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Leitthemen Übergeordnete Forschungsthemen von strategischer Bedeutung

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Die Leitthemen am IKV sind übergeordnete Forschungsthemen.

Im großen Spektrum der Forschungsthemen am IKV nehmen die Leitthemen – Additive Fertigung, Digitalisierung, Kreislaufwirtschaft und Leichtbau – eine übergeordnete Stellung ein. Sie repräsentieren die relevanten Zukunftsthemen der Kunststoffindustrie und haben damit gleichermaßen strategische Bedeutung für die Branche wie für Forschung und Lehre am IKV.

Leitthemen fördern die strategische Weiterentwicklung am IKV

Zahlreiche Projekte am IKV stehen im Zusammenhang mit einem der oder mehreren Leitthemen. Um diese Forschungsprojekte zu bündeln und die Leitthemen strategisch weiterzuentwickeln, wurden am IKV zu allen Leitthemen Arbeitskreise ins Leben gerufen.


Arbeitskreise bündeln Expertise und fördern Innovation

In den Aktivitäten der Arbeitskreise wird die Expertise der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter aus allen wissenschaftlichen Abteilungen zusammengeführt. Indem aktuelle Entwicklungen diskutiert und neue Ideen und Projekte generiert werden, erfahren die Leitthemen eine inhaltliche Erweiterung und es werden Anknüpfungspunkte zu anderen Forschungsthemen des IKV ersichtlich. Darüber hinaus werden in den Arbeitskreisen Konzepte, Methoden und Inhalte für die Lehre entwickelt und Strategien zum Transfer der wissenschaftlichen Erkenntnisse in die Praxis ermittelt.

 


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Kreislaufwirtschaft

Neue Wege für das Recycling von Kunststoffen

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Nur durch eine effiziente Kreislaufwirtschaft können Kunststoffe ihr Potenzial bei der Bewältigung wichtiger Herausforderungen, wie etwa der Energiewende, der  Digitalisierung oder  Elektrifizierung ohne schädliche Auswirkungen auf Klima und Umwelt ausspielen. Denn im Vergleich zu anderen Werkstoffen sind Kunststoffe meist die ressourcenschonendere  Alternative und die mit ihnen assoziierten ökologischen Nachteile resultieren in der Regel aus ihren noch immer großenteils linearen „Lebensläufen“. Technologische Innovationen, ein recyclinggerechtes Produktdesign und neue Wege, Rezyklate in großem Maßstab für hochwertige Kunststoffprodukte zu nutzen, sind der Schlüssel zur nachhaltigen Gestaltung  der Kreislaufwirtschaft.

Die digitale Regelung und Vernetzung von Maschinen ist in der Kunststoffindustrie inzwischen gängige Praxis. Neue digitale Methoden reichen von der Datenerfassung bis zu KI-basierter Entwicklung neuer Materialien und Prozesse sowie KI-basierter Produktion.

Die automatische Analyse großer Datenmengen macht prozessnahe Daten für die Prozessregelung, Weiterentwicklung bestehender Simulationsmodelle und für Machine Learning nutzbar und erlaubt ein immer besseres Verständnis der Prozesse. Die Digitalisierung erlaubt die Vernetzung und Neugestaltung der Wertschöpfungskette. Daten zu einem bestimmten Material können von Akteur zu Akteur weitergegeben werden und beispielsweise in die Regelung nachgelagerter Prozesse einfließen und zum Aufbau gesamtheitlicher, steuerbarer Produktionssysteme genutzt werden. Damit leistet die Digitalisierung auch einen ganz entscheidenden Beitrag zu Kreislaufwirtschaft und Nachhaltigkeit.

Aktuelle Forschungsprojekte

aus der Kreislaufwirtschaft

Foil-Backing – Kreislauffähige Monomaterial-Bodenbeläge durch Rezyklierung von Polyamid

Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines werkstofflich rezyklierbaren textilen Bodenbelags aus Polyamid

KI-Anwendungshub Kunststoffverpackungen

Im Innovationslabor KIOptiPack geht es darum, praxisreife KI-gestützte Werkzeuge für das erfolgreiche Produktdesign sowie die qualitätsgerechte Produktion von Kunststoffverpackungen mit hohem Rezyklatanteil bereitzustellen, zu validieren und in die Anwendung zu übertragen.

