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Archive for the ‘Projekt des Monats’ Category

Politische Vorgaben zur Erreichung von Klimazielen, Energieeffizienz, Elektromobilität und ein gesteigertes Umweltbewusstsein spiegeln sich auch in der industriellen Fertigung wider. Leichtbauelemente spielen deshalb in der Fahrzeugproduktion und überall dort, wo Gewicht und Energie eingespart werden sollen, eine zentrale Rolle. Faserverstärkte Kunststoffe haben sich hier bewährt. In Kombination mit Stahlverbindungen werden sie in der Automobilindustrie sowie beim Bau von Nutz- und  Schienenfahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen eingesetzt. Damit gewähmonorail-1636401_1920rleistet ist, dass die Klebeverbindungen nicht versagen und allen Anforderungen an Sicherheit und Belastbarkeit genügen, sind umfangreiche und kostspielige Testreihen notwendig.

In einem aktuellen Forschungsprojekt der industriellen Gemeinschaftsforschung entwickeln Wissenschaftler der Universitäten Paderborn und Kassel ein Simulationsmodell, um das Versagen der Klebschicht bzw. der Faserstrukturen zuverlässig vorherzusagen. Damit können Gestaltungs- und Auslegungsrichtlinien erstellt werden. Davon profitieren vor allem kleine und mittelständische Unternehmen. Sie können künftig aufwändige Testreihen reduzieren und wirtschaftlicher produzieren.

Ob der Klebstoff optimal auf dem Substrat haftet, hängt von der geometrischen Struktur der Oberfläche und der Ausrichtung der Fasern in den Kunstoffen ab. Die Klebverbindung kann entweder an der Grenzschicht oder im Innern der faserverstärkten Kunststoffe versagen. Solche Szenarien können mit Finite-Elemente-Analysen berechnet werden. Dabei wird der zu untersuchende Bereich in kleine Teilregionen, die Finiten Elemente aufgeteilt. Die Finite-Elemente-Analyse beruht auf dem Lehrsatz, dass belastete Strukturen sich so verformen, dass die potentielle Energie des Systems minimiert wird. Um das Deformationsverhalten zu beschreiben, gibt es eine Vielzahl von Elementtypen, die in Datenbanken hinterlegt sind. Damit künftig eine virtuelle Produktentwicklung und –prüfung auch für faserverstärkte Kunststoffe möglich ist, erarbeiten die Wissenschaftler in diesem Projekt entsprechende Simulationsmodelle.

Weitere Informationen zum Projekt Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Versagensverhalten von kalt ausgehärteten Stahl-FVK-Klebverbindungen unter schlagartiger Belastung 18337 N

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turbine-471953_1920Energieeffizienz und Schadstoffminimierung spielen eine wichtige Rolle, damit die gesetzten Klimaziele erreicht werden. Leichte Bauteile und höhere Betriebstemperaturen können beispielsweise thermischen Anlagen und Turbinen klimafreundlicher machen. Mit leichten Bauteilen können bewegliche Komponenten schneller angefahren und angehalten werden. Durch höhere Temperaturen wird die Effizienz gesteigert.

Titan-Legierungen werden wegen ihrer Eigenschaften häufig als Strukturwerkstoffe eingesetzt. Dank ihrer geringen Dichte (ca. 4,5 g / cm³) und guten mechanischen Eigenschaften eignen sie sich hervorragend als Leichtbaumaterial. Allerdings treten bereits oberhalb von 500 °C Schäden durch Korrosion und Oxidation auf.

Bauteile in stationären Gasturbinen und in Hochdruckturbinen von Flugtriebwerken bestehen aus Nickel-Basislegierungen. Damit sie Temperaturen von 900 °C standhalten, muss aufwändig ein komplexes Wärmedämmschichtsystem aufgebracht werden.

Bisher werden die Oberflächen der beiden Legierungen durch Beschichtung aus der Gasphase (PVD) oder durch thermische Spritzverfahren (VPS) geschützt. Bei der Abscheidung aus der Gasphase wird das Beschichtungsmaterial im Vakuum verdampft und kondensiert auf der Oberfläche des Substrats. Beim VPS-Verfahren wird Beschichtungsmaterial durch eine mehrere 1000 Grad heiße Plasmaflamme auf das Substrat gespritzt. Für beide Verfahren sind mehrere Prozessschritte notwendig. Die so erzeugten Schutzschichten sind relativ dick (>50 um) und häufig spröde.

