Wissenstransfer aus Bayern

Wissenstransfer aus Bayern
In der Rubrik „Wissenstransfer aus Bayern“ stellt die Bayern Innovativ GmbH regelmäßig aktuelle Trends aus Wirtschaft und
Wissenschaft vor.
Bioinspiration oder das Lernen von der Natur –
ein Megatrend in der aktuellen Materialforschung
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„Mimetische Polylegierung“ hieß die Zauberformel, die in Schwarzeneggers „Terminator 2“
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heilen ließ. Fiktionale Special effects machten es möglich. Was aber ist im Bereich selbstheilender Materialien heute wirklich machbar? Das Problem ist komplex: alle künstlichen
Materialien sind einem biologischen Gewebe wie es beispielsweise die Haut ist bisher weit
unterlegen. Wissenschaftler arbeiten seit langem an Substanzen und Beschichtungen, die
Kratzer oder mikroskopisch feine Haarrisse in Eigenregie reparieren können. Schäden in
Lack, Keramik oder Beton sollen bioinspiriert auf ähnliche Weise heilen wie Wunden in leEHQGHP*HZHEH2EHUÁlFKHQGLHVLFKVHOEVWKHLOHQNRUURVLRQVEHVWlQGLJVLQG/HLWIlKLJNHLW
besitzen oder verschleißarm bleiben, sind nur einige Beispiele für neue Anforderungen an
Eigenschaften und Funktionalität innovativer Materialien, die die Werkstoffwissenschaften
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Anwendung eine Integration von Funktionen direkt in den Werkstoff sowie eine EigenschaftsYHUEHVVHUXQJYRQ%DXWHLOHQGXUFK2EHUÁlFKHQPRGLÀNDWLRQHQLPPHUZLFKWLJHU6RJHEHQ
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beispielsweise in der Automobilindustrie und der Energietechnik. Diesen Schwerpunktbranchen widmeten sich rund 300 Material-Experten auf dem diesjährigen Symposium Material
Innovativ 2013, das von der Bayern Innovativ GmbH und dem Cluster Neue Werkstoffe am
11. April 2013 in Aschaffenburg veranstaltet wurde.
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Werkstoffe
Kratzer in der teuren Sonderlackierung des
nagelneuen Fahrzeugs einfach durch die
UV-Strahlung der Sonne „heilen“ lassen.
Dies klingt nach Science Fiction könnte
aber, so Sybrand van der Zwaag, Professor
für Luftfahrttechnologie an der niederländischen Universität Delft und international renommierter Experte im Bereich der
selbstheilenden Materialien, bald vor der
Markteinführung stehen. Zwaag, einer der
über 20 nationalen und internationalen
Experten des Symposiums Material Innovativ 2013 und Vertreter des diesjährigen
Gastlandes Holland, ist zudem wissen-
schaftlicher Direktor des Delft Center for
Materials, in welchem das werkstoffwissenschaftliche Know-How von 22 Lehrstühlen der TU Delft zusammengefasst ist,
und Vorsitzender des niederländischen Innovation Oriented Programm Self Healing
Materials. Eine generelle Eigenschaft von
„künstlichen“ Strukturmaterialien ist, dass
ihre Entwicklung und Auslegung immer auf
eine Erweiterung des Anwendungsbereichs
abzielt und somit immer höher belastbare
Werkstoffe und immer leistungsfähigere
Materialien entwickelt werden. Hier ist immer ein Zusammenhang zwischen Zusammensetzung und Mikrostruktur auf der einen und den physikalischen, chemischen
und mechanischen Eigenschaften auf der
anderen Seite gegeben. Bei einer gegebenen Zusammensetzung des Materials
ist die entstehende Mikrostruktur für die
Bauteileigenschaften verantwortlich. Alle
Längenskalen – nano, meso, mikro – spielen hier eine Rolle. Um eine gute mechanische Stabilität zu gewährleisten ist es
Ziel, eine Mikrostruktur zu erreichen, die
defektfrei ist und die die Entstehung und/
oder Ausbreitung von Rissen bei mechanischer Belastung verhindert. Diese Strategie in der Materialentwicklung wird auch
unter dem Paradigma der Schadensvermeidung geführt.
