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Themenfeld Materialwissenschaften

Neue Materialien oder die Anwendung von Materialien in einem neuen Anwendungsfeld sollten immer eine Verbesserung bezüglich der Nachhaltigkeit darstellen.

Die Materialwissenschaft im Sinne einer Entwicklung oder Optimierung von Materialien im Hinblick auf deren gezielte technische Anwendung, muss heute unabhängig vom Anwendungsfall auch die Verfügbarkeit der Ressourcen, die toxikologische Unbedenklichkeit und Umweltverträglichkeit der synthetisierten Materialien, sowie die Wiederverwertbarkeit oder Entsorgung am Lebenszeitende adressieren. Neue Materialien oder die Anwendung von Materialien in einem neuen Anwendungsfeld sollten daher immer auch eine Verbesserung bezüglich der Nachhaltigkeit darstellen.
Dazu tragen wir in folgender Weise bei:

  • 1. Kunststoffe sind aus unserem heutigen Leben nicht mehr wegzudenken und bilden die modernen Hochleistungsmaterialien von morgen.

    Die anspruchsvolle Herstellung wie auch der Einsatz und die Verwendung der Materialien verlangt nach immer  leistungsstärkeren Systemen, rezyklierbaren und wiederverwertbaren Einsatzstoffen, sowie Know-how bei der Entwicklung und Erprobung von zielgerichteten Rezepturen. Neben klassischen Kunststoff-Additiven wie Antioxidantien und Verarbeitungshilfsmitteln spielen insbesondere solche Zuschlagsstoffe eine zunehmend wichtigere Rolle, die das Abbauverhalten der Kunststoffe positiv beeinflussen. So ist beispielsweise der Einsatz von Kunststoffen in vielen ihrer Anwendungen nicht denkbar ohne die Entflammbarkeit der Materialien zielgerichtet herab zu setzten. Hierzu eignen sich insbesondere neuartige, halogenfreie Flammschutzmittel in Kombination mit geeigneten Synergisten, die nicht wie die althergebrachten Systeme unter Problemen wie Bioakkumulativität und Toxizität leiden. Unsere neu herzustellenden Additive und Rezepturen zeichnen sich neben ihrer hohen Effizienz insbesondere dadurch aus, dass sie toxikologisch unbedenklich sind und in der Umwelt nicht langfristig verbleiben. Nicht zuletzt sollen die Materialien aber auch verfügbar und zugänglich sein und sich somit über ein attraktive Preisgestaltung  für die zu verwendenden Firmen auszeichnen. Wir sind damit in der Lage die gesamte Kette von der Synthese neuartiger Produkte bis hin zur Herstellung und Prüfung erster Kunststoffprodukte an der HSHL im Labormaßstab abzubilden und damit den Weg zu neuartigen Rezepturen im Kunststoffbereich aufzuzeigen. (Prof. S. Fuchs)

  • 2. Im Bereich der Lichterzeugung und der Beleuchtungstechnik finden derzeit gravierende Umbrüche statt. Halbleiterlichtquellen wie LED, OLED und Diodenlaser durchdringen den Markt in zunehmendem Maße.

    Konventionelle Lichtquellen wie Glühlampen oder Gasentladungslampen haben heute bereits in weiten Bereichen nur noch ein Nischendasein. Die rasanten Veränderungen ermöglichen und erfordern den Einsatz von Materialien, die neu entwickelt werden müssen, oder auf die Anwendung hin zu optimieren sind. Hier sind insbesondere Kunststoffe von Bedeutung, da die Betriebstemperaturen der Leuchten im Allgemeinen niedriger sind als bei dem Betrieb mit klassischen Leuchtmitteln. Es stellt sich die Frage, welche Kunststoffe besonders nachhaltige Lösungen darstellen. Insbesondere der Einsatz von biobasierten Materialien aus nachwachsenden Rohstoffen wäre in diesem Zusammenhang attraktiv. Ein völlig neues Forschungsfeld die Anwendung von Biokunststoffen für optische Komponenten, gleichzeitig sind hier die Anforderungen an die Materialien besonders vielfältig und hoch. Grundlegende Studien sollen die Machbarkeit demonstrieren und zu ersten Prototypen führen. Des Weiteren ist die Strahlungsbelastung aufgrund der spektralen Zusammensetzung der Emission von Halbleiterlichtquellen eine völlig andere als bei konventionellen Leuchtmitteln. Insbesondere der hohe Anteil blauer Strahlung ist eine Herausforderung an die Stabilität vieler Materialien. In diesem Zusammenhang werden gezielte Lebensdauertests entwickelt und die verschiedenen Werkstoffe und Funktionsmaterialien bezüglich Ihrer Langzeitstabilität und der zugrundeliegenden Degradationsmechanismen bewertet. (Prof. Dr. J. Meyer)

  • 3. Die Entwicklung von neuen Materialien kann ohne eine ausführliche Charakterisierung nicht betrieben werden.

