Anwendungszentrum UNIfipp

Elektrochrome Mehrschichtsysteme (electrochromic devices ECD) sind in der Lage ihre optischen Eigenschaften aufgrund einer angelegten elektrischen Spannung zu verändern. Als Folge der aufwendigen Produktion sowie der eingeschränkten Trägermaterialien für ECDs werden sie zurzeit nur vereinzelt eingesetzt.

In diesem Vorhaben soll ein elektrochromes Mehrschichtsystem auf Basis der Abscheidung von leitfähigen Polymeren durch elektrochemische Polymerisation auf transparenten Kunststoffelektroden entwickelt und mittels Kunststoffverarbeitungsprozesse in einen Demonstrator integriert werden. 

Hierzu soll am Institut für angewandte Polymerforschung ein Verfahren zur insitu Polymerisation des elektrochromen Materials auf ein Kunststoffsubstrat entwickelt werden. Einer der Vorteile gegenüber der konventionellen Verfahren besteht in der präzisen Einstellung der Schichtdicke, wodurch ein homogeneres Erscheinungsbild erreicht werden soll.

Am Institut für Werkstofftechnik sollen die ECDs in flächige, dreidimensionale Bauteile in die Kunststoffverarbeitung integriert werden. Hierbei entstehen aufgrund der Temperaturempfindlichkeit sowie der mechanischen Belastung auf die funktionellen Schichten des ECDs diverse Herausforderungen, welche in diesem Forschungsvorhaben untersucht und durch verschiedene Adaptionen (Variation der Dicke des Trägermaterials, etc.) gelöst werden sollen. Das Spritzprägen als Kunststoffverarbeitungsprozess soll hierbei zur Lösung der verschiedenen Herausforderungen beitragen.

Die Forschungsarbeiten umfassen die Charakterisierung der verschiedenen Einzelschichten, die Beschaffung eines Werkzeuges für das Spritzprägen von ECDs mit einer aktiven Fläche von 16 cm², die Herstellung der ECDs sowie das Upscaling der Geometrie. Zusätzlich soll mit Hilfe einer Simulation die Erkenntnis über den Temperatureintrag sowie die mechanische Belastung in die verschiedenen Einzelschichten erlangt werden.

In diesem Forschungsvorhaben soll das Alterungsverhalten chromogener Systeme auf Kunststoffbasis untersucht werden. Bei chromogenen Systemen (CS) handelt es sich um Materialien oder Mehrschichtaufbauten, die durch äußere Stimuli (Licht, elektrische Spannung, Temperatur und Druck) ihre Farbe und/oder ihre Transparenz ändern. Eine spezielle Gruppe der CS sind die elektrochromen Systeme (electrochromic devices ECD), welche aufgrund einer angelegten Spannung ihre optischen Eigenschaften ändern. Ihr potentielles Einsatzgebiet liegt überall dort, wo Verscheibungen oder Displays aktiv geschaltet werden sollen. Einige wenige Systeme befinden sich derzeit im Einsatz. Alle derzeit aus der Praxis oder der Literatur bekannten Systeme weisen Schwächen hinsichtlich des Alterungsverhaltens auf.

In diesem Vorhaben soll deshalb die Alterung eines speziellen für die Kunststofftechnik geeigneten Typs von ECDs untersucht werden. Unter Materialalterung wird – in Abgrenzung zur Ermüdung des Systems in Folge einer großen Anzahl von Schaltvorgängen – in diesem Vorhaben die Veränderung des ECDs in Folge der Einwirkung von Feuchte, Temperatur und UV-Strahlung und deren Auswirkung auf die Funktion des Systems verstanden. Die Forschungsarbeiten umfassen umfangreiche experimentelle Arbeiten, die mittels einer modellhaften Beschreibung ausgewertet und greifbar gemacht werden sollen.

Ein wichtiger Aspekt für die Nutzung elektrisch leitfähig modifizierter Kunststoffe ist deren Kontaktierung. Neben Verfahren, die nachträglich eine Kontaktierung herstellen, bestehen auch zahlreiche prozessintegrierte Methoden. Hervorzuheben ist hier das Spritzgießen, aber auch die Einbindung über andere gängige Ur-form-, Umform- und Fügeverfahren ist denkbar. Diese Kontaktierungsmöglichkeiten führen zu einem bestimmten Zustand des Grenzflächenübergangs zwischen Metall und Kunststoff und der Kunststoffgrenzschichten.