Wissenschaftler des DECHEMA-Forschungsinstituts versuchen, in diesem Projekt der industriellen Gemeinschaftsforschung durch ein kostengünstiges Pulverpackverfahren in einem einstufigen Prozess die Oberflächen von Titan- und Nickel-Legierungen zu schützen, so dass auch Einsätze bei Temperaturen bis zu 1.100 °C über einen längeren Zeitraum möglich werden. Beim Pulverpackverfahren werden beispielsweise Aluminium, Chrom oder Silizium eingesetzt. Sie bilden gasförmige Halogenide, die für den Transport der Metalle an die Werkstoffoberfläche verantwortlich sind. Sie bilden homogene Metallschichten auf den Oberflächen, die wiederum resistente Oxidschichten ausbilden. In diesem Forschungsprojekt wird mit einer dünnen Aluminiumdiffusionsschicht (< 10 um) gearbeitet. Sie bildet eine sehr gut schützende α-Aluminiumoxidschicht aus, die die Lebensdauer erheblich verlängert. Die so optimierten Nickel- und Titan-Legierungen können in oxidierender Umgebung bei hohen Temperaturen beispielsweise im Industrieofenbau, der Automobil-, Luft-, Raumfahrt- und Gasturbinenindustrie eingesetzt werden.

Zum IGF-Projekt 18947N Hochtemperaturoxidationsschutz für technische Titan- und Nickellegierungen durch kombinierte Alitierung und Fluorierung in einem einstufigen Prozess

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Seit mittlerweile mehreren Jahren präsentieren wir an dieser Stelle einmal im Monat das „Projekt des Monats“. „Im Rahmen der industriellen Gemeinschaftsforschung“ heißt es da oft – aber was ist das, wie funktioniert es und woher kommt das Geld? Das beleuchtet die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen AiF in einem neuen Erklärfilm, der auf YouTube oder der Seite der AiF zu finden ist – einfach auf das Bild klicken.

AiF-Video

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Nicht gleichmäßig gepackt

Chromatographie bleibt bei unseren „Projekten des Monats“ ein Dauerbrenner – kein Wunder, denn wenige Verfahren sind so vielseitig einsetzbar. Besonders für makromolekluare Bioprodukte – beispielsweise Proteine für den Einsatz in der Pharmazie – sind präparative Chromatographieverfahren das Mittel der Wahl; sie lassen sich genau auf die wertvollen Produkte anpassen und sind sehr schonend. Doch vor der chromatographischen Trennung kommt das Packen der Säule – das Einfüllen der stationären Phase. Das muss möglichst gleichmäßig geschehen, ohne Hohlräume oder Luftblasen. Allerdings mangelt es an robusten Packmethoden, und oft zeigen sie während des Betriebs eine unzureichende Stabilität. Das liegt daran, dass hydrodynamische Vorgänge während des Packens und des Langzeitbetriebs nicht berücksichtigt werden. In einem Vorhaben der industriellen Gemeinschaftsforschung wollen Wissenschaftler der TUM deshalb verbesserte Packmethoden entwickeln, damit die eingesetzten Medien über lange Zeiträume stabil bleiben. Während des Packvorgangs und des Dauerbetriebs soll dafür Ultraschall eingesetzt werden. Frequenzmodulierte, nicht-kavitierende, überlagerte Ultraschallwellen führen zu einer oszillierenden Bewegung der Chromatographiepartikel, wodurch interpartikuläre Hohlräume minimiert werden – die Teilchen werden quasi „zurechtgeruckelt“, bis sie gleichmäßig und nahezu lückenlos gepackt sind. Durch das homogenere Chromatographiebett erhöht sich unter anderem die Standzeit, also die Dauer, für die die Säule genutzt werden kann.

Chromatographieanlagen werden häufig von kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU) betrieben, die Auftragshersteller für die Pharma- und Chemieindustrie sind. Verbesserte Chromatographieverfahren haben für diese KMU eine hohe wirtschaftliche Bedeutung, da durch die Implementierung von neuen Konzepten deutliche Kosteneinsparungen zu erwarten sind. Hierdurch kann ein signifikanter Wettbewerbsvorteil entstehen.

Mehr zum Projekt Verbesserung der Packmethodik und der Betriebsstabilität von Chromatographieverfahren für die präparative Aufreinigung von makromolekularen Bioprodukten (18146 N)

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tiger-mosquito-49141_640Chinolin und seine Derivate bilden das Grundgerüst für viele biologisch aktive Verbindungen. Vom Chinin abgeleitete Medikamente gegen Malaria besitzen beispielsweise ein Chinolin-Grundgerüst. Ein Großteil des Chinolins wird aus Steinkohleteer gewonnen; es ist darin zu etwa 0,5 % enthalten. Weltweit werden so über 2000 Tonnen pro Jahr produziert. Durch Kondensation von Anilinen mit Carbonylverbindungen können Chinoline auch chemisch synthetisiert werden. Vor allem komplexe Chinolinderivate wie Antioxidantien für Gummimischungen werden auf diesem Weg hergestellt. Das gewünschte Produkt lässt sich jedoch nur in mehreren Schritten herstellen. Dabei entstehen unerwünschte Nebenprodukte, die abgetrennt und entsorgt werden müssen. Das verursacht Kosten und reduziert die Ausbeute.

Die heterogene Photokatalyse ist eine elegante und saubere Alternative. In einer Ein-Topf-Synthese kann das Chinolin damit direkt aus einem Nitroaromaten und einem Alkohol hergestellt werden. Wissenschaftler wollen in diesem Projekt der industriellen Gemeinschaftsforschung ein effizientes Reaktor- und Katalysatorsystem für photokatalytische Reaktionen entwickeln. Als Photokatalysator wird Titandioxid verwendet. Es ist kostengünstig und ungiftig. Durch UVA-Licht angeregt oxidiert es den Alkohol zum Aldehyd. Gleichzeitig wird der Nitroaromat zu Anilin reduziert. Beide Verbindungen kondensieren dann in saurem Milieu zu Chinolin. Photokatalysator und Säure können auf einem gemeinsamen Träger fixiert werden, so dass sie am Ende der Reaktion leicht abgetrennt und wiederverwertet werden können. Um auch sichtbares Licht für die Reaktionen nutzen zu können, entwickelt man zusätzlich neue Katalysatoren auf Basis von Magnesiumferrit. Die einzelnen Teilreaktionen werden kinetisch untersucht, um eine optimale Ausbeute und Selektivität zu erreichen, damit eine große Bandbreite an Produkten synthetisiert werden kann. Die Forscher wollen einen Photoreaktor entwickeln, der kontinuierlich betrieben und für viele Synthesevarianten nutzbar ist.

Mehr zum IGF-Projekt 18904: Photokatalytische Chinolin-Produktion aus Nitroaromaten

Übrigens: Malaria kann man auch mit Artemisinin behandeln. Mehr zu dessen Geschichte und zu Naturstoffen als Grundlage für Arzneimittel erfahren Sie in der App „Vorbild Natur“, die Sie kostenlos herunterladen können. Mehr zu „Vorbild Natur“

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Kunststoffe sind mittlerweile nicht nur in „Alltagsanwendungen“ von der Shampooflasche bis zur Brotdose im Einsatz. Es gibt sie mittlerweile auch in Hochleistungsvarianten mit hoher chemischer, thermischer oder tribologischer Beständigkeit in vielen Industriezweigen vom Fahrzeugbau bis zur Biomedizin. Dabei werden auch unterschiedliche Kunststoffe kombiniert – jedes einzelne Bauteil wird aus dem optimalen Material gefertigt. Das stellt jedoch besondere Anforderungen an die Fügetechnik, denn viele der modernen Fluor- und Hochleistungskunststoffe lassen sich bisher nur schlecht kleben und verlangen teils eine aufwändige Vorbehandlung, die bisher meist nasschemisch erfolgt. Mit dem industriell interessantesten Vorbehandlungsverfahren, der Aktivierung mittel Atmosphärenplasma an Luft, die bei anderen Kunststoffen eingesetzt, weben bisher noch keine guten Ergebnisse erzielt. Es gibt jedoch erste Hinweise aus dem Labor, dass eine Oberflächenbehandlung unter Verwendung von Schutzgasen zu deutlich besseren Klebe-Ergebnissen führt.

