AG Ries – Kunststofftechnik

Kunststoffe sind aus unserer Welt nicht mehr wegzudenken: Drei Viertel aller weltweit produzierten Kunststoffe werden in langlebigen, funktionellen Bauteilen eingesetzt. Das sind meist hochwertige Produkte im Dauereisatz, für die auch in Zukunft Kunststoffe benötigt werden. Bei diesen Produkten gilt im Sinne der Circular Economy: die Herstellung möglichst ressourcenschonend zu gestalten, die Nutzung der Produkte möglichst langlebig zu gestalten und sie – wenn sie ihr Produktlebensende erreicht haben – klug wiederzuverwenden.

Messgerät für die dynamische Differenzkalorimetrie — Die dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) verrät den Wissenschaftler:innen zum Beispiel Glasübergangs- und Schmelztemperatur von Kunststoffproben.

Eine Wiederverwendung des Materials kann beispielsweise erfolgen, indem die Kunststoffe recycelt werden. Doch Achtung: Hier sollte ein Downcycling, also Verschlechterung der Werkstoffqualität im Vergleich zum Ausgangsmaterial, wenn möglich vermieden werden. Außerdem wichtig zu wissen: Jedes Recycling verändert die Eigenschaften der Kunststoffe. Jedes erneute Aufschmelzen beim werkstofflichen Recycling des Kunststoffs verkürzen die langen Polymerketten, aus denen Kunststoffe bestehen, wodurch sich dessen Verarbeitungstemperatur oder Viskosität verändern. Auch mechanische Kennwerte wie die Zugfestigkeit oder Schlagzähigkeit ändern sich. All diese Eigenschaften sind jedoch enorm wichtig für die verschiedenen Produktionsprozesse, Bauteileigenschaften und Anwendungsbereiche.

Recycling ist wichtig für Ressourcen- und Klimaschutz, aber gleichzeitig nur eine von vielen Stellschrauben auf dem Weg zu einer nachhaltigen Produktion und einer zirkulären Wertschöpfung. Weiterlesen in der HSBI-Pressemitteilung zum Weltrecyclingtag 2024.

Die AG Kunststofftechnik an der HSBI beschäftigt sich mit der Verarbeitung sowie der Analytik von Kunststoffen. Dazu gehören die physikalischen, mechanischen und optischen Eigenschaften von Kunststoffen. Für eine saubere und eindeutige Analytik braucht es oft verschiedenste Analysemethoden, deren einzelne Ergebnisse, ähnlich einem Puzzle, erst zum Schluss ein komplettes Bild abgeben. Die Verarbeitung selbst wird unter anderem mit einem Doppelschneckenextruder untersucht. Damit können sowohl neue Materialien entwickelt als auch vorhandene gezielt verändert werden, zum Beispiel indem neue Stoffe zugemischt oder andere abgebaut werden. Das Team experimentiert aktuell mit Additiven auf Pflanzenbasis, um nachhaltigere Kunststoffe zu erhalten.

Messkurven auf einem Blatt Papier — Hier zu sehen: der Vergleich mehrerer DSC-Messkurven. Die Tiefpunkte zeigen Aufschmelzprozesse in der Kunststoffprobe an, die Energie benötigen.

Die Kunststoffproduktion benötigt klassischerweise enorm viele Ressourcen: Neben dem Material selbst ist es jede Menge Energie, die gefordert ist. An der HSBI untersuchen deshalb Forscher:innen, wie der Energieverbrauch bei der Verarbeitung von Kunststoff gesenkt werden kann. Mit einem intelligenten Wärmemanagement durch sogenannte Heatpipes kann 20 bis 30 Prozent der Energie bei der Herstellung von Kunststoffprodukten eingespart werden. Die Handhabung von Kunststoffen insbesondere bei der Produktion nachhaltiger zu gestalten, ist eines der Ziele des Teams.

Forschungsschwerpunkte

- Prüfung und Bewertung polymerer Werkstoffe und daraus hergestellter Produkte
  – Schadensanalyse an Kunststoffbauteilen
  – Charakterisierung von Kunststoffen
- Optimierung von Spritzgießwerkzeugen
  – Wärmestromsimulation instationärer Prozesse
  – Gestaltung von Kühlkanälen an Großwerkzeugen
- Konstruieren mit Kunststoffen
  – Verzugssimulation und Geometrievariation zur Herstellung
  – spannungsarmer Bauteile
  – Ermittlung von Materialkennwerten für die Prozesssimulation
- Faserverbundwerkstoffe
  – Gestaltung von Faserverbundbauteilen
  – Laminatberechnungen
  – Integrierte CFK-Formenheiztechnologie
  – CAD-CAM im Faserverbund-Werkzeugbau

Der Doppelschneckenextruder in der HSBI Experimentierhalle — Der Doppelschneckenextruder in der Experimentierhalle der Hochschule Bielefeld.

Labore und Ausstattung

Die aktuelle Ausstattung der Labore finden Sie auf deren jeweiligen Webseiten - bitte klicken Sie auf den Namen des Labors, über das Sie mehr erfahren möchten.

Labor für Kunststoffverarbeitung

In dem Labor, das Teil der Experimentierhalle der HSBI ist, befinden sich u.a. verschiedenen Spritzgießmaschinen, Extruder, eine Tiefziehmaschine sowie eine 200 kN-Präzisionslaborpresse. Prüfstände für die Kernfeldermittlung von Heatpipes und der Untersuchung von Wärmeströmen an Bauteilübergängen komplettieren die Ausstattung.

Labor für Kunststoffprüfung und -analytik

Thermogravimetrische Analyse — Bei der thermogravimetrischen Analyse wird die Masseänderung einer Probe in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit gemessen.

Im Labor für Kunststoffprüfung und Analytik werden sowohl mechanische Verfahren (Prüfung von u.a. Zug, Druck, Biegung, Härte) und thermische Verfahren (Dynamische Differenzkalorimetrie, Thermogravimetrie, Thermomechanische Analyse und Thermomikroskopie), als auch optische Verfahren (Durchlichtmikroskopie, Mikrotom, Polarisationsoptische Einrichtung, Stereolupe, Fourier-Transform-Infrarot-Spektrometer (FTIR) mit Durchstrahlungs- und Reflexionseinrichtung mit zusätzlichem Infrarotmikroskop, Spektralphotometer, Wärmebildkamera und Kontaktwinkelmessgerät) genutzt. Dazu kommen verschiedene rheologische Prüfverfahren wie Hochdruck-Kapillarrheometer und ein Schmelzindexgerät. Auch weitere Geräte wie zur Messung der Restfeuchte, der Dichte, Werkzeuge für Probenkörper, dielektrische Analyse, ein Klimaschrank, Wärmeöfen und eine Vakuumgießanlage sind vorhanden.