Verschiedene Kunststoffgranulate

Unsere Forschungsbereiche Erforschung von Kunststoffverarbeitungsverfahren und Werkstoffarten

Verschiedene Kunststoffgranulate© Adobe Stock
Die Forschungsbereiche am IKV beschäftigen sich mit unterschiedlichen Werkstoffen, Verarbeitungsverfahren und Methoden.

Als Forschungsinstitut zeichnen uns disziplinäre und interdisziplinäre Forschung aus. Die Themen umfassen Prozess- und Struktursimulation, klassische Verarbeitungsverfahren wie Spritzgießen und Extrusion sowie branchenübergreifende Querschnittsthemen wie Oberflächentechnik. Wir berücksichtigen alle Kunststoffe, einschließlich Thermoplaste, Elastomere, Duroplaste und Polyurethane, sowie faserverstärkte Kunststoffe. Durch unsere ganzheitliche Betrachtung von Design, Werkstoff und Verarbeitung erreichen wir optimale Lösungen im Rahmen unserer Forschung und für unsere Industriepartner. Gleichzeitig ermöglicht uns dieser Ansatz, vorhandene Gemeinsamkeiten zwischen den Themen frühzeitig zu identifizieren. Dadurch können wir Synergiepotenziale bereits in einem frühen Stadium erkennen und direkt nutzen.

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Vom Werkstoff bis zur Verarbeitung

Übersicht über die Forschungsbereiche

Additive Fertigung

Im Bereich der Additiven Fertigung setzen wir uns mit innovativen und anwendungsnahen Konzepten auseinander. Dies erstreckt sich von der Entwicklung von Materialien für die Additive Fertigung auch mit Fertigungskonzepten, Slicing-Strategien sowie Verfahrens- und Anlagenentwicklung sowie deren Weiterentwicklung. Zu den Meilensteinen in der IKV-Historie zählen neben der Entwicklung von hybriden Fertigungszellen mit selbstausgelegten Extruderköpfen für die Fertigung großvolumiger Formteile und Verarbeitung von Standardgranulaten, auch die Entwicklung der nichtplanaren Bahnplanung. Mit dieser Technologie können 3D-Formteile lastpfadoptimiert hergestellt und Oberflächenrauigkeiten, wie sie bei der klassischen Additiven Fertigung in Folge des Stufeneffekts entstehen, verringert und vermieden werden.

Roboter bei der Additiven Fertigung, die nicht-planare Bahnplanung nutzend.© DF.Fotografie
Effizienter 3D-Druck großvolumiger Bauteile: Die am IKV entwickelte Anlage kombiniert den Masseaustrag eines Schneckenextruders mit dem Bauraum eines Gelenkarmroboters.

Arbeitsgruppen im Forschungsbereich Additive Fertigung

Anlagentechnik

Verfahrenstechnik

Christoph-Zimmermann-Square
Dr.-Ing.

Christoph Zimmermann

Leiter der Abteilung Spritzgießen und Additive Fertigung

Extrusion

Folie aus Rezyklat sowie weißes und graues Rezyklat.© DF.Fotografie
Im Forschungsbereich Extrusion wird unter anderem die Verarbeitung und Zusammensetzung von Rezyklaten, sowie Ursachen und Einflussanalysen von Stippen und Gelen in Produkten aus recyceltem Material erforscht.

Der Forschungsbereich Extrusion beschäftigt sich mit Verfahrenstechnik und Prozesssimulation zu den klassischen Extrusionsverfahren, wie Blas- und Flachfolienextrusion und Extrusionsblasformen. Dazu gehören auch die vor- und nachgelagerten Prozesse Compoundierung und Thermoformen. Digitale Methoden zur Prozesssteuerung, Prozesssimulationen, Modellierungen zur Materialaufbereitung und KI-gestützte Verfahren zur Rezepturentwicklung sind hier eng mit der praktischen Validierung im Technikum verzahnt. Nachhaltigkeitsschwerpunkte sind Energie- und Materialeffizienz durch Schäumen, der Einsatz biobasierter Materialien und vor allem die Rezyklatverarbeitung.

