Themenspecials

Wissenswertes rund um Kunststoff und Kautschuk

Kunststoff und Kautschuk begegnen uns überall im Alltag. Entdecken Sie spannende Geschichten, überraschende Fakten und interessante Hintergründe – von historischen Entwicklungen und bekannten Produkten bis hin zu wichtigen Persönlichkeiten und Innovationen der Branche.

Beiträge (471)

  • Chemie als Schlüssel für nachhaltige Kunststoffe - White Paper zur Kreislaufwirtschaft von Kunststoffen

    Kunststoffe haben dazu beigetragen, die moderne Welt aufzubauen. Sie sind unerlässlich, um eine nachhaltigere Gesellschaft zu schaffen und sicherzustellen, dass sich zukünftige Technologien schnell und kostengünstig entwickeln. Doch der Einsatz von Kunststoffen bringt auch große ökologische Herausforderungen mit sich. Wie kann die Chemie dazu beitragen, effiziente Methoden zur Wiederverwertung von Kunststoffen zu entwickeln und langfristig Ersatzstoffe aus nachhaltigen Rohstoffen zu schaffen? Darüber diskutierten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im vergangenen Jahr beim 8.Chemical Sciences and Society Symposium (CS3). Ihre Ergebnisse haben sie nun in einem White Paper veröffentlicht. Kunststoffe finden wir inzwischen in allen Bereichen unseres Lebens: Von Lebensmittelverpackungen über Mobiltelefone bis hin zu Elektrofahrzeugen. Sie bringen viele Vorteile, stellen uns aber auch vor große ökologische Herausforderungen, insbesondere bei der richtigen und sorgfältigen Entsorgung bzw. Wiederverwendung von Kunststoffen. Diese Herausforderungen müssen gelöst werden. Im vergangenen November diskutierten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus China, Japan, Großbritannien und Deutschland sowie Vertreterinnen und Vertreter der jeweiligen chemischen Gesellschaften und Forschungsförderorganisationen beim 8. Chemical Sciences and Society Symposium (CS3) „Science to Enable Sustainable Plastics“ in London, welchