Halbzeuge für faserverstärkte Kunststoffe

Abbildung 1: Ashby Diagramm der Konstruktionswerkstoffe adaptiert von [1]

Abbildung 1: Ashby Diagramm der Konstruktionswerkstoffe adaptiert von [1]

Einsatz vor allem im Leichtbau

Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) bilden eine vielseitige Klasse der Konstruktionswerkstoffe, welche stetig an Bedeutung und Anwendungsgebieten hinzugewinnt. Hochleistungsfasern von hoher Festigkeit und Steifigkeit werden dabei in einer Matrix aus Kunststoff eingebettet. Sie tragen die mechanischen Lasten, welche auf das Bauteil einwirken. Die Kunststoffmatrix gibt dem Bauteil seine Form, indem sie Lasten zwischen den Fasern überträgt, und schützt die Fasern vor Umwelteinflüssen. Durch diese Kombination entsteht ein Werkstoff mit völlig neuen Eigenschaften.

Gängige Fasern sind Glas- sowie Carbonfasern, wobei auch diverse Polymerfasern (Aramid, PBO, UMHWPE…) und zunehmend auch Naturfasern (Flachs, Jute, Basalt…) zum Einsatz kommen.

Mit Schnittfasern verstärkte technische Kunststoffe wie Polyamid werden in großen Mengen, vor allem im Spritzguss, verarbeitet und kommen in viele Gegenstände des täglichen Gebrauchs zur Anwendung. Mit Endlosfasern verstärkte Hochleistungskunststoffe bieten hingegen unübertroffene gewichtsspezifi-sche mechanische Eigenschaften (Abbil-
dung 1) und kommen daher in vielen Leichtbauanwendungen, etwa in der Luft- und Raumfahrt oder im Rennsport, zum Einsatz. Weiterlesen

Living Materials

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

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

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

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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Optische Materialcharakterisierung und Prozesskontrolle beim Laserschweißen von Kunststoffen

Im Bereich der Fügetechnologien von Kunststoffen, bietet das Laserdurchstrahlschweißen im Vergleich zu anderen Verfahren eine einzigartige Vielfalt an Prozessüberwachungsmethoden zur Sicherstellung der Schweißnahtqualität. Vorteilhaft wirkt sich dabei aus, dass die Einflussgrößen aus Prozess und Maschine nur sehr kleinen Streuungen unterliegen und überwiegend erfasst und geregelt werden. Treten größere Schwankungen in der Qualität des Schweißergebnisses auf, können sie zumeist auf die Fügeteile selbst zurückgeführt werden. Die Prozesseinflussgrößen sind dort vielfältig, allen voran spielen die Bauteiltoleranzen sowie die optischen Eigenschaften des Materials eine bedeutende Rolle. Letztere – besonders die Lasertransmission des lasertransparenten Fügepartners – werden wiederum von zahlreichen Faktoren beeinflusst. Hier sind, neben der Art des Materials, insbesondere die Vorprozesse (z. B. der Spritzguss) oder enthaltene Additive – wie Farbmittel und Glasfasern – zu nennen.

Bild 1: PICTOR Systeme zur Messung der Lasertransmission: links PICTOR Planar, Mitte PICTOR Radial, rechts PICTOR Radial als Integrationslösung (Quelle: Intego)

Bild 1: PICTOR Systeme zur Messung der Lasertransmission: links PICTOR Planar, Mitte PICTOR Radial, rechts PICTOR Radial als Integrationslösung (Quelle: Intego)

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Höhere Lagerlebensdauer durch neue Beschichtungen

Optimal geeignet sind verschleißfeste Lager als Hauptwellenlager von Windturbinen und als Getriebelager. The Timken Company

Optimal geeignet sind verschleißfeste Lager als Hauptwellenlager von Windturbinen
und als Getriebelager. The Timken Company

Eine neue Beschichtungstechnik, mit deren Hilfe die Leistung von Wälzlagern weit über deren bisherige Grenzen hinaus gesteigert wird, ist das Ergebnis von mehr als einem Jahrzehnt Forschung und Entwicklung. Dieser Beitrag beschreibt, in welchen Schritten diese Technologie entwickelt wurde und welche Vorteile sie in der Praxis bietet.

