MATERIALEFFIZIENZ DURCH FUNKTIONSINTEGRATION

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1 MATERIALEFFIZIENZ DURCH FUNKTIONSINTEGRATION Arbeitskreis Rohstoff- und Materialeffizienz Prof. Dr.-Ing. Gerhard Ziegmann Dipl.-Ing. Gabriella-Paula Brunotte Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik 29. Oktober 2013

2 Kurzvorstellung PuK Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik Materialeffizienz durch Funktionsintegration 2

3 Clausthaler Zentrum für Materialtechnik CZM Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik Materialeffizienz durch Funktionsintegration 3

4 Multifunktionale Werkstoffsysteme Lösungsmatrix: - Bewältigung von Strukturanforderungen - Implementierung von Funktionalitäten durch Materialsysteme - Integration von Sensorik / Aktorik (aktive Strukturen) - Koppelmechanismen für Strukturkonzepte (Stoff-, Form-, Kraftschluss) - Neue Schichtsysteme für erhöhte Beanspruchung Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik Materialeffizienz durch Funktionsintegration 4

5 Generierung von MMS - Ziele und Visionen Schichtweiser Aufbau Diskontinuierlich gradierter Aufbau Strukturierter, mehrphasiger Aufbau Kontinuierlich gradierter Aufbau Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik Materialeffizienz durch Funktionsintegration 5

6 Polymere Faserverbunde Industrielle Bedeutung für den Einsatz neuer Materialien Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik Materialeffizienz durch Funktionsintegration 6

7 Materialkombinationen Widerstandsschweißen Grundprinzip Schema des Schweißverfahrens [Quelle] W. Surjoseputro, Widerstandsschweißen, AVK-Preis: Innovationspreis Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik Materialeffizienz durch Funktionsintegration 7

8 Grenzfläche Duromer / Thermoplast Duromer (Composite) Hohe mechanische Eigenschaften Grenzschicht (Interdiffusionszone) Thermoplast (Funktionsschicht) schweißbar [Quelle] S. Niemeyer et al., Wet Laminating for Creating thermoplastic functional layers on thermosetting composites, Seico, Paris, März Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik Materialeffizienz durch Funktionsintegration 8

9 Grenzfläche Duromer / Thermoplast Duromer (Composite) Hohe mechanische Eigenschaften Grenzschicht (Interdiffusionszone) Thermoplast (Funktionsschicht) schweißbar [Quelle] S. Niemeyer et al., Wet Laminating for Creating thermoplastic functional layers on thermosetting composites, Seico, Paris, März Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik Materialeffizienz durch Funktionsintegration 9

10 Widerstandsschweißen Bauteil Duromer Grenzschicht Kartrode (TP) Grenzschicht Duromer [Quelle] A. Eggers, Herstellung, Charakterisierung und Modifizierung der CF-Kartrode als Heizelement beim Widerstandsschweißen von CFK-Bauteilen, Masterarbeit, TU Clausthal, Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik Materialeffizienz durch Funktionsintegration 10

11 Sandwichstrukturen Einsatzgebiete Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik Materialeffizienz durch Funktionsintegration 11

12 Großstrukturen in Wickeltechnik Waggonkasten eines Neigezugwagens im Maßstab 1:2,5 Realisierte Großwickelmaschine [Quelle] ETH Zürich Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik Materialeffizienz durch Funktionsintegration 12

13 Leichtbaustrukturen Designkonzepte Crashtest Materialauswahl Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik Materialeffizienz durch Funktionsintegration 13

14 Werkstoffkombination Metalllegierung / CFK Wickeln von Hochdruckbehältern Wasserstoffhochdrucktank - Für den mobilen Einsatz - Speicherdruck: 700 bar Materialkombination - Liner: Kunststoff oder Metall - Boss: Metall - Außenschicht: CFK Projektplanung: Antrageinreichung bei NIP mit Ziel Projektstart 2013 [Quelle] KLuB, TU Darmstadt. [Quelle] International Journal of Hydrogen Energy, Bd. 7, S , Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik Materialeffizienz durch Funktionsintegration 14

15 Hochgefüllte Funktionswerkstoffe Elektrokleinmotor Ersatz des Ankerblechstapels Konstruktionsmodell zur Herstellung spritzgegossener polymer bonded soft magnetic composites (PBSMC) [Quelle] M. Bosse, Darstellung der kunststofftechnischen Verarbeitung und funktionellen Leistungsfähigkeit weichmagnetisch hoch gefüllter Thermoplaste, Dissertation, TU Clausthal, [Quelle] S. Kirchberg, Einfluss von Füllgrad und Geometrie weichmagnetischer Partikel auf die Verarbeitungs- und Materialeigenschaften ausgewählter Thermoplaste, Dissertation, TU Clausthal, Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik Materialeffizienz durch Funktionsintegration 15

16 Magnetische Eigenschaften Einfluss des Partikelfüllgrades auf µ max [3] Partikelmaterial: FeSi, µ r = , D 50 -Wert: 58 µm Fe 3 O 4, µ r = 5-35, D 50 -Wert: 17 µm [Quelle] S. Kirchberg, Einfluss von Füllgrad und Geometrie weichmagnetischer Partikel auf die Verarbeitungsund Materialeigenschaften ausgewählter Thermoplaste, Dissertation, TU Clausthal, Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik Materialeffizienz durch Funktionsintegration 16