    Gerade in Bezug auf Nachhaltigkeit und ressourcenschonenden Umgang müssen die Materialien und Werkstoffe bis in den kleinsten Strukturbereich möglichst belastbar und effizient sein. Der Nachweis erfolgt. u. a. mit verschiedenen Methoden der Mikro- und Nanocharakterisierung. Im Zuge der Materialentwicklung müssen folglich auch die Mikroskopie- und Präparationstechniken für eine umfassende Untersuchung adaptiert werden. Die etablierten Methoden der Lichtmikroskopie, der Elektronenmikroskopie sowie der Rastersondenmikroskopie (AFM) werden abhängig von der Applikation weiterentwickelt und korrelativ miteinander verknüpft, um Zusammenhänge zwischen Funktion und Struktur der Materialien sichtbar zu machen und eine umfassende Charakterisierung über mehrere Größenordnungen ermöglichen. (Prof. Dr. C. Thomas)

  • 4. Der wachsende Wettbewerb in allen Industriebranchen stellt neue Anforderungen an die Produktentwicklung.

    Um die Wettbewerbsfähigkeit im produzierenden Gewerbe zu erhöhen, ist zunehmend die Digitalisierung von Entwicklungs- und Produktionsabläufen gefragt. Vor diesem Hintergrund werden immer mehr Fertigungsprozesse zunächst virtuell getestet bevor reale Fertigungsanlagen gebaut und eingesetzt werden. Auf diesem Weg stellen verschiedene Simulationsarten ein großes Potential zur Verkürzung der Entwicklungszeiten und damit zur Reduktion der Time to Market dar. In der frühen Produktentwicklungsphase können durch verschiedene Fertigungsprozesssimulationen mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) die Auswirkungen der Fertigungsprozesse auf das Verhalten von komplexen technischen Strukturen analysiert werden. Dadurch wird dem produzierenden Unternehmen ermöglicht, die entsprechenden Anpassungen im Konstruktionsbereich frühzeitig einzuleiten. Auf diesem Weg spielen realitätsnahe und praxistaugliche Werkstoff- und Prozessmodelle eine entscheidende Rolle. Die Entwicklung von solchen Modellen erfolgt auf der Basis des aktuellen Standes der Werkstoff- und Produktionswissenschaften, um die neuesten Entwicklungen in diesen Bereichen zu berücksichtigen. (Prof. Dr. D. Tikhomirov) 

  • 5. Bei Mobilitätsprodukten spielt das Gewicht oft eine entscheidende Rolle. Weniger Masse zu bewegen, bedeutet einen geringeren Energieaufwand.

    Aufgrund dessen entwickeln Unternehmen aus der Luft- und Raumfahrt sowie der Automobilindustrie schon seit vielen Jahren angepasste Leichtbaukonzepte. Sie verwenden verschiedene Materialien, die das Gesamtgewicht ihrer Produkte reduzieren. Erhebliches Leichtbaupotenzial ist insbesondere in der Kombination von Stahl, Aluminium, Magnesium und Faserverbundkunststoffen enthalten und stellt die Fügetechnik im Hinblick auf die effiziente dauerhafte Verbindung vor besondere Herausforderungen. Um die Leichtbaupotenziale der verschiedenen Werkstoffklassen synergetisch nutzen zu können, bedarf es innovativer Fügekonzepte. Im Sinne einer intelligenten und nachhaltigen Leichtbau-prozesskette sind neben geeigneten Materialien und Verarbeitungsprozessen auch Methoden zur Prüfung von Bauteilstrukturen und praxisgerechten Konzepten zur Reparatur im Schadensfall notwendig. (Prof. Dr. M. Wibbeke)

  • 6. Unter Ausgasung von Materialen wird das Freisetzen (= Emission) von oftmals unerwünschten flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) verstanden.

    Emissionen von VOC spielen z.B. bei in Innenräumen verwendeten Materialien, aber bei Verpackungen eine Rolle. Ausgasungen können sowohl toxikologisch relevant sein und damit ein gesundheitliches Risiko für den Menschen darstellen, aber auch allein durch den sensorischen Eindruck zu einer psychischen Belästigung führen, so dass deren Bestimmung notwendig wird. In vielen Bereichen ist dies gesetzlich gefordert oder durch entsprechende Normen geregelt. Ausgasungen können aber auch ein Indikator für die chemische Veränderung eines Materials sein, so dass der analytische Nachweis der Art und Menge der Emissionen sowohl zur Produkt- als auch zur Qualitätskontrolle eingesetzt werden kann. Der Nachweis von VOC kann durch chromatographische Verfahren im Labor erfolgen, aber auch mittels mobiler Messtechnik wie der Ionenmobilitätspektrometrie vor Ort durchgeführt werden. Die oftmals sehr niedrigen Konzentrationen erfordern dabei die Entwicklung geeigneter, nachweisstarker analytischer Messmethoden in Kombination mit entsprechenden Probenvorbereitungstechniken. (Prof. Dr. S. Sielemann). 

Labore im Themenfeld Materialwissenschaften

HSHL / Helen Sobiralski
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Die regelmäßig im Sommersemester stattfindende Kolloquien-Reihe "ZUKUNFT MATERIALIEN" lädt Interessierte herzlich zum wissenschaftlichen Austausch ein.

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