Ziel des Vorhabens ist es, ein Modell zur Beschreibung des elektrischen Kontaktwiderstandes an der Grenzfläche zwischen elektrisch leitfähig modifizierten Kunststoffen und metallischen Kontakten, in Abhängigkeit der Parameter des Grenzflächenübergangs sowie der Kunststoffrandschichten, zu entwickeln, dieses zu quantifizieren und im Rahmen von realitätsnahen Fertigungsprozessen zu valideren.

In Zusammenarbeit mit:

Institut für Antriebstechnik -
Fahrzeugsysteme und Grundlagen der Elektrotechnik,
Prof. Dr. rer. nat. Ludwig Brabetz, Universität Kassel

Das Einzelprojekt wird öffentlich gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft und über einen Zeitraum von 36 Monaten durchgeführt.

Ziel des Vorhabens ist die Analyse des Emissionsverhaltens von Probekörpern aus naturfaserverstärktem Bio-Polyamid und die Korrelation der Emissionen mit dem Geruch in Folge der Prozessbedingungen bei der Verarbeitung auf Schneckenmaschinen.

Um sowohl die chemische Zusammensetzung der Emissionen, als auch deren olfaktorische Wirkung analysieren und bewerten zu können, wird neben der chemischen Analyse mittels gekoppelter Gaschromatographie und Massenspektrometrie (GC/MS) eine Reihe humansensorischer Verfahren zur olfaktorischen Bewertung der Werkstoffe bzw. der emittierenden Stoffe aus den Probekörpern eingesetzt werden.

Ein detaillierter Erkenntnisgewinn zu relevanten geruchsverursachenden Verbindungen, deren Entstehung in der Prozessführung und potentiellen (ge-ruchs-) emissionsverursachenden Wechselwirkungen zwischen dem Matrixwerkstoff und der Naturfaser ist daher im Rahmen des Projektes zu erwarten. Insbesondere sind Arbeiten zur Kopplung vom Gesamtgeruch, den Emissionen und den Prozessbedingungen bisher in der Literatur nicht bekannt.

Dieses umfassende, multidisziplinäre Kooperationsprojekt zielt auf die Entwicklung und Demonstration einer „smarten“ und effizienten gebäudeintegrierten Photovoltaik auf Basis der Luminescent Solar Concentrator (LSC) Technologie ab. Die Fenster als gebäudeintegrierte Elemente erfassen und konvertieren das einfallende direkte und diffuse Sonnenlicht, transportieren es an die Stirnflächen des Fensters, an welchen sich hocheffiziente Solarzellen befinden. Damit ergeben sich zusätzliche Flächen, die für die Stromerzeugung genutzt werden können und bisher nicht zugänglich waren. Neben der Kopplung und Integration ist es Ziel dieses Projektes, den aktuellen Stand der Forschung der LSC Technologie zu erweitern, insbesondere um deren Effizienz zu erhöhen und sowohl Systemgröße, Leistung als auch die Herstellung einem praxistauglichen Maßstab näher zu bringen.

Inhalt und Ziele sind, in der Werkstofftechnik Einzelkomponenten bis hinunter auf die molekulare Ebene, Nano- und Mikrostrukturen, resultierende makroskopische Werkstoffeigenschaften und Produktionsprozesse, die Anwendung der Materialien sowie das Recycling als untrennbare Einheit zu betrachten. Die Materialwissenschaft und Werkstofftechnik stehen im Zentrum und sind als Bindeglied für eine ausgeprägt interdisziplinäre Zusammenarbeit (z.B. CINSaT) zu sehen. Für das Fachgebiet Kunststofftechnik und das UNIfipp sind Proof of Concepts von zentraler Bedeutung, mit denen die Verknüpfung von nano- und mikrostrukturellen Funktionselementen mit der Kunststoff- und Fertigungstechnik erfolgen soll.

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Der Doppelschneckenextruder der Firma Leistritz dient zur Compoundierung und Extrusion von Kunststoffen. Über gravimetrische Dosiersysteme wird Kunststoffgranulat in den Extruder befördert. Dort können verschiedene Heizzonen einzeln angesteuert werden. Somit können die verschiedenen Elemente auf verschiedene Temperaturen beheizt und gehalten werden. Die Doppelschnecke transportiert das Granulat durch die verschiedenen Elemente des Extruders. Dabei werden die Granulatkörner durch Scherung- und Temperaturerhöhung aufgeschmolzen.