17 Funktionsfüllstoff Herstellung in Anlehnung an Ming et al. & Einarbeitung in eine Kunststoffmatrix [Quelle] W. Ming, D. Wu, R. van Benthem, G. de With, Superhydrophobic Films from Rasberry-like Partikels, Nano Letters, vol. 5, pp , Funktionelle Eigenschaften der PBSMCs [Quelle] S. Kirchberg, Einfluss von Füllgrad und Geometrie weichmagnetischer Partikel auf die Verarbeitungs- und Materialeigenschaften ausgewählter Thermoplaste, Dissertation, TU Clausthal, Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik Materialeffizienz durch Funktionsintegration 17

18 Fe 6.8Si-Mikropartikel Primärpartikel Fe 3 O 4 -Nanopartikel Chemische Oberflächenbehandlung Reaktivsilane Charakterisierung der Oberflächenbehandlung Zetasizer FTIR TGA XPS REM Nano@Mikropartikel DFG-Projekt: Konzeption und Charakterisierung von im Mikrospritzguss verarbeitbaren Thermoplast- Nano@Mikropartikel-Compounds mit definierten geometrischen und funktionellen Eigenschaften, Zi 648/22-1 Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik Materialeffizienz durch Funktionsintegration 18

19 Chemische Oberflächenfunktionalisierung zur Herstellung von Kern-Schale-Partikeln Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik Materialeffizienz durch Funktionsintegration 19

20 Zusammenfassung Zukünftige Anforderungen an Bauteilstrukturen in unterschiedlichen Applikationen Kopplung von unterschiedlichen Werkstoffen zu Verbundsystemen Entwicklung neuer Werkstoffverbundstrukturen / -systeme mit Funktionskopplung Modifikation von Materialeigenschaften Entwicklung neuer Technologien Wissenstransfer zwischen Wissenschaft / Forschung und Industrie Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik Materialeffizienz durch Funktionsintegration 20

21 Dipl.-Ing. Gabriella-Paula Brunotte Technische Universität Clausthal, Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik Agricolastrasse 6, Clausthal-Zellerfeld, Deutschland Tel: +49 (0) , Fax: +49 (0) URL: Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik Materialeffizienz durch Funktionsintegration 21

22 Materialeffizienz durch Funktionsintegration Prof. Dr.-Ing. G. Ziegmann und Dipl.-Ing. Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik Dr.-Ing. Dieter Meiners Institutsleiter Prof. Dr.-Ing. G. Ziegmann Niedersachsenprofessur Faserverbundwerkstoffe Die Anforderungen an künftige Strukturen in unterschiedlichsten Applikationen steigen ständig an, seien es Forderungen nach Gewichtseinsparungen bei bewegten Strukturen, oder die Integration unterschiedlichster Forderungen in eine Struktur. Das Clausthaler Zentrum für Materialtechnik (CZM), eine wissenschaftliche Einrichtung der NTH an der TU Clausthal, hat zum Ziel, durch Werkstoffkopplung unterschiedlichster Werkstoffe neuartige Funktionalitäten in möglichst wenigen Prozessstufen in einer Struktur zu integrieren. Dies können Kopplungen von Metall- und Keramikpulvern im Lasersinterverfahren sein, um z.b. metallische Strukturen mit den hohen Abriebeigenschaften keramischer Komponenten zu kombinieren. Bei Sandwichsystemen mit metallischen Deck- und polymeren Kernschichten (mit und ohne Faserverstärkung) ist die Kopplung metallischer Oberflächen (elektrische Leitfähigkeit, Lackierbarkeit Umformverhalten) mit einem dämpfenden Kernmaterial mit gezielt einstallbaren Festigkeit- und Steifigkeitsverhalten im Zentrum der Forschungsaktivitäten. Die Modifikation des Eigenschaftsbildes von Polymeren durch Partikel (Nano-, Mikropartikel, oder deren Kombination) ist ein weites Forschungsfeld, um gezielt mechanische, aber auch elektrische, magnetische oder sonstige Eigenschaften in einer Struktur einzustellen und gleichzeitig eine kostengünstige, großserientaugliche Fertigungstechnologie für derartige Werkstoffkombinationen zu erarbeiten. Durch Kopplung unterschiedlicher Fasertypen in Faserverbundwerkstoffen lassen sich gezielt Eigenschaftsprofile integrieren, die die Einstellung der Steifigkeit, Festigkeit und Dämpfungsverhalten in einem Strukturbereich erlauben. Das CZM-Gebäude wird im Dezember 2013 eingeweiht und wird die interdisziplinäre Werkstoff- und Prozessforschung in Kopplung mit der interessierten Industrie nach vorne treiben. Bearbeiter: Gabriella-Paula Brunotte Telefon: ( ) Telefax: ( ) Clausthal-Zellerfeld, den 29. Oktober 2013 Anschrift: Agricolastraße Clausthal-Zellerfeld Telefon: ( ) Telefax: ( ) Bankverbindung: Sparkasse Goslar/Harz Kontonummer: Bankleitzahl: IBAN: DE Swift/BIC Code: NOLADE21GSL USt.-Ident-Nr. DE