Opportunity Map Hybridisation area material technology Stuttgart

Transkript

1 Opportunity Map Hybridisation area material technology Stuttgart Fraunhofer IAO, IAT Universität Stuttgart

2 Inhalt Durchgeführte Interviews Materialtechnologie: Identifizierte Anwendungsbereiche und Trends Opportunity Map der Region Stuttgart 2

3 Durchgeführte Interviews 4 Unternehmen, 3 Forschungseinrichtungen Organisation Branche Produkte und Lösungen Mitarbeiter Umsatz Unternehmen A Maschinenbau Maschinen für die Papier verarbeitende Industrie 94 21,5-23,5 Mio. Unternehmen B Rapid Prototyping Dienstleistungen, Erstellung von RP-Produkten 40 4 Mio. Unternehmen C Oberflächenbehandlung Oberflächenveredelung von RP-Produkten T Unternehmen D Maschinenbau Automationslösungen Mio. Forschungseinrichtung E Anwendungsorientierte Forschung an der Naturwissenschaften, Schnittstelle von Bio- und Medizin Materialwissenschaften 170 n.a. Kunststoff-Werkstoffwissenschaften und - Forschungseinrichtung F Kunststofftechnik Werkstofftechnik, Verarbeitungstechnologie, 50 n.a. sowie Produktentwicklung Forschungseinrichtung G Grenzflächen- und Grenzflächentechnologie und Bioverfahrenstechnik Materialwissenschaften 280 n.a. 3

4 Warum Materialtechnologie? Branchenübergreifendes Thema mit Potenzial Basis für Produkte und damit wichtige Bedeutung für viele wirtschaftliche Bereiche Größter Kostenblock für produzierende Unternehmen 70 % der technischen Innovationen hängen direkt oder indirekt von den Eigenschaften der verwendeten Materialien ab Quellen: Interviews mit Experten; Peters (2010): Material formt Produkt. HA Hessen Agentur GmbH (Hg.); Pastewski et al. (2011): Materialeffizienz durch den Einsatz von Nanotechnologien und neuen Materialien. 2. Auflage. HA Hessen Agentur GmbH (Hg.) Abbildung: Kostenarten im produzierenden Gewerbe (Statistisches Bundesamt 2006) 4

5 Identifizierte Technologiethemen im Projekt Hybrisectors Nanotechnologie Oberflächenbehandlung Intelligente Materialien Klebstoffe Neue Materialien (Kunststoffe, Verbundwerkstoffe, Biomaterialien) Bilder: MS Office und dpa,

6 Nanotechnologie (1/3) Verstärkung von Aluminium in Verbundwerkstoffen mit Nanopartikeln Substitution von toxischen Materialien mit Hilfe von nanotechnologischen Substanzen. Z. B. durch Einsatz von Silberpartikel anstatt Antibiotika kann Bakterienwachstum auf Oberflächen entgegengewirkt werden (Hygiene von Hörgeräten) Mit Substitution Schaffung nanotechnologischer Korrosionsschutzschichten Leichtbau durch den Einsatz von Kohlenstoff-Nanoröhren: CNTs als Füllstoff zur Erhöhung der Belastbarkeit oder Flexibilität von verschiedenen Werkstoffen, bei gleichzeitiger Gewichtseinsparung. Betrifft Verbundwerkstoffe auf Kunststoff- oder Metallbasis (z. B. Tennisschläger, Strukturbauteile für Luftfahrt + Automobilbau) Nanoskalige Ausrüstung von Werkzeugen für längere Einsatzzeiten: Verlängerung der Lebensdauer von Werkzeugen in der Produktion. Hartschichten können auf Werkzeug aufgebracht sein (die nanoskalig aufgebaut sind) oder das gesamte Bauteil wird durch nanotechnologische Optimierung veredelt. Es lassen sich z. B. Standzeiten um 50 % erhöhen 6