Das Schadensmanagement der
Natur
Ein Vergleich mit biologischen Materialien zeigt, dass die Natur eine gänzlich
andere Strategie anwendet – das Schadensmanagement. Haut, Knochen, Gras
oder auch Holz beispielsweise können
Schädigungen heilen. Wesentlich ist hier,
dass in der Natur Atome und Moleküle
EHZHJOLFK VLQG XQG VRPLW ÅÁLH‰HQ´ N|Qnen. Sie gelangen von ihrer Position aus
an den Ort der Schädigung und stellen
hier, beispielsweise im Falle eines Risses,
einen physikalischen Kontakt zwischen
den Bruchstellen her. Im Anschluss daran
erfolgt eine Abscheidung des benötigten
Materials und somit die Herstellung der
ursprünglichen Eigenschaften. Im Vergleich zu den „künstlichen“ Materialien
ist hier eine ungleich komplexere Struktur
vonnöten, so dass es sich weniger um ein
Material sondern vielmehr um ein System
handelt.
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Wissenstransfer aus Bayern
Selbstheilung durch thermischreversible chemische Vernetzungsgruppen
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Hier liegt auch der Ansatz der Forscher
selbstheilende „künstliche“ Materialien
herzustellen und das Paradigma des
Schadensmanagements anzuwenden.
Eines der ersten Konzepte, die das Potenzial und die Möglichkeiten der Selbstheilung bei „künstlichen“ Werkstoffen darstellte, war das „Scott White“-Konzept.
Professor Scott White und sein Team von
der Universität von Illinois nutzen hierzu
aus, dass Flüssigkeiten an sich, auch innerhalb einer festen Matrix, sehr mobil
VLQG6LHIOOWHQUHDNWLYHVÁVVLJHV+DU]
in dünnwandige Mikrokugeln, verteilten
diese zusammen mit einem Katalysator
in einem Epoxidharz und stellten daraus
ein Bauteil her. Ergibt sich in dem Bauteil ein Riss und trifft dieser in einem
frühen Stadium auf die eingebetteten
Kapseln, brechen diese und geben die
reaktive Flüssigkeit frei.
Diese Flüssigkeit füllt den entstanden
Riss aus und durch den zudem eingebetteten Katalysator wird die Vernetzung
der Harzes ausgelöst, die Aushärtung
erfolgt und der Riss wird verschlossen.
Der Nachteil des Systems: ist die Flüssigkeit einmal verbraucht, kann keine
weitere Selbstheilung mehr erfolgen.
Eine mehrfache Heilung wie in der Natur
üblich, ist somit ausgeschlossen. Doch
auch hier ersinnen die Forscher Strategien und Konzepte, um eine solche
Mehrfachheilung bei „künstlichen“ Materialien zu nutzen. Interessant hierfür
sind insbesondere reversible chemische
Bindungen.
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Um eine Selbstheilung bei thermoplastischen Materialien zu ermöglichen, baut
man beispielsweise thermisch-reversible
chemische Vernetzungsgruppen in das
Polymergerüst ein. Brechen bei Belastung diese Bindungen auf, können sie
durch eine Erhöhung der Temperatur
wiederhergestellt werden. Insbesondere
zwei Gruppen sind in diesem Bereich interessant. Zum einen Polymersysteme, die
in der Lage sind Diels-Alder-Reaktionen
(DAR) durchzuführen sowie Polymere mit
Vierfach-Wasserstoffbindungen. In der
Forschung wurde der Nachweis für das
DAR-Konzept mit Monomeren auf Furanund Maleimidbasis durchgeführt. Durch
den Einsatz dieser beiden Stoffe wurde
ein hochvernetztes Polymer geschaffen,
das in der Lage ist, sich selbst zu heilen.
Entsteht nun in diesem System ein Riss,
kann mit einer Temperaturerhöhung auf
mehr als 90°C eine Selbstheilung in
Gang gesetzt werden. Die reversiblen DABindungen werden hierbei geöffnet. Bei
diesen Temperaturen besitzt das Polymer
eine erhöhte Mobilität und kann sich im
Netzwerk neu anordnen. Bei der AbkühOXQJ HUIROJW HLQH HUQHXWH '$5 HV ÀQGHW
wieder eine Vernetzung statt und der Riss
schließt sich. Im Labor konnten so mit
ersten Systemen fast 57% der ursprünglichen Polymerfestigkeit erreicht werden.
Für eine industrielle Anwendung dieses
Konzepts muss jedoch noch an einer höheren Temperaturbeständigkeit und an
günstigeren Monomeren geforscht werden. Hier ist der zweite Ansatz über die
Vierfach-Wasserstoffbrückenbindungen
schon weiter und machte erste Produkte
im Bereich Adhäsive und Beschichtungen
sowie biomedizinische Materialien und
Kosmetik möglich. Kern hierbei ist die
Funktionalisierung von Polymeren mit
Gruppen, die zur Ausbildung solcher Vierfach-Wasserstoffbindungen fähig sind. In
diesen so erhaltenen supramolekularen
Polymeren sind die Wasserstoffbrückenbindungen verantwortlich für die Vernetzung zwischen den Polymerketten. Diese
Polymere werden nicht durch kovalente
sondern durch „schwache“ intramolekulare Bindungen zusammengehalten.
Erfolgt in einem derartigen System eine
Schädigung, brechen die Wasserstoffbrückenbindungen auf, können aber
durch einfaches Zusammenführen der
Bruchstellen schnell wieder ausgebildet
werden. Vorteil beider Systeme ist, dass
diese Selbstheilung immer wieder durchgeführt werden kann, da kein Material
verbraucht wird. Neben den selbstheilenden Polymeren gibt es auch etliche
Ansätze in der Forschung im Bereich
der Metalle und Keramiken. Viele dieser
.RQ]HSWHEHÀQGHQVLFKDQGHQ8QLYHUVLtäten noch im Stadium der Grundlagenforschung.
Selbstheilende Kunststoffoberflächen im automobilen Exterieurbereich
Daß sich auch die Industrie für das Konzept
des Schadensmanagements interessiert,
zeigt sich bei der VW-Konzernforschung,
wie Dr. Jörn Hain auf dem Symposium Material Innovativ 2013 vorstellte. Hochglän]HQGH VHOEVWKHLOHQGH .XQVWVWRIIREHUÁlchen für den automobilen Exterieurbereich
stehen hier im Fokus. Ein besonderer BeGDUIQDFKVROFKHQ2EHUÁlFKHQEHVWHKWEHL
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Säulenverkleidungen, Heckklappen oder
auch Spiegelgehäusen. Zielsetzungen in
der Forschung liegen hier in einer weiteren Verbesserung der Kratzbeständigkeit
sowie in einer Reduzierung der Wandstärke und somit letztlich in einer Kostensenkung. Heute werden solche Bauteile
beispielsweise durch die Kombination von
Zwei-Komponentenspritzguss, Folientechnik und Lackiertechnik hergestellt. Eine
Technologie, der hier viel Potenzial im
Hinblick auf Selbstheilungseffekte bei
Kratzer, der Wegfall einer Schutzfolie oder
auch bei der Darstellung von komplexen
Geometrien eingeräumt wird, ist die Kombination von Thermoplastspritzguss und
einer Polyurethanbeschichtung in einem
geschlossen Werkzeug. Dieses sogenannte In-Mould-Coating-Verfahren erlaubt die
werkzeugfallende Darstellung von HochJODQ]REHUÁlFKHQ XQG GUHLGLPHQVLRQDOHQ
+LQWHUJUXQGÁlFKHQ =XGHP NDQQ GDV 'Hkor in Schichtdicken von 200 bis 300 µm
dargestellt werden, was die Anforderungen
an Kratz- und Witterungsbeständigkeit alleine auf das Dekormaterial beschränkt.
Durch die Beschichtung im Prozess und
nach der Trägeraushärtung können sichtbare Einfallsstellen reduziert werden.
Reflow-Effekt verbessert Kratzbeständigkeit
Interessant ist zudem, dass durch den elastomeren Charakter des eingesetzten Polyurethan eine fast vollständige Rückstellung von Verformungskratzern möglich ist.
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nach einigen Tagen bzw. kann durch eine
Erwärmung der betroffenen Stelle auf ca.
60°C für zwei Stunden beschleunigt werden. Daß diese Technologie funktioniert,
wurde bei der VW-Konzernforschung anhand einer Säulenblende für den Passat
SVW demonstriert. Es zeigte sich, dass die
Bauteildicke und das Gewicht reduziert
Werkstoffe
Wissenstransfer aus Bayern
werden konnten, die Kratzbeständigkeit
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die Schutzfolie entfallen konnte und somit
das Bauteil kostengünstiger herzustellen
war. Weitere Vorteile des In-Mould-Coatings, u.a. kurze Taktzeiten, ein niedriger
Energieverbrauch und weniger CO2-Ausstoß sowie eine hohe Qualität, führten
dazu, dass eine Serienfertigung mit dieser
Technologie geplant ist. Trotzt dieses industriellen Beispiels für den Einsatz des
Konzepts des Schadensmanagementes
ist hier noch erhebliche Forschung und
Entwicklung zu leisten bis Produkte unseres täglichen Lebens zur Selbstheilung
fähig sind. Die Schadensvermeidung ist so
in der Industrie ein wichtiger Motor für Innovationen. Insbesondere im Bereich der
Kratzfestigkeit und Verschleißfestigkeit für
Kunststoffbauteile.
Branchenübergreifende Kooperationen führen zu neuen
Geschäftsfeldern
Daß die Zusammenarbeit zwischen
einem Chemieunternehmen und einem
Maschinenbauer zu Lösungen und neuen
Geschäftsfeldern führt, zeigte Dr. Jochen
Ackermann von der Evonik Industries auf
dem Symposium Material Innovativ 2013
am Beispiel Cover Form, einer zusammen
PLW .UDXVV0DIIHL HQWZLFNHOWHQ 2EHUÁlchentechnologie für Bauteile aus PMMA,
dem umgangssprachlichen Plexiglas. Diese werden direkt im Spritzgießwerkzeug
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mit einer hochkratzfesten und verschleißEHVWlQGLJHQ 2EHUÁlFKH DXVJHVWDWWHW
Die Herstellung solcher Bauteile kann in
drei Prozessschritte eingeteilt werden. In
einem ersten Schritt wird das Bauteil klassisch spitzgegossen und die zu beschichtende Seite geprägt. Nach der Abkühlung
wird die Kavität in einem zweiten Schritt
vergrößert, so dass ein Spalt entsteht, der
PLW GHP 5HDNWLYV\VWHP JHÁXWHW ZHUGHQ
kann. Anschließend kann eine weitere
Prägung erfolgen und durch eine Temperaturerhöhung die Aushärtung des Reaktivsystems erfolgen. Im dritten und letzten
Schritt wird das Bauteil aus dem Werkzeug
entnommen und mittels UV-Bestrahlung
endausgehärtet. Neben der Verfahrenstechnik ist es auch wichtig, dass die genutzten Materialien optimal aufeinander
abgestimmt sind. Was mit einer solchen
Technologie erreichbar ist, zeigt das BeiVSLHOGHU(QWZLFNOXQJYRQUHÁH[LRQVIUHLHQ
und kratzfesten Kunststoffabdeckungen
für den automobilen Innenraum als Alternative zu Glasabdeckungen. Bei Instrumentenabdeckungen und Display kommen heute insbesondere Abdeckgläser
mit hochpräzisen Antiglarestrukturen und
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verfügen über eine sehr feine Strukturierung, die das auftreffende Licht sehr fein
streut, und über die Beschichtung die Helligkeit reduzieren. Um hier das Optimum
zu erhalten, müssen Transmissionswerte
YRQ EHL 5HÁH[LRQVZHUWHQ YRQ NOHLner 1% und Glanzgraden bei 60° Lichteinfall von 80 bis 110 erreicht werden.
Dazu kommt noch Kratz- und chemische
Beständigkeit sowie Verschleißarm als
Eigenschaften. Die Firma Flabeg Deutschland GmbH produziert solche Glasabdeckungen für die Automobilindustrie.
Allerdings wird sie mit neuen Anforderungen in diesem Bereich, wie dreidimensionale Displays, konfrontiert, die sich nicht
ohne weiteres in Glas umsetzten lassen.