Noch in den 2000er-Jahren begannen Timken und andere Lagerhersteller damit, die Wälzelemente von Lagern für Nischenanwendungen zu beschichten. Die gebräuchlichste Beschichtung war ein Wolframkarbid mit einer amorphen Kohlenwasserstoffschicht, ein sogenannter diamantähnlicher Wolframkarbon. Erstmals bereits 2008 startete Timken umfassende Anwendungstests von Lagern mit dieser Beschichtung, die aus verschiedenen Bezugsquellen erhältlich war. Weiterlesen

Keramische Werkstoffe und Technologien als Schlüsselkomponenten für die Fertigung – Neues aus der Forschung

Sialonfräser (Quelle: GFE Schmalkalden e. V., Sommertools).

Sialonfräser (Quelle: GFE Schmalkalden e. V., Sommertools).

Bauteile aus Hochleistungskeramiken, Hartmetallen und Cermets sind Schlüsselkomponenten im Maschinen- und Anlagenbau sowie der Fahrzeugtechnik. Sie kommen durch ihre überragenden Eigenschaften oft als einzige Lösung in Frage. Die Werkstoffe bieten sich traditionell für Verschleißteile und Werkzeuge sowie spezifisch beanspruchte Bauteile an. Weitere Einsatzbereiche sind Prüfsysteme und Sensorik für die Überwachung von Komponenten und Fertigungsanlagen auf Basis von Funktionskeramiken. Hybridtechnologien Kombinieren hier Formgebungstechnologien, Werkstoffe und Funktionen. Weiterlesen

Therapeutische Nanomaterialien

Dr. Vanessa Hollmann, Dr. Ramona Langner, Dr. Diana Freudendahl

Der steigenden Anzahl an Infektionskrankheiten, sei es durch verstärkt auftretende, bereits bekannte Infektionskrankheiten, eine wachsende Zahl multiresistenter Keime oder neu auftretende Viren mit möglichem Pandemie-Potential, muss mit einer schnellen und flexiblen Arzneimittelentwicklung begegnet werden. Therapeutika auf Basis von maßgeschneiderten Nanomaterialien könnten in Zukunft neue Möglichkeiten in der Behandlung solcher, aber auch anderer Krankheiten darstellen. Nanomaterialien umfassen dabei verschiedenste Partikel mit einer definierten Größe von meist weniger als 100nm. Weiterlesen

Thermoplast Kautschuk Coextrusion – Materialkombinationen für einen einstufigen Prozess

Einsatz coextrudierter Profile

Elastomerprofile werden in vielen Anwendungsfeldern zur Mediendichtung oder Vibrations- und Stoßdämpfung eingesetzt. Um sie in ihrer Form zu stabilisieren und mit anderen Elementen zu verbinden, werden häufig hybride Profile mit harten und weichen Anteilen hergestellt. Durch Kombination der Werkstoffe in einem Produkt können ihre Stärken kombiniert und Schwächen kompensiert werden, z.B. durch Integration elastischer und starrer thermoplastischer Elemente. Bisher können solche Hybride nur in aufwendigen zweischrittigen Verfahren hergestellt werden, die meist auf die Verwendung von kostenintensiven Haftvermittlern angewiesen sind [1]. So werden bei Automobildichtungen z. B. Leisten aus Polyvinylchlorid (PVC) zur mechanischen Unterstützung der Dichtlippen an das Profil geklebt oder verstärkende Stahlbänder mit Kautschuk überzogen [2].

In einem Forschungsvorhaben des Instituts für Kunststoffverarbeitung (IKV) wird die Umsetzung eines Coextrusionsverfahrens untersucht, das eine Herstellung solcher Hybridprofile aus Elastomer und Thermoplast in einem Schritt ohne Haftvermittler ermöglicht. Dazu wird u. a. ein neuartiges Coextrusionswerkzeug entwickelt. Die Stoffströme werden im Werkzeug unter Druck zusammengeführt, so dass ein fester Verbund entsteht. Im Anschluss wird der Kautschuk durch Infrarotstrahlung vulkanisiert, wobei der Thermoplast abgeschirmt wird. In einem ersten Schritt wurden verschiedene Materialkombinationen aus Thermoplasten und Kautschuken hinsichtlich ihrer Verbundhaftung getestet, um deren prinzipielle Eignung für das geplante Vorgehen zu beurteilen. Weiterlesen