7 Nanotechnologie (2/3) Neuartiger Korrosionsschutz sorgt für Bauteillanglebigkeit und - sicherheit. Z. B. durch Sol-Gel-Beschichtungen. Wesentlich dünnere Schicht notwendig Lacksysteme: geringere Beschichtungsdicke notwendig und verbesserte Werkstoffeigenschaften. Lackverbrauch durch Beschichtungsdicke minimieren Verbesserung der Fließeigenschaften von Kunststoffen im Spritzgussprozess mittels Nanotechnologie: im Polymer dispergierte Nanopartikel Lösungsmittelfreie Pulverbeschichtung 7

8 Substitution gefährlicher Einsatzstoffe: nanopartikelbasierte Schichten können selbstheilend wirken. Z. B. beim Korrosionsschutz angewendet. Anstelle Chrom-VI, welches für einige Anwendungsbereiche verboten ist Effizientere Batteriesysteme: Nanokristalline Komposite-Materialien oder CNTs als Ersatz für Graphit in der Erprobung. Haben höhere Lebensdauer, robuster, können häufiger geladen und entladen werden. Durch CNTs anstelle Graphit kann die Speicherkapazität von Lithium-Ionen-Batterien um 30% erhöht werden Neue Produktfunktionen: durch Oberflächenbeschichtung kann die Lebensdauer von Produkten erhöht werden. Wie zum Beispiel: Antibakterielle (Silbernanopartikel) Kratzfestigkeit durch Nanolack Nanotechnologie (3/3) Nanoskalige Füllstoffe sorgen für dichtere und weniger Verpackung Tribologische Beschichtungen: Hartbeschichtungen mit Nanopartikeln. Zur Verschleißreduktion, als Schmiermittelersatz Antifhaftbeschichtungen, Wasser- und Ölabweisend 8

9 Oberflächenbehandlung Auftragung von hochwertig dünnen Schichten über das Plasmaverfahren zur Abtragung von Oberflächen, Funktionalisierung oder Aufpolymerisieren von dünnen Schichten. Führt zur Material- und Kosteneinsparung. Verbesserung von Oberflächen: Tribologie, für Anti-Eis Beschichtungen, zum Korrosionsschutz, zur Steigerung der Kratzfestigkeit, zur Erzeugung antibakterieller Beschichtungen 9

10 Quellenauszug zur Nanotechnologie und Oberflächenbeschichtung Nanotechnologie: Pastewski et al. (2011): Materialeffizienz durch den Einsatz von Nanotechnologien und neuen Materialien. 2. Auflage. HA Hessen Agentur GmbH (Hg.) Nanopartikel: Selbstschmierende Beschichtung: Wasser- und Ölabweisend: 10

11 Neue Materialien (Kunststoffe, Verbundwerkstoffe, Biomaterialien) Tragen zur Reduzierung von Gewicht bei Ein verstärkter Einsatz von Biokunststoffen findet statt Naturfaserverstärkte Kunststoffe finden einen Durchbruch am Massenmarkt Durch die Zugabe von Nanoadditiven in Kunststoffen können teure Werkstoffe substituiert werden und zusätzlich besitzen sie verbesserte Eigenschaften hinsichtlich Belastbarkeit, Leitfähigkeit, Zähigkeit oder Steifigkeit Selbstheilende Kunststoffe, "blutender Werkstoff", heilt sich selbst und zeigt durch Verfärbung Schadensstelle an sicherheitsrelevanten Bauteilen an 11

12 Naturfasern: Selbstheilender Werkstoff: &content_id=cnbp_029646&use_sec=true&sec_url_var=region1& uuid=c2a876a3-c2b4-4b00-9dae- 7efbf65c429a Nano in Kunststoffen: Quellenauszug zu neue Materialien endung.pdf 12

13 Intelligente Materialien Legierungen mit Formgedächtnis vermehrt im Einsatz, z. B. in der Medizintechnik (Stents) oder im Automobilbau (Antennen/ Stoßdämpfer) Verstärkter Einsatz von Piezo-Keramiken z.b. nicht an das Stromnetz angeschlossene Lichtschalter Elektroaktive Kunststoffe simulieren Muskeln (künstliche Muskeln) Aktuatorische Funktionen um z.b. durch elektrische Ansteuerung eine Bewegung zu erzeugen 13