Anlass um zusammen mit Evonik ein solches Abdeckelement aus Kunststoff zu
entwickeln. Dreidimensionale Formen
lassen sich relativ einfach in Kunststoff
umsetzten und bieten dazu ein noch geringeres Gewicht. Allerdings gibt es bis
jetzt kein passendes Verfahren, mit dem
diese Kunststoffabdeckungen mit antiJODUH XQG DQWLUHÁHNWLYHQ (LJHQVFKDIWHQ
bei gleichzeitig hoher Kratzfestigkeit und
chemischer Beständigkeit ausgerüstet
werden können. Denn insbesondere für
die Durchsichtigkeit der Abdeckung wird
HLQHVHKUIHLQVWUXNWXULHUWH2EHUÁlFKHEHnötigt. Diese ist zwar durch das Spritzprägen herstellbar, aber nicht kratzfest. Eine
nachträgliche Beschichtung zerstört in
aller Regel die feine Struktur. Um diesen
JHJHQOlXÀJHQ $QIRUGHUXQJHQ JHUHFKW ]X
werden, wurde das Cover Form-Verfahren
für eine solche Anwendung erforscht.
Hierbei gelang es, die über das Werkzeug
aufgebrachte sehr feine Strukturierung
mit einer hohen Kratz- und Chemikalienbeständigkeit zu versehen, ohne die
Strukturierung zu verlieren. Somit konnte
die Antiglareeigenschaft erreicht werden,
die der von Ätzglas sehr nahe kommt. Für
GLH $QWLUHÁH[LRQVHLJHQVFKDIWHQ ZXUGHQ
PLWWHOVGHV39'3UR]HVVHV$QWLUHÁH[LRQVschichten, wie aus der Glastechnik bekannt, aufgebracht. Das Ergebnis ist eine
Kunststoffabdeckung die einer Glasabdeckung in nichts nachsteht.
Diese Beispiele, drei von mehr als 20 Themen rund um Innovationen im Bereich
der Funktionellen Materialien und OberÁlFKHQ ZXUGHQ DXI GHP 6\PSRVLXP
Material Innovativ 2013 des Clusters
Neue Werkstoffe vorgestellt und spiegeln die enorme Innovationskraft neuer
Werkstoffe wieder. Hoch innovative Plattformen des Clusters, wie dieses jährlich
VWDWWÀQGHQGH 6\PSRVLXP YHUQHW]WHQ
Forschung und Anwendung entlang der
Prozesskette und geben Impulse für neue
Entwicklungen und Projekte. Aus der
Grundlagenforschung in die industrielle
Anwendung und auch aus der industriellen Forschung in die Serie ist es oftmals
ein langer Weg, bei dem der Austausch
mit anderen Experten und das Gewinnen
von neuen Erkenntnissen oftmals einen
positiven Effekt haben.
Autoren:
Marcus Rauch, Nicola Socha
Cluster Neue Werkstoffe, Bayern Innovativ GmbH
Compounds & Composites: Zwei Wege zum selben Ziel?
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Werkstoffe
0LWGHUDP-XOLLQ%D\UHXWKVWDWWÀQGHQGHQ7DJXQJ„Compounds & Composites – Zwei Wege zum selben Ziel“ setzen das Kunststoff-Netzwerk Franken e.V.
(KNF) und der Cluster Neue Werkstoffe (CNW) 2013 ihre erfolgreiche Zusammenarbeit im Rahmen der „Gemeinschaftsinitative Treffpunkt Kunststoff“ fort. „Compounds
& Composites – Zwei Wege zum selben Ziel“ ist das große Rahmenthema 2013,
welches in zwei Themenschwerpunkten beleuchtet wird. Den Auftakt bildet der Themenschwerpunkt „Bauteilkonzepte und Design“. Gerade bei der Entwicklung und dem
Einsatz neuer Bauteile steht oftmals die Fragestellung im „Compound oder Composite?“ im Raum. Die Tagung beleuchtet die Frage, nach welchen Kriterien eine Entscheidung für das eine oder andere Konzept gefällt werden soll. Neben den Konzepten zur
Bauteilauslegung und dem derzeitigen Stand der Technik, gibt das Forum einen Einblick in die zur Verfügung stehende Materialvielfalt sowie in die Ver- und Bearbeitungsmöglichkeiten. Aktuelle Erkenntnisse aus der Simulation und der Prüftechnik zur Sicherstellung der Qualitätskriterien für beide Werkstoffkonzepte runden die Tagung ab.
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Straße 5A, in 95448 Bayreuth statt.
www.kunststoff-netzwerk-franken.de
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