In einem Projekt der Industriellen Gemeinschaftsforschung werden an der TU Braunschweig und am Fraunhofer IST Vorbehandlungsverfahren erforscht, die die gezielte Funktionalisierung der Oberflächen von schlecht verklebbaren Fluor- und Hochleistungskunststoffen durch Atmosphärendruckplasmen in definierter Gasatmosphäre ermöglichen. Mit stickstoffhaltigen Prozesssgasen oder  plasmaunterstützen chemischen Gasphasenabscheidungen (PECVD) werden die Oberflächen mit Aminogruppen funktionalisiert, an die der Klebstoff alterungsbeständig kovalent bindet. Die ADP-Vorbehandlung lässt sich in der Serienfertigung einsetzen und lokal begrenzen.

Produkte, in denen Fluor- und Hochleitungskunststoffe Einsatz finden, werden aufgrund ihres hohen Spezialisierungsgrades häufig in kmUs hergestellt. Für sie ergibt sich aus dem geplanten Vorhaben daher eine sehr hohe wirtschaftliche Bedeutung. Zudem kommen die Ergebnisse den mittelständischen Plasmaanlagenherstellern zu Gute, die ihre Produkte technische weiterentwickeln und in neue Anwendungsbereiche vordringen können. Daher werden die Untersuchungen so ausgerichtet, dass ein einfacher Transfer der Ergebnisse in spezifische Anwendungen und in neue Plasmaanlagen ermöglicht wird.

Mehr zum IGF-Projekt 18117 N Hochfeste und dauerhafte Kunststoffklebungen durch Aminofunktionalisierung der Oberflächen mittels Atmosphärendruckplasma:

IGF-Projekt 18117 bei DECHEMA und IGF-Projekt 18117 – Material der TU Braunschweig

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ThomasSeebeck

Thomas Johann Seebeck, der Entdecker des thermoelektrischen Effekts

Zwei Drittel der eingesetzten Energie gehen weltweit als Abwärme verloren. Der Hauptteil des Wärmeverlusts tritt bei Temperaturen bis 100 °C auf. Durch die Thermoelektrik können Wärmeströme in elektrische Leistung umgewandelt werden, ohne dass ein Dampferzeuger bzw. Turbinensystem zur Energieumwandlung notwendig ist. Man nutzt dabei den Seebeck-Effekt. Johann Thomas Seebeck entdeckte 1821, dass bei einer Temperaturdifferenz zwischen zwei verschiedenen elektrischen Leitern eine Spannung herrscht. Wegen des geringen Wirkungsgrades und der aufwendigen Herstellung werden thermoelektrische Generatoren (TEG) bisher vor allem dort eingesetzt, wo eine autarke Energieversorgung notwendig ist. So werden beispielsweise Raumsonden und Satelliten oder Messsonden an schwer zugänglichen Orten mit TEG betrieben. Kommerziell erhältliche TEG bestehen aus Halbmetallen, beispielsweise aus Wismuttellurid. Diese Metalle sind spröde, brechen leicht und sind schlecht zu verarbeiten. Außerdem können sie nicht optimal an die Wärmquelle angepasst werden. Andererseits haben sie eine sehr lange Lebensdauer und sind wartungsfrei. Das gibt es bei kaum einer anderen Methode zur Energiegewinnung. Wissenschaftler untersuchen jetzt in einem Projekt der industriellen Gemeinschaftsforschung, ob sich leitfähige polymere Materialien auf Vliesstoff als thermoelektrische Elemente eignen. Dazu werden Polymere auf Thiophenbasis mit einer speziellen Drucktechnik direkt auf einen voluminösen Vliesstoff mit gleichmäßiger Dichte und definiertem Saugvermögen aufgebracht. Solche Polymer-TEG sind einfach zu verarbeiten und können flexibel an die Wärmequelle angepasst werden. Dadurch ergeben sich viele neue Anwendungsfelder, beispielsweise für Standheizungen, im Abluftsystem von Autos, an Kühltürmen, bei der Nutzung der Geothermie, in der Kanalisation von industriellen Produktionsstraßen und Abluftanlagen. TEG bieten ein großes Potenzial zur Ressourcenschonung und Minderung der Umweltbelastung.

Mehr zum IGF-Projekt „Entwicklung eines flexiblen thermoelektrischen Generators auf Basis spezieller bedruckbarer Vliesstoffstrukturen“

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