Faserverstärkte Kunststoffe

Der Forschungsbereich faserverstärkte Kunststoffe (FVK) betrachtet Prozesse und Prozessketten für thermoplastische und duroplastische FVK. Das beinhaltet Flüssigimprägnierverfahren wie RTM und Nasspressen, die Herstellung und Umformung von UD-Tapes und Organoblechen, die kontinuierliche Rovingverarbeitung (Pultrusion und Wickeln), das Fließpressen langfaserverstärkter Pressmassen und das Spritzgießen kurz- und langfaserverstärkter Thermoplaste und Duroplaste. Zur Prozessgestaltung und Prozessüberwachung werden neue Möglichkeiten zur Prozessdatenerhebung, Digitalisierung, Simulation und Modellierung entwickelt und validiert. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Entwicklung und Charakterisierung von faserverstärkten Werkstoffen und Bauteilen. Aktuelle Themen sind die Übertragung von Leichtbaustrategien in die Massenproduktion, die Entwicklung von Bauteilen und Fertigungsprozessen für Wasserstofftechnologien, die Entwicklung von recyclingfähigen FVK-Materialien und die Verwendung von Recyclingmaterialien für FVK.

Verschiedenfarbige Tapes und gewickeltes Rohr aus FVK.© DF.Fotografie
Im Forschungsbereich FVK werden unidirektionale Tapes erforscht, von der Imprägnierung der Fasern bis hin zur Weiterverarbeitung, beispielsweise durch lokales Einbringen in spritzgegossene Bauteile.
Jonathan-Alms-Square

Jonathan Alms

M. Sc.
Leiter der Abteilung FVK und Polyurethane

Fügetechnik

Elemente des Ultraschallschweißens© DF.Fotografie
Das Ultraschallschweißen von Kunststoffen ist eines der Fügeverfahren, die am IKV erforscht werden. Dabei werden hochfrequente Ultraschallwellen genutzt , um thermoplastische Materialien durch lokale Erwärmung und Schmelzen an ihren Grenzflächen zu verbinden.

Im Bereich Fügetechnik werden werkstofftechnische Fragestellungen sowie die fügegerechte Bauteil- und Prozessauslegung zu Kunststofffügeverfahren erforscht. Für Kunststoffschweißverfahren wie Heizelement-, IR-, Ultraschall- und Laserdurchstrahlschweißen werden die Vorgänge in der Fügezone auch auf molekularer Ebene und Zusammenhänge zwischen Verarbeitungsparametern und Schweißfestigkeit beschrieben und modelliert. Die Ergebnisse werden für die Forschung zur Verfahrensanalyse, -entwicklung und -optimierung genutzt.

Kautschuktechnologie

Im Forschungsbereich Kautschuktechnologie steht die Kautschukverarbeitung unter dem Aspekt der Verfahrenstechnik im Mittelpunkt. Kernthemen sind Untersuchung, Gestaltung und Optimierung der Verfahrensschritte in der Kautschukwertschöpfungskette mit Auslegung von Elastomerbauteilen, Compoundieren und Mischen, sowie Kautschukextrusion und Elastomerspritzgießen. Dazu entwickelt das IKV neue Methoden zur schnellen Bestimmung und zur In-line-Messung wichtiger Verarbeitungsparameter zur direkten Prozessteuerung und Regelung und für die Prozessauslegung. Modellierungen und Verfahren des Machine Learnings werden genutzt und weiterentwickelt, um digitale Tools für Compoundherstellung und Prozesssteuerung zur Verfügung zu stellen.

Forschungsbereiche-Kautschuktechnologie© DF.Fotografie
Das Eigenschaftsprofil eines Elastomerbauteils wird nicht nur durch die Mischungsentwicklung bestimmt. Auch die Gestaltung des Mischprozesses und die Prozessführung während der Weiterverarbeitung durch Spritzgießen oder Extrusion besitzen einen maßgeblichen Einfluss auf das resultierende Produkt.

Arbeitsgruppen im Forschungsbereich Kautschuktechnologie

Kautschukaufbereitung

Kautschukextrusion

Elastomerspritzgiessen

Lisa-Leuchtenberger-Engel-Square
Dr.-Ing.

Lisa Leuchtenberger-Engel

Leiterin der Abteilung Extrusion und Kautschuktechnologie

Polyurethantechnologie

Sandwich-Bauteil mit geschäumtem PUR-System.© DF.Fotografie
Im Forschungsbereich Polyurethane erforscht das IKV geschäumte und kompakte PUR-Systeme für unterschiedliche Anwendungen. Möglich sind auch, Composite-Bauteile mit PUR-Matrix.