14 Quellenauszug zu intelligente Materialien Piezokeramiken: 14

15 Schaltbares Kleben: aufgrund von Nachteilen in der thermischen Härtung von gebräuchlichen Klebern (Polyurethan- und Epoxidklebstoffe) wurden neue Klebstoffe mit Nanopartikeln entwickelt Klebeprozess mittels Magnetfeld: Klebstoffe Eingemischte superparamagnetische Eisenferrit-Partikel erlauben das Kleben und Entkleben auf Kommando. Vollständige und Zerstörungsfreie Trennung der Bauteile möglich Biologisch abbaubare, ungiftige und flexible Klebstoffe kommen in der Unterwassertechnik oder der Chirurgie zum Einsatz ( Muschelkleber ) Proteinbasierte Klebstoffe werden verstärkt eingesetzt Durch adhäsive Strukturierungen (Geckoeffekt) und ultrapräzise Flächen wird zukünftig weniger Klebstoff benötigt werden und somit auch die Lösungsmittelemission gesenkt 15

16 Schaltbares Kleben: Pastewski et al. (2011): Materialeffizienz durch den Einsatz von Nanotechnologien und neuen Materialien. 2. Auflage. HA Hessen Agentur GmbH (Hg.) Biologische Kleber: opic=mt-ff%2cmt-mw Geckoeffekt: Quellen für Klebstoffe

17 Opportunity Map der Region Stuttgart AUSZUG Vollständige Opportunity Map: OpportunityMap_Stuttgart_Final.xlsx Trends Maschinenbau: Unternehmen A Rapid Prototyping: Unternehmen B Die Beschichtung von Rapid Prototyping Produkten über die Galvanisierung sorgt für eine Eigenschaftsverbesserung der Bauteile. Kooperation mit Unternehmen C: Einführung des Verfahrens "Galvanisierung" Funktionalisierung von Oberflächen (antibakterielle, hydrophobe, selbstreinigende oder biofunktionale Oberflächen) mit Nanotechnologie die mit Hilfe des Plasmaverfahrens aufgetragen werden. Kooperation mit Unternehmen C: Den Prozesschritt der Plasmabehandlung aus der Galvanisierung einführen " + Forschungseinrichtung G Einführung des Verfahrens der Plasmabeschichtung Kooperation mit Unternehmen C: Den Prozesschritt der Plasmabehandlung aus der Galvanisierung einführen " + Forschungseinrichtung G Einführung des Verfahrens der Plasmabeschichtung K d Durch den Einsatz von Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder Graphen werden seltene Erden ersetzt und dadurch Kosten gesenkt. Kooperation mit Forschungseinrichtung G: Ersatz von Bauteile aus Metall Nanosensoren führen viele Funktionen auf einmal aus, wie die Messung des Blutzuckers und fungieren als Herzschrittmachen. Nanopartikel werden in der Medizintechnik als Trägermaterial für Medikamente eingesetzt. Der Einsatz von Bauteilen mit Formgedächtnis findet starken Absatz z.b. in der Biomedizin oder Automobilindustrie. Verstärkter Einsatz von Piezo-Keramiken z.b. im Hausbau. Elektroaktive Kunststoffe werden vermehrt in der Displaytechnik und im Automobilbau eingesetzt. Gewicht wird durch den Einsatz von kohlefaserverstärkten Kunststoffen gesenkt. Kooperation mit Forschungseinrichtung F: Einsatz von Kunststoffen im Anlagenbau 17

18 Opportunity Map der Region Stuttgart Kooperationsmöglichkeiten zwischen den Organisationen Wer kann mit wem kooperieren? Kooperation sinnvoll Kooperation vielversprechend Unternehmen Forschungseinrichtungen A B C D E F G A Unternehmen B C D E 3 Forschungseinrichtungen F G

19 Opportunity Map der Region Stuttgart Vernetzung der Organisationen 19

20 Kontakt Judith Binzer Telefon Michael Schubert Telefon