Smellstop – Geruchsreduzierung als Schlüsseltechnologie für den Einsatz von rezykliertem Post-Consumer-Polyethylen

Um das Recycling von Post-Consumer-Polyethylen zu fördern und das Downcycling zu reduzieren, rückt die Geruchsreduzierung als entscheidende Technologie in den Fokus. Die Förderinitiative Ressourceneffiziente Kreislaufwirtschaft – Kunststoffrecyclingtechnologien (KuRT) setzt sich dafür ein, die Recyclingquote nachhaltig zu erhöhen.

LOOPCYCLING – Verbesserung von industriell verfügbaren LDPE-Rezyklatqualitäten aus Haushalts-PCR

Das Projekt bezieht die gesamte Wertschöpfungskette des Kunststoffrecyclings ein, um die Grenzen des mechanischen Recyclings zu erweitern und mit etablierten industriellen Verfahren bestmögliche Rezyklatqualitäten zu erzielen.

LFT-Recycling – Nachhaltige LFT-Bauteile: Produktion mit Post-Industrial und Post-Consumer-Sekundärrohstoffen

Das Forschungsvorhaben ReLFT verfolgt das Ziel, Post-Industrial (PIR) und Post-Consumer-Rezyklate (PCR) werkstoffgerecht und faserschonend aufzubereiten. Durch die Anwendung eines Pressverfahrens sollen LFT-Komponenten mit konstanten mechanischen Eigenschaften erzeugt werden, um die Nachhaltigkeit in der Produktion von Leichtbaukomponenten zu fördern.

Prozessparameteranalyse: Energieeffizienz und Bauteilqualität bei der Verarbeitung von Rezyklaten

Die Verarbeitung von Post-Consumer Rezyklaten ermöglicht eine nachhaltige Produktion durch Kreislaufwirtschaft. Eine gezielte Optimierung von Spritzgießparametern wie Einspritzgeschwindigkeit, Nachdruck und Schmelzetemperatur reduziert den Energieverbrauch und CO₂-Emissionen, während die Bauteilqualität erhalten bleibt. Aktuelle Forschungen vergleichen den Energieverbrauch und die Qualitätsmerkmale zwischen Neuware und Rezyklaten.

ReHyComPro – Entwicklung eines recyclingfähigen hybriden Composite-Profilsystems für Fenster- und Türanwendungen

Im Forschungsprojekt ReHyComPro wurde eine neue Prozesskombination aus Pultrusion und Extrusion entwickelt, um pultrudierte Profile durch eine thermoplastische Inline-Beschichtung zu funktionalisieren.

ViscAssist – Produktionsassistenzsystem zur Vorhersage der Viskositätskurve von Polyolefinen bei Rezyklateinsatz

Das Projekt „ViscAssist“ zielt darauf ab, ein Produktionsassistenzsystem zu entwickeln, das die Viskositätskurve von Polyolefinen bei Rezyklateinsatz in Echtzeit vorhersagen kann. Durch einen intelligenten Softsensor, der sämtliche Produktionsdaten im Compoundierprozess erfasst, soll die Qualität der rezyklathaltigen Materialien verbessert und die Prozesssteuerung effizienter gestaltet werden.

Kreislaufwirtschaft als Leitthema am IKV

Das IKV erarbeitet schon seit den 1980er Jahren Lösungen für zahlreiche Fragestellungen zu den Themen Recycling, Rezyklatcharakterisierung und -einsatz sowie recyclinggerechtes Produktdesign. Das Zentrum für Kunststoffanalyse und -prüfung (KAP) zeigt mit seiner Forschung zu zielgerichteten Materialanalysen die Möglichkeiten und Grenzen des Rezyklateinsatzes in verschiedenen Anwendungen auf. Die Plasmatechnik am IKV spielt eine wichtige Rolle beim recyclinggerechten Produktdesign. PECVD-Beschichtungen können auf Kunststoffen als gute Barriere gegenüber verschiedenen Medien wirken. Die extrem dünnen Schichten beeinträchtigen den Recyclingprozess nicht, sodass sie herkömmliche nicht-rezyklierbare Barrieresysteme ersetzen können. Gleichzeitig ermöglichen sie einen breiteren Rezyklateinsatz, da sie die Migration von Fremdstoffen in das Füllgut verhindern. In Kombination mit digitalen Innovationen können die Ergebnisse erheblich zur Steigerung der Recyclingquoten sowie der Kreislaufführung von Kunststoffen beitragen. Dazu zählen beispielsweise eine digitale Infrastruktur zur Abbildung des kompletten Lebenszyklus sowie innovative Data-Science-Methoden.

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Prof. Dr. rer. nat.