Der ZSE 27 iMAXX besitzt die Möglichkeit erhöhten Durchsatz zu fahren. Somit sind Upscaling-Versuche eine Einsatzmöglichkeit. Des Weiteren können große Prozessfenster durch ein hohes mögliches Drehmoment mit hohem Materialvolumen verarbeitet werden. Der DSE bietet die Möglichkeit neue Material-Rezepturen zur Adaption der Kunststoffe herzustellen und diese auf den jeweiligen Anwendungsfall anzupassen. Über die zwei Seitenbeschickungen ist es möglich beispielsweise Fasern, Granulate, Pulver oder Flüssigkeiten zum Kunststoff hinzuzugeben. Durch die modulare Schneckenkonfiguration können verschiedene Aufbauten realisiert werden. Somit können Materialien (Fasern etc.) schonend verarbeitet werden.

Zur Prozessüberwachung und anschließender Auswertung können die Prozessdaten über das Interface ausgelesen werden.

Außerdem ist über das Modul Promix-NC350 die Möglichkeit des mikrozellulären Schäumens beim Extrudieren gegeben.

Die Beschichtungsanlage der Firma Coatema wird zur diskontinuierlichen Beschichtung von flachen Proben (max. DIN A3 Format / 297 x 420 mm) mit anschließender Trocknung der Beschichtung eingesetzt.

Dabei erfolgt die Fixierung der Probe auf einem verfahrbaren Vakuumtisch mit geschliffener Oberfläche (Planarität von 1 µm bei 20 °C). Wahlweise steht ein manuelles Spannsystem zum Fixieren von offenen Strukturen, wie z.B. Textilmaterial, zur Verfügung.

Beim Beschichten wird entweder der Vakuumtisch oder der Beschichtungsbalken horizontal über Linearführungen motorisch verfahren. Der Beschichtungsbalken kann wahlweise mit dem Rakelmesser oder mit der beheizbaren Breitschlitzdüse ausgestattet werden.

Die Breitschlitzdüse ist bis ca. 90 °C beheizbar und für dünne Aufträge von wasser- oder lösemittelbasierten Flüssigkeiten geeignet. Nicht für Hotmelts. Über ein Pumpensystem wird das Beschichtungsmaterial bis zur Düse transportiert. Die Genauigkeit der Schlitzdüsenlippen liegt bei +/- 4 µm.

Für das Rakeln kann die vertikale Spalteinstellung des Beschichtungsbalkens zum Vakuumtisch mit einer Schrittweite von 1 µm eingestellt werden.

Die Gesamtfahrlänge des Tisches beträgt ca. 950 mm, an dessen Ende der Tisch genau unter die Trocknereinheit gefahren werden kann. Der Trockner erreicht eine maximale Temperatur von 120 °C. Durch den integrierten Abluftventilator mit einer Abluftmenge von 250 m³/h und die komplette Einhausung wird ein ausreichender Abtransport der Lösemittel während des Trocknungsprozesses sichergestellt. Es können auch brennbare Substanzen beschichtet werden.

Die Beschichtungsanlage wird u. A. zum Beschichten von Halbzellen für elektrochrome Anwendungen verwendet. Z.B. werden für das Projekt Epokis dünne Polycarbonat-Folien mit einer wenige Mikrometer dicken elektrochromen Schicht auf Polymerbasis beschichtet.

Der Freeformer der Firma ARBURG ermöglicht die additive Fertigung mit thermoplastischen Kunststoffen auf der Basis von Standardgranulaten und bietet somit eine große Materialvielfalt. Neben Standardtypen lassen sich auch gefüllte Materialien bis zu einer Partikelgröße von 10µm verarbeiten.

Die Funktionsweise des Freeformers ist eine Kombination aus dem 3D-Druck (schichtweiser Aufbau) und dem Spritzgießen (Plastifizierung). Die Plastifiziereinheit beinhaltet eine Schnecke mit 12mm Durchmesser sowie eine Rückstromsperre und kann bis 350°C beheizt werden. Der thermoplastische Kunststoff wird nach dem Aufschmelzen druckgeregelt in eine Austragseinheit eingeleitet und über einen Piezo-gesteuerten Nadelverschluss mit einer max. Frequenz von 300Hz tropfenförmig ausgetragen. Den schichtweisen Aufbau des 3D-Drucks ermöglicht ein in X-, Y- und Z-Richtung verfahrbarer Bauteilträgertisch. Als offenes System erlaubt der Freeformer dem Anwender die Anpassung sämtlicher Prozessparameter und die Einstellung der Tropfenform und -ablage.

Der Freeformer 300-3X verfügt insgesamt über drei separate Austragseinheiten mit jeweils integrierter Materialtrocknung. Dadurch lassen sich bspw. mehrkomponentige Funktionsbauteile wie Hart-Weich-Verbindungen mit Stützstruktur herstellen. Der nutzbare Bauraum beträgt 234 x 134 x 230mm und lässt sich bis auf Temperaturen von 120° aufheizen.

Der 3ntr A2v4 bietet die Möglichkeit der additiven Fertigung mittels etabliertem FDM-Verfahren. Der große Bauraum von 611 mm x 360 mm x 500 mm ermöglicht zusammen mit den hohen möglichen Verarbeitungstemperaturen, einer x/y-Auflösung von 0,011 mm, sowie einer Schichtauflösung von 0,05 mm die präzise Verarbeitung von sowohl Standard-, als auch technischen Kunststofffilamenten. Durch die drei Düsen können ebenso viele Komponente in einem Bauteil integriert werden. Weiterhin können auch flexible Materialien durch einen speziellen Druckkopf zu Einsatz kommen.

Diese In Situ Belastungseinheit ermöglicht bildgebende, analytische Untersuchungen von mechanisch belasteten Probekörpern in Verbindung mit dem Röntgenmikroskop ZEISS Xradia 520 Versa. So können beispielweise Schaumstrukturen deformiert, belastete faserverstärkte Materialien betrachtet oder mögliche Fehlstellen (bspw. Risse) innerhalb einer Probe unter Belastung aufgedeckt werden. Die resultierenden dreidimensionalen Ergebnisse können anschließend u.a. mittels Porenanalyse oder Fiber Tracing ausgewertet werden.

Eigenschaften DEBEN CT5000RT:

• Mechanische Belastung während einer µ-CT-Untersuchung
• Zug- und Druckbelastungen bis zu einer Maximalkraft von 5 kN
• Zyklische Belastungen
• Kontinuierliche Datenaufzeichnung

Das thermogravimetrische Analysegerät TGA Discovery 5500 der Firma TA Instruments eignet sich zur Bestimmung des Masseverlustes in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit sowie zur Detektion von Füll- und Verstärkungsstoffen. Weiterhin ist es möglich, die thermische Stabilität, das Oxidationsverhalten und das Zersetzungsverhalten von Materialien zu bestimmen.

Der integrierte IR-Ofen sorgt für schnelle Heiz- und Kühlraten, es sind Messungen in einem Temperaturbereich von bis zu 1200°C möglich. Weiterhin ist der Anschluss eines Massenspektrometers an die TGA möglich, wodurch eine Bestimmung der chemischen Substanzen aus dem Masseverlust erfolgen kann.

Die TGA-MS ist eine Kopplung des thermogravimetrischen Analysemoduls TGA Discovery 5500 der Fa. TA Instruments und des Cirrus^TM 3 Quadrupol Massenspektrometers der Fa. MKS Instruments.

Die thermogravimetrische Analyse (TGA) ist eine quantitative analytische Methode, bei der die Veränderung der Masse einer Probe gemessen wird, während sie erhitzt, gekühlt oder auf einer konstanten Temperatur in einer kontrollierten Atmosphäre gehalten wird. Durch die Kopplung mit einem MS-Systemen können die dabei entstehenden Reaktions- und Zersetzungsprodukte weitergehend analysiert und qualifiziert werden. Durch diese Zusatzinformationen wird z.B. die Charakterisierung und Bestimmung einer unbekannten Probe wesentlich einfacher und genauer.

Bei dem am Fachgebiet Kunststofftechnik eingesetzten System wird die Probe in der TGA verdampft und das Probengas über eine beheizte Kapillare aus Edelstahl zur Einlassöffnung des Massenspektrometers überführt. Im Quadrupol-Massenspektrometer wird das Probengas zunächst ionisiert. Die Ionen werden danach durch ein elektrisches Feld beschleunigt und im Wechselfeld des Massefilters nach dem Verhältnis Masse/Ladung (m/z) sortiert. Die Ionen treffen in einem Detektor mit Messverstärker auf, der den Ionenstrom misst und von der Software eines angeschlossenen Computers zu Zählraten oder zum Partialdruck umgerechnet wird. Durch die Messung der Massenzahlen (m/z) lassen sich Rückschlüsse auf die Zusammensetzung der freigesetzten Gase ziehen. Die Bestimmung von einzelnen Substanzen erfolgt über den Vergleich der erhaltenen Ionendiagramme mit entsprechenden Mustern aus Datenbanken.

Das TGA-MS-System eignet sich insbesondere zur Analyse von Polymeren, Kautschuk- und Gummimischungen, Mikroplastik und weitere polymeren Anwendungen. Dabei können insbesondere folgende Fragestellungen beantwortete werden:

• Thermische Beständigkeit und Zersetzung eines Materials
• Identifizierung und Quantifizierung von Komponenten, wie z.B. Additiven und Füllstoffen
• Feuchtigkeits-/Lösungsmittelemissionen und deren Zusammensetzung