Der Forschungsbereich Polyurethantechnologie beschäftigt sich unter den Aspekten Prozessauslegung und Materialcharakterisierung mit Weich- und Hartschäumen sowie Kompaktbauteilen aus PUR und Composite-Bauteilen mit PUR-Matrix. Die Forschungsfragen reichen von werkstoffwissenschaftlichen Fragestellungen und der Entwicklung von PUR-spezifischen Materialanalyse- und -testverfahren bis hin zu innovativen Verarbeitungsverfahren zur gezielten Kombination unterschiedlicher Werkstoffe und Funktionen in einem Bauteil. Dazu entwickelt der Forschungsbereich u. a. neue Möglichkeiten zur Prozessdatenerfassung, um die Datenbasis für Modellierungen und den Einsatz von KI auszubauen.

Arbeitsgruppen im Forschungsbereich Polyurethantechnologie

Schäumende Systeme

Kompakte Systeme

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Jonathan Alms

M. Sc.
Leiter der Abteilung FVK und Polyurethane

Plasma- und Oberflächentechnik

Die Entkopplung der Oberflächeneigenschaften von den Volumeneigenschaften eines Produktes mithilfe der Plasmatechnologie eröffnet Kunststoffen völlig neue Anwendungsspektren und -perspektiven in den Bereichen Automotive, Verpackung, Medizin-, Agrar- und Elektrotechnik sowie im Bausektor. Die plasmabasierte Funktionalisierung von Kunststoffoberflächen wird genutzt, um Adhäsion, Benetzbarkeit, Barrierewirkung, Verklebbarkeit, Kratzfestigkeit und tribologische Eigenschaften einzustellen. Die Forschungsschwerpunkte am IKV umfassen die Entwicklung von Schichtsystemen mit definierter Funktionalität, die Adaption der Prozesse auf vorgegebene Beschichtungsgüter, die Entwicklung und Umsetzung geeigneter Anlagenkonzepte, die Kontrolle und Überwachung von Plasmaprozessen, sowie die Oberflächen- und Prozessanalytik.

Sehr aktuell spielt die Plasmatechnologie eine zentrale Rolle im Kontext einer funktionierenden Kunststoffkreislaufwirtschaft, indem plasmabasierte Barrieresysteme Multimaterial- und Verbundsysteme insbesondere im Verpackungsbereich substituieren und Migrationsprozesse aus Produkten mit Rezyklatanteilen unterbinden.

Forschungsbereiche-Plasma-und-Oberflächentechnik
Die Plasmatechnologie stellt eine Möglichkeit dar, Kunststoffoberflächen, beispielsweise von Lebensmittelverpackungen, gezielt zu funktionalisieren. So können Multilayer-Lösungen substituiert, oder innovative Verpackungslösungen mit Rezyklatanteilen ermöglicht werden.

Arbeitsgruppen im Forschungsbereich Plasma- und Oberflächentechnik

Barriereentwicklung-Kreislaufwirtschaft

Barrieretechnologie-Anlagenentwicklung

Permeation-Simulation

Rainer-Dahlmann
Prof. Dr. rer. nat.

Rainer Dahlmann

Wissenschaftlicher Direktor und Leiter Zentrum für Kunststoffanalyse und -prüfung (KAP)

Spritzgießen

Spritzgegossene Demonstratoren (Stapelboxen) aus 100% PCR© DF.Fotografie
Der Forschungsbereich Spritzgießen konzentriert sich auf Maschine, Peripherie und Vernetzung von Spritzgießprozessen sowie auf Werkstoffe für dieses Verarbeitungsverfahren. Hier Demonstratoren die im Spritzgießprozess aus 100% PCR gefertigt wurden.

Im Forschungsbereich Spritzgießen entwickelt das IKV wegweisende Lösungen durch die Verbindung modernster Maschinentechnik, hochpräziser Werkzeugtechnik und innovativer Simulationsmethoden. Mithilfe intelligenter, adaptiver Prozessregelung, systematischer Prozessentwicklung und der Kombination verschiedener Verfahren optimieren wir die Reproduzierbarkeit und Wirtschaftlichkeit von Spritzgießprozessen. Eine parallele Erfassung und Analyse von Produktions- und Qualitätsdaten unterstützt dabei nicht nur die Prozessoptimierung, sondern ermöglicht auch das Training KI-gestützter Systeme zur Einrichtung, Anpassung und Überwachung von Prozessen.

