Werkstoffforschung und Materialentwicklung

Terahertz-Prüfung eines Pultrudats in Reflexion - (Bild: IKT).

Die Forschung am Werkstoff sowie die Materialentwicklung haben in der Kunststofftechnik eine besondere Bedeutung, da sie die Grundlage für die Entwicklung neuer und verbesserter Prozesse sowie der resultierenden Produkte bilden. Durch die ständige Weiterentwicklung der Werkstoffe und die Erforschung neuer Materialeigenschaften können neue Anwendungsmöglichkeiten erschlossen sowie bestehende Produkte verbessert werden. Dies führt zu einer Erhöhung der Leistungsfähigkeit und einer Verlängerung der Lebensdauer sowie zur Senkung der Kosten. Darüber hinaus spielt die Materialentwicklung auch eine wichtige Rolle bei der Erfüllung von Anforderungen in Bezug auf Nachhaltigkeit und Umweltfreundlichkeit

Im Bereich der Polymerisation von Monomeren direkt zu Thermoplasten wird am Institut für Kunststofftechnik bereits seit einigen Jahren intensiv an der In-Situ-Pultrusion von Polyamid 6 geforscht. Zu Herstellung von endlosfaserverstärkten Halbzeugen werden auch heute noch hauptsächlich Duromere als Matrixwerkstoff verwendet, weil sie im Vergleich zu Thermoplastschmelzen eine weit geringere Viskosität aufweisen und somit eine bessere Faserdurchtränkung erlauben. Ziel ist es, bei der In-Situ-Pultrusion die Vorteile eines thermoplastischen Matrixsystems auch zur Herstellung von hochverstärkten Endlosfaser-Profilen zu nutzen.

Mit einer neuartigen Untersuchungsmethode der kombinierten Rasterkraftmikroskopie (AFM) mit Infrarot-Spektroskopie (AFM-IR) wird darüber hinaus intensiv an den Wirkmechanismen in Schweißverbindungen von amorphen Thermoplasten geforscht. Da es bis heute noch nicht möglich ist, einzelne Polymerketten zu beobachten, können die zugrundeliegenden Theorien zu einer Diffusion der Makromoleküle über die Grenzfläche hinweg noch nicht nachgewiesen werden. Mit dem AFM-IR werden hierzu Schweißverbindungen von verschiedenen schweißfähigen Polymeren untersucht und erstmalig dargestellt.

Weitere Forschungsaktivitäten finden im Bereich der Werkstoffentwicklung statt. Ein neu entwickelter Werkstoff mit erhöhtem Licht-Absorptionsvermögen und verringerter Viskosität ermöglicht zukünftig beispielsweise die Herstellung von oberflächenstrukturierten Streulichtblenden mit Nullreflexionsoberfläche. Diese werden in modernen Fahrzeugen zum Schutz für die umfangreiche Sensorik von Fahrassistenzsystemen benötigt und bislang aus einem Filz hergestellt. Im Vergleich zur herkömmlichen Herstellung mit einem Filz sollen die Fertigungskosten sowie die Anfälligkeit gegen Alterung durch UV-Strahlung und mechanische Schädigung deutlich reduziert werden können.

Ein weiteres Beispiel findet sich in der Substitution von klassischen Fluorpolymeren als Fließhilfsmittel für den Extrusions- oder Spritzgießprozess. Hierzu konnte in einem Forschungsprojekt Polysorbat als wirksames Fließhilfsmittel identifiziert werden, welches Fließinstabilitäten während der Verarbeitung unterdrücken und im Vergleich zu klassischen Verarbeitungshilfsmitteln keine Gefahr hinsichtlich Gesundheit- und Umweltbelastung aufweisen soll.

Zur bruchmechanischen Beschreibung des Rissverhaltens von amorphen Thermoplasten wird die Plastifizierung an der Rissspitze mithilfe einer hochauflösenden Thermografiekamera analysiert. Hiermit kann die Temperaturänderung an der Rissspitze auch für hohe Prüfgeschwindigkeiten sehr exakt ermitteln werden. Dadurch können die unvorhergesehenen Veränderungen der individuellen Kunststoffeigenschaften aufgrund der erhöhten inneren Temperaturveränderungen während der Rissbildung und der daraus abgeleiteten lokalen Erweichung erstmals analysiert werden.

Die Alterungseigenschaften von hochgefüllten leitfähigen Kunststoffen sind laut IKT bislang noch wenig erforscht und es gibt keine Erfahrungswerte bezüglich des Langzeitverhaltens der hergestellten Bauteile. Hierzu wird eine kombinierte Untersuchung aus rheologischen, mechanischen und optischen Verfahren eingesetzt, um den Einfluss des Füllgrades und des Matrixwerkstoffs auf die Verarbeitung und das thermo-oxidative Verhalten zu beschreiben.

Untersuchungen an der Universität Stuttgart zeigen, dass die Verwendung von kollaborativen Robotern und optischen Messsystemen zur digitalen Bildkorrelation (DIC) die Möglichkeit bietet, sowohl normgerechte als auch neuartige, komplexe zweidimensionale Prüfkörpergeometrien automatisiert zu vermessen. Ziel ist eine automatisierte Materialcharakterisierung und -modellierung von neuartigen, komplexen Werkstoffen mit hohem Charakterisierungsaufwand.

Dieses und weitere Themen der Kunststofftechnik werden im Rahmen des virtuellen 28. Stuttgarter Kunststoffkolloquiums vom 28. Februar bis zum 02. März jeweils nachmittags präsentiert. Obwohl kostenlos, bitte bis 27.02. registrieren!

In einer zeitlich getrennten Präsenzveranstaltung lädt hiernach das IKT am 09. und 10. März 2023 unter dem Leitthema "Klimaneutrales Europa 2050 - Aufgaben der Kunststoffbranche" zu mehreren Plenarvorträgen und einer Podiumsdiskussion mit namhaften Vertretern aus Wissenschaft und Industrie in die Universität Stuttgart ein.

Weitere Informationen:
www.ikt.uni-stuttgart.de/28.-stuttgarter-kunststoffkolloquium/, www.uni-stuttgart.de

Universität Stuttgart, Institut für Kunststofftechnik (IKT), Stuttgart

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