität Paderborn vorgestellt, welche das Potenzial bieten, die bisherigen Restriktionen zu beseitigen.

Im ersten Teil des Artikels wurde die kryogene Vermahlung als ein bereits etabliertes Verfahren zur Herstellung von SLS-Materialien vorgestellt, obwohl lediglich scharfkantige Partikeln und somit Pulver mit i.d.R. schlechten Fließeigenschaften erzeugt werden können. Um die Fließeigenschaften in einem nachgelagerten Schritt zu verbessern, werden an der Universität Paderborn die thermische Verrundung und die mechanische Verrundung tiefergehend untersucht. Bei der thermischen Verrundung in der Gasphase werden die Partikeln in einem vertikal beheizten Reaktor teilweise aufgeschmolzen und erhöhen aufgrund der geringeren Oberflächenspannung ihre Sphärizität, welche sie in der Erstarrungsphase beibehalten. Aktuelle Anlagen zur thermischen Verrundung liefern allerdings nicht nur eine geringe Ausbeute, sondern sind auch mit hohem Energieverbrauch verbunden, weshalb intensiver Forschungsbedarf besteht, um das Verfahren für die Massenproduktion weiterzuentwickeln. Weiterlesen

Innovative Werkstoffherstellung für das Polymer Laser Sintern – Teil 1

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Unter Berücksichtigung von Lieferkettenstörungen und immer kürzeren Produktzyklen sowie einem fortschreitenden Trend zur Individualisierung, gewinnt die Additive Fertigung immer mehr an Bedeutung. Der Polymer-3D-Druck mittels Pulverbettverfahren (SLS) hat sich dabei kontinuierlich vom Prototypenbau hin zu einer Standardfertigungsmethode für Kleinserien, Ersatzteile und Individualbauten in vielen Branchen entwickelt. In diesem zweiteiligen Artikel soll zunächst auf die Anforderungen an SLS-Materialien eingegangen und konventionelle Herstellungsverfahren beschrieben werden. Der zweite Teil beschäftigt sich mit den Chancen und Möglichkeiten experimenteller Herstellungsmethoden welche momentan an der Universität Paderborn erforscht werden.

Vorreiter in der Industrialisierung der Additiven Fertigung ist das Polymer Laser Sinter (LS) Verfahren, auch Selektives Laser Sintern (SLS) genannt, bei dem eine dünne, teilkristalline Polymerpulverschicht auf einer Bauplattform aufgetragen, anschließend bis kurz unter die Schmelztemperatur vorgeheizt und selektiv mit einem Laser entsprechend der Bauteilschichtinformation verschmolzen wird (Abbildung 1). Nach dem Absenken der Bauplattform um eine Schicht wiederholt sich der Vorgang so lange, bis der Baujob abgeschlossen ist und die fertigen Bauteile im sogenannten Pulverkuchen abkühlen können. Typischerweise folgen noch weitere Nachbearbeitungsschritte wie grob und fein Entpulvern, glätten oder färben.

Abbildung 1: Lasersinterprozess von der CAD Datei bis zum fertigen Bauteil im Pulverkuchen

Abbildung 1: Lasersinterprozess von der CAD Datei bis zum fertigen Bauteil im Pulverkuchen

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Fertigung von Hybridbauteilen aus Holzfurnieren und Kunststoffen mittels Spritzgießen

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Foto (IWF): Bewegliche Werkzeughälfte des Spritzgießwerkzeuges

Foto (IWF): Bewegliche Werkzeughälfte des Spritzgießwerkzeuges

Die Kombination von Kunststoffen mit artfremden Materialien erfolgt im Wesentlichen über das An-, Hinter- und Umspritzen von metallischen Komponenten, die meist als Einleger für Arretierungspunkte in eine übergeordnete Struktur dienen.

Erste Ansätze für die gemeinsame Verarbeitung von Metallen und Kunststoffen als lasttragende Strukturbauteile zielen auf die vorteilhafte Kombination beider Materialien unter Ausnutzung der spezifischen Eigenschaften ab. Die metallische Komponente im hybriden Verbund sorgt für eine ausreichende Festigkeit und die geometrisch flexibel realisierbare Kunststoffapplikation bringt z.B. in Form von Rippen die nötige Steifigkeit auf.

Flächige Hybridbauteile benötigen aber häufig eine Faserverstärkung in der Kunststoffkomponente, um die Verbundsteifigkeit zu erhöhen. Meist kommen dazu in Abhängigkeit der Bauteilanforderungen flächige, vorimprägnierte, textile Halbzeuge wie Organobleche und Tapegelege oder kurzfaserverstärkte Kunststoffgranulate zum Einsatz. Aufgrund der im Vergleich zu Metallen hohen gerichteten mechanischen Eigenschaften können diese bei geeigneter Auslegung eine Wandstärkenreduzierung der Metallkomponente herbeiführen, wodurch das Bauteilgewicht reduziert und der Integrationsgrad der abzubildenden Bauteilfunktionen erhöht werden kann. Weiterlesen

Ein Betrag zur Transformation in der Rohstoffwirtschaft aus dem Labor für nachhaltige und nützliche Innovation für eine globale Rohstoffwende

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Fünf schlechte Beispiele: 1) Partikel von Erdölplastik sind über die ganze Welt verteilt, 2) es gibt Plastikinseln im Ozean, 3) Mikroplastik wird am den Polen nachgewiesen, 4) tausende Bauteile aus Plastik finden sich in Geräten eines ganz normalen Haushalts und 5) in der Logistik des Einzelhandels werden bereits zweifach verpackte Lebensmittel mit Plastikfolie zu Großgebinden gepackt.

Eine Frage: Ist eine konservative, unverstellte, gar neutrale Sichtweise auf eine Welt ohne Plastik möglich?

Eine Herangehensweise:„Plastikfrei ohne Augenbinde“ bedeutet im Mikro Think Tank vom Labor für nachhaltige und nützliche Innovationen den skalierten, multidimensionalen und transdisziplinären Blick auf Zustände und Umstände.

Ein Slogan: Mit „plastikfrei“ zu nachhaltigen Lösungen für wirksame Maßnahmen der konkreten Umsetzung von biogilen Kunststoffen beitragen!

Die visionäre Betrachtung greift, von Rohstoffen her, verschiedene Facetten auf und denkt dabei über Produkte hinaus, um eine Transformation durch taten von morgen für eine nachhaltige Zukunft anzuregen. Weiterlesen

Welche Ängste ergeben sich bei Preisverhandlungen und wie sollte ich damit umgehen?

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Zwei gleichartige produzierende Zulieferfirmen aus der mittelständischen Industrie mit einem Umsatz von jeweils rund 20 Mio.€ haben sich Anfang des Jahres vorgenommen, eine Preiserhöhung bei Ihren Kunden umzusetzen. Im Management sind jedoch völlig unterschiedliche Voraussetzungen vorhanden.

Beschreibung Firma A

Beim ersten Unternehmen handelt es sich um eine Firma, die schon lange im Familienbesitz ist. Die Geschäftsführung wird entweder mit geeigneten Personen aus den internen Reihen oder mit externen Fachspezialisten besetzt. Den Eigentümern ist es dabei wichtig, dass das Unternehmen nicht nur nach maximalen Erträgen und hohen Renditen geführt wird, sondern dass eine wertebasierte Unternehmenskultur unter den Mitarbeitern herrscht und dass mit den Kunden und Lieferanten eine partnerschaftliche und langfristige Zusammenarbeit umgesetzt wird. Das Management überlegt sich regelmäßig, welchen Herausforderungen es sich heute und in Zukunft stellen muss. Begeisterte Mitarbeiter sind die Investition für die Zukunft. Weiterlesen

Zusammenspiel von Künstlicher Intelligenz (KI) und menschlichem Erfahrungswissen in der Fertigung

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Neues Assistenzsystem unterstützt mittelständische Unternehmen ohne KI-Fachexpertise
Additives Lichtbogenauftragschweißen

Additives Lichtbogenauftragschweißen

Eine „Hybride Intelligenz“, die das Wissen von erfahrenen Werker*innen und die Vorteile von Künstlicher Intelligenz miteinander verknüpft, haben Forschende des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) der Technischen Universität Berlin entwickelt. Das System verbindet damit das Beste aus beiden Welten: Menschen verstehen die Zusammenhänge zwischen Qualitätsmerkmalen des Produkts und verschiedenen Parametern im Fertigungsprozess (wie elektrische Leistung, Temperatur, Druck etc.) oft intuitiv aus ihrer Arbeitserfahrung heraus. KI dagegen ist in der Lage, eine Vielzahl an Sensordaten zusammenzuführen und sie in Echtzeit zu analysieren. Dadurch kann die Hybride Intelligenz nicht nur Einblicke in bestimmte Stadien des Fertigungsprozesses geben, die sonst nicht möglich wären. Das vom IWF entwickelte „KI-kognitionsunterstützende Assistenzsystem zur Inprozesskontrolle“ (KIKA-IPK) lernt auch stetig dazu: Sowohl aus den großen Datenmengen wie auch aus dem direkten Feedback der Werker*innen. Gerade kleine und mittelständische Unternehmen (KMU), die keine In-house-Expertise in KI haben, können davon profitieren. Weiterlesen

Additive Fertigung – durchgängig simuliert

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© Fraunhofer IWMSimulation der Entstehung einer kolumnaren Mikrostruktur im Laser-Schmelzbad

© Fraunhofer IWM
Simulation der Entstehung einer kolumnaren Mikrostruktur im Laser-Schmelzbad

Die additive Herstellung von Werkzeugen mit pulverbettbasiertem Laserstrahlschmelzen »Laser Powder Bed Fusion« bietet zahlreiche Vorteile, sie ist wirtschaftlich, präzise und ermöglicht individuelle Lösungen. Doch ist es mitunter schwierig, die optimalen Prozessparameter, wie die Geschwindigkeit oder die Leistung des Lasers, zu bestimmen. Fraunhofer-Forschende simulieren erstmalig den Prozess auf der Mikrostrukturskala, um direkte Zusammenhänge zwischen Werkstückeigenschaften und gewählten Prozessparametern erkennen. Dafür kombinieren sie verschiedene Simulationsmethoden miteinander. Weiterlesen

Neue Anlage produziert Kohlenstoff aus Luft

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Der neue NECOC-Anlagenverbund am KIT produziert den Hightech-Rohstoff Kohlenstoff aus dem klimaschädlichen CO2 der Umgebungsluft. (Foto: Markus Breig)

Der neue NECOC-Anlagenverbund am KIT produziert den Hightech-Rohstoff Kohlenstoff aus dem klimaschädlichen CO2 der Umgebungsluft. (Foto: Markus Breig)

Das Treibhausgas CO2 aus der Atmosphäre entnehmen und durch kombinierte Prozesse in einen stabilen Kohlenstoff umwandeln – das leistet seit diesem Monat ein neuer Anlagenverbund am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) im Versuchsmaßstab. Das im Forschungsprojekt NECOC gemeinsam mit Industriepartnern entwickelte Verfahren vereint negative Emissionen mit der Produktion eines Hightech-Rohstoffs. Nun soll es energetisch optimiert und skaliert werden. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz fördert mit 1,5 Millionen Euro. Weiterlesen