Unabhängig von Werkstoff und Verfahren – sei es Schaumspritzgießen, Spritzprägen oder Hybridtechnik – entwickeln wir ressourcenschonende, intelligente und zukunftsweisende Innovationen für die Spritzgießtechnik von morgen.

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Dr.-Ing.

Christoph Zimmermann

Leiter der Abteilung Spritzgießen und Additive Fertigung

Strukturberechnung

Der Forschungsbereich Strukturberechnung beschäftigt sich mit Methoden zur Dimensionierung von Bauteilen im Zusammenspiel aus Werkstoff, Prozess und Geometrie und entwickelt dazu Materialmodelle, Struktursimulationen, Prozesssimulationen und integrative Simulationsketten. Untersucht werden Zusammenhänge zwischen Morphologie und mechanischen Eigenschaften, die ein besseres Verständnis der verarbeitungsbedingten Materialeigenschaften und eine aufwandsoptimierte Charakterisierung des Langzeit- und Schädigungsverhaltens von Bauteilen ermöglichen. So können Iterationen und Prototypenversuche deutlich zu reduziert, die technische Machbarkeit und Leistungsfähigkeit neuer Produkte und Verfahren bereits im Vorfeld zu bewertet und das Werkstoffpotenzial der Kunststoffe optimal ausgeschöpft werden.

FVK Demonstrator mit Schädigung nach Kurzzeitbeanspruchung© DF.Fotografie
In der Strukturberechnung wird das Verhalten von Werkstoffen über die Zeit sowie unter Beanspruchung untersucht.

Wasserstofftechnologien

Forschungsbereiche-Wasserstofftechnologien-2

Das IKV forscht an Kunststoffe und Kunststoffkomponenten für den Einsatz in der Wasserstoffwirtschaft. Schwerpunkte sind dabei Prozessentwicklung und Prozessüberwachung für die Verarbeitung von faserverstärkten Kunststoffen in Hinblick auf Effizienz und besondere Sicherheitsfaktoren für die Anforderungen der Wasserstofftechnologien, Bauteilauslegung und Qualitätssicherung sowie Werkstoffprüfung.

Aktivitäten des IKV im Bereich Wasserstofftechnologien

Im Bereich Wasserstofftechnologien forscht das IKV in verschiedenen Projekten. Das H2 Business and Technology Forum bietet eine gemeinsame Plattform die umfassende Einblicke in die Leistungsfähigkeit von Kunststoffe gibt, sodass die Wasserstoff-Community neue Möglichkeiten erkunden kann. Gleichzeitig entwickeln Kunststoffhersteller und -verarbeiter ein tiefes Verständnis für die Anforderungen in dieser neuen Wertschöpfungskette. Durch die Zusammenführung von Experten aus beiden Bereichen fördern wir den Austausch über aktuelle Trends und Innovationen in der Kunststofftechnologie und der Wasserstoffwirtschaft.

Über das H2-Forum

Kai-Fischer-Square
Dr.-Ing.

Kai Fischer

Wissenschaftlicher Direktor

Werkstofftechnik

Im Forschungsbereich Werkstofftechnik geht es um die Charakterisierung und Modellierung des Werkstoffverhaltens von Kunststoffen zur Ableitung von Werkstoffkennwerten für die Prozess- und Bauteilauslegung. Für Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere, thermoplastische Elastomere sowie faserverstärkte Kunststoffe werden dazu die Wechselwirkungen der einzelnen Werkstoffbestandteile untereinander und physikalische Einflüsse der Verarbeitungsverfahren auf unterschiedlichen Ebenen betrachtet und durch Molekulardynamiksimulationen abgebildet.

Bauteile aus Faserverstärkten Kunststoffen, bei denen die Zusammensetzung des Werkstoffs graduell variiert.© DF.Fotografie
In der Werkstofftechnik werden werkstofftechnische Fragestellungen in Bezug auf den Herstellungsprozess, die Anwendung sowie Medieneinflüsse untersucht, die auf die innere Struktur des Werkstoffs wirken.