Rainer Dahlmann

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

Digitalisierung

Vernetzung für optimierte Prozesse

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Die digitale Regelung und Vernetzung von Maschinen ist in der Kunststoffindustrie inzwischen gängige Praxis. Neue digitale Methoden reichen von Datenerfassung bis zu KI-basierter Entwicklung neuer Materialien und Prozesse sowie KI-basierter Produktion. Die automatische Analyse großer Datenmengen, macht prozessnahe Daten für die Prozessregelung, Weiterentwicklung bestehender Simulationsmodelle und für Machine Learning nutzbar und erlaubt ein immer besseres Verständnis der Prozesse. Die Digitalisierung ermöglicht die Vernetzung und Neugestaltung der Wertschöpfungskette. Daten zu einem bestimmten Material können von Akteur zu Akteur weitergegeben werden und beispielsweise in die Regelung nachgelagerter Prozesse einfließen und zum Aufbau gesamtheitlicher, steuerbarer Produktionssysteme genutzt werden. Damit leistet die Digitalisierung auch einen ganz entscheidenden Beitrag zu Kreislaufwirtschaft und Nachhaltigkeit.

Aktuelle Forschungsprojekte

aus dem Bereich Digitalisierung

Indi-FVK: Entwicklung eines digitalisierten Auslegungsprozesses für individualisierte FVK Bauteile

In diesem Kooperationsprojekt zwischen dem IKV, dem Institut für Mensch-Maschine-Interaktionen (MMI) und der Fördervereinigung Programmiersprachen e.V. (FVP) wird der Thermoformprozess von UD-Tape-Laminaten in einer Software zur Prozessplanung und -steuerung abgebildet.

KI-Anwendungshub Kunststoffverpackungen

Im Innovationslabor KIOptiPack geht es darum, praxisreife KI-gestützte Werkzeuge für das erfolgreiche Produktdesign sowie die qualitätsgerechte Produktion von Kunststoffverpackungen mit hohem Rezyklatanteil bereitzustellen, zu validieren und in die Anwendung zu übertragen.

WIN4KMU

Im Projekt WIN4KMU sollen praxistaugliche Lösungen entwickelt werden, die vor allem KMU einfach und kostengünstig an Industrie 4.0 heranführen, um so ihre Position am Markt und Wettbewerbsfähigkeit zu stärken bzw. zu bewahren.

FoamSimExpert – Thermoplast-Schaumspritzgießen: Prozess- und Struktursimulation

Im Projekt FoamSimExpert sollen die wesentlichen Herausforderungen der Struktursimulationskette vereinfacht werden.

OptiPlast – Regelung der Dosierphase beim Spritzgießen auf Basis von Prozesskennzahlen

Das Forschungsprojekt zielt darauf ab, die Zusammenhänge zwischen Prozessgrößen, Materialeigenschaften und resultierenden Qualitätsparametern wie axialer Schmelzetemperaturverteilung, Dosierzeit und Energiebedarf zu analysieren. Mittels modellbasierter Untersuchung der Plastifizier- und Stillstandsphase sollen Optimierungsansätze für die Schmelzehomogenität, die Plastifizierleistung und den Energieverbrauch entwickelt und in die Paderborner Spritzgießsimulation (PSI) implementiert werden.

ViscAssist – Produktionsassistenzsystem zur Vorhersage der Viskositätskurve von Polyolefinen bei Rezyklateinsatz

Das Projekt „ViscAssist“ zielt darauf ab, ein Produktionsassistenzsystem zu entwickeln, das die Viskositätskurve von Polyolefinen bei Rezyklateinsatz in Echtzeit vorhersagen kann. Durch einen intelligenten Softsensor, der sämtliche Produktionsdaten im Compoundierprozess erfasst, soll die Qualität der rezyklathaltigen Materialien verbessert und die Prozesssteuerung effizienter gestaltet werden.

DAVID – Digitale Auslegungsmethoden von inline-überwachten Druckbehältern

Technologisches Ziel des gestarteten Forschungsvorhabens ist es, mittels durchgängiger Digitalisierung sowie anwendungsspezifischer Charakterisierung und Modellierung eine realistische Beschreibung der Behälterwerkstoffe und des Gesamtsystems während der Herstellung und des Produktlebenszyklusses zu erlangen.

FamRe – Entwicklung einer kavitätsspezifischen Regelung des Spritzgießprozesses für Familienwerkzeuge

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die Füllunterschiede durch die Anpassung des Öffnungshubes elektrisch angetriebener Heißkanalverschlussnadeln während der Einspritzphase auszugleichen.

Digitalisierung als Leitthema am IKV

Das IKV ist im Bereich Digitalisierung in der Kunststoffindustrie weltweit wissenschaftlich führend und ein zukunftsweisender Forschungs- und Entwicklungspartner für Wissenschaft, Wirtschaft und innovative Start-ups. Am Campus Melaten ist mit dem Plastics Innovation Center 4.0 (PIC 4.0) eine vollständig digitalisierte Forschungsinfrastruktur zur umfassenden und praxisnahen Forschung an Themen der Digitalisierung in der Kunststoffproduktion entstanden. Als kompetenter Ansprechpartner bietet das IKV mit der Smart Factory die Infrastruktur für Test-Beds zur Entwicklung neuer digitaler Methoden. Ziel ist neben der Befähigung der Kunststoffindustrie zum kompetenten Umgang mit Digitalisierungsmethoden die Ausbildung von Nachwuchskräften mit Industrie 4.0 Kompetenz.

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Dipl.-Ing.

Mauritius Schmitz

Wissenschaftlicher Direktor

Leichtbau

Schlüsselmaterialien für Nachhaltigkeit

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Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) gehören als hochbelastbare Leichtbauwerkstoffe zu den Schlüsselmaterialien für Klimaschutz und Nachhaltigkeit. Sie ermöglichen in unterschiedlichen Anwendungen  und Branchen erhebliche Einsparungen an Energie, Material und Emissionen. Dabei ist der Einsatz von FVK mittlerweile nicht mehr auf variantenreiche Kleinserien oder Einzelstücke beschränkt. Mit heutigen Produktionsprozessen lassen sich bereits kurze Zykluszeiten im Minutenbereich und damit große Serien wirtschaftlich realisieren.

Aktuelle Forschungsprojekte

aus dem Bereich Leichtbau

DAVID – Digitale Auslegungsmethoden von inline-überwachten Druckbehältern

Technologisches Ziel des gestarteten Forschungsvorhabens ist es, mittels durchgängiger Digitalisierung sowie anwendungsspezifischer Charakterisierung und Modellierung eine realistische Beschreibung der Behälterwerkstoffe und des Gesamtsystems während der Herstellung und des Produktlebenszyklusses zu erlangen.

HYInno Tank – Wartungsarme mobile Hochdruckspeicher

In diesem Projekt wurde die Möglichkeit der Strukturüberwachung in endlosfaserverstärkten Bauteilen unter statischer und zyklischer Belastung sowie die Detektion von Impaktschäden demonstriert.

Charakterisierungsmethoden der Anbindungsfestigkeit zwischen UD-Tapes und Formmasse in Spritzgießbauteilen

Thermoplastische Glasfasertapes bieten enormes Leichtbaupotential für Spritzgießbauteile. Um werkstoff- und prozessbedingte Herausforderungen wie Eigenspannungen und Grenzflächenversagen zu meistern, ermöglichen neuartige Tape-Einleger mit integrierten faseroptischen Sensoren die präzise Messung von Temperatur- und Dehnungshistorien. So wird eine fundierte Charakterisierung der Anbindungsfestigkeit unter realen Bedingungen möglich.

LFT-Recycling – Nachhaltige LFT-Bauteile: Produktion mit Post-Industrial und Post-Consumer-Sekundärrohstoffen

Das Forschungsvorhaben ReLFT verfolgt das Ziel, Post-Industrial (PIR) und Post-Consumer-Rezyklate (PCR) werkstoffgerecht und faserschonend aufzubereiten. Durch die Anwendung eines Pressverfahrens sollen LFT-Komponenten mit konstanten mechanischen Eigenschaften erzeugt werden, um die Nachhaltigkeit in der Produktion von Leichtbaukomponenten zu fördern.

PolyH2Pipe – FVK-Rohrleitungen für Elektrolyseure

Das Projekt PolyH2Pipe erforscht den Einsatz von faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffrohren als Ersatz für teure Edelstahlrohre in Elektrolyseuren. Durch automatisierte Fertigungsverfahren und einfache Verbindungstechniken können die Herstellungskosten dieser Rohre deutlich reduziert werden, was großes Potenzial für eine wirtschaftlichere Produktion bietet.

Quantitative Untersuchungen der Tapeanbindung in hinterspritzten thermoplastischen Bauteilen mittels datenphysikalischer Multiskalenmethoden

Im geförderten Projekt der DFG und NSF stehen die Mikrokristallisations- und Diffusionsprozesse im Fokus. Ziel ist die Entwicklung datengetriebener Simulationsmodelle, um die Anbindungsfestigkeit zwischen thermoplastischen UD-Tapes und kurzfaserverstärkter Spritzgießmasse auf makroskaliger Ebene präzise zu berechnen.

Leichtbau als Leitthema am IKV

Die Leichtbauforschung am IKV hat zahlreiche Facetten und umfasst faserverstärkte Thermoplaste und Duroplaste sowie geschäumte Werkstoffsysteme. Das IKV verbessert die Methoden zur Auslegung sowie zur werkstoff- und produktionsgerechten Gestaltung von Bauteilen.

In Kombination mit der abteilungsübergreifenden Weiterentwicklung von Technologiebausteinen und Verfahren in den Prozessketten Spritzgießen, Fließpressen, Flüssigimprägnierverfahren, Wickel- und Pultrusionstechnik, Taperverarbeitung, Umformen und der Verarbeitung thermoplastischer Halbzeuge werden kontinuierlich innovative Lösungen entwickelt. Diese tragen dazu bei, die ökologischen Auswirkungen von Produktion, Nutzung und Verwertung von Leichtbauwerkstoffen am Ende ihres Lebenszyklus deutlich zu reduzieren und gleichzeitig wirtschaftlich tragfähig zu gestalten.

Mit seiner umfassenden Expertise entlang des gesamten Produktentwicklungszyklus und einer modernen Ausstattung bietet das IKV exzellente Rahmenbedingungen für Forschung und industrielle Kooperationen. Von der Werkstoffauswahl über die Bauteil- und Prozessoptimierung bis hin zur Entwicklung und Umsetzung von Full-Scale-Prototypen unterstützt das Institut Unternehmen dabei, kunststoffbasierte Leichtbautechnologien effizient und nachhaltig in die Serienproduktion zu überführen.

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Dr.-Ing.

Kai Fischer

Wissenschaftlicher Direktor

Additive Fertigung

Designfreiheit und individuelle Bauteile

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Die Additive Fertigung (AF) gehört zu den Kunststoffverarbeitungsverfahren, die in den letzten 10 Jahren eine rasante Entwicklung erfahren haben. Überall dort, wo es um individuell angepasste Bauteile in kleinen Losgrößen geht, ist sie inzwischen in der industriellen Praxis etabliert. Der Trend setzt sich fort zu immer größeren und anspruchsvolleren Anwendungen, denn das hohe Maß an geometrischer Freiheit durch den schichtweisen Aufbau bietet enormes Entwicklungspotenzial. Aktuelle Herausforderungen betreffen die vergleichsweise lange Fertigungszeit, die maximale Bauteilgröße und die mechanischen und optischen Bauteileigenschaften.

Aktuelle Forschungsprojekte

aus der Additiven Fertigung

Verbesserte Vorhersage der lokalen mechanischen Bauteileigenschaften in der Additiven Fertigung

Im Projekt „Zwischenschichtfestigkeit plastifizierende AF“ wurde eine Berechnungsroutine entwickelt, die die lokalen Zwischenschichtfestigkeiten plastifizierend additiv gefertigter Bauteile bereits vor der Fertigung möglichst effizient bestimmt.

Exzellenzcluster Internet of Production

Im EXC „Internet of Production“ forscht seit Januar 2019 ein Konsortium von mehr als 35 teilnehmenden Instituten an der RWTH Aachen zum Thema Digitalisierung in den Produktionsprozessen.

DFG bewilligt neuen Sonderforschungsbereich (SFB) zur intelligenten Produktion von Kunststoff-Leichtbaustrukturen

Mit der RWTH Aachen, der TU Chemnitz und der TU Dresden arbeiten drei renommierte Universitäten und führende Standorte im Bereich des Leichtbaus nun gemeinsam an diesem Verbundprojekt.

Additive Fertigung als Leitthema am IKV

Das IKV forscht bereits seit einigen Jahren an der Skalierung der Additiven Fertigung und kann dazu auf die umfangreiche eigene Forschung zu werkstoff- und prozesstechnischen Zusammenhängen in plastifizierenden additiven Fertigungsverfahren zurückgreifen. Ein wesentlicher Baustein ist dabei die physikalisch motivierte Modellierung der Abkühlung und Erstarrung des thermoplastischen Materials. Die Forschungsergebnisse ermöglichen es dem Anwender, das volle Potenzial der Additiven Fertigung zu nutzen, Materialien anwendungsgerecht auszuwählen und Prozesse zu gestalten und zu optimieren.

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Dr.-Ing.

Christoph Zimmermann

Leiter der Abteilung Spritzgießen und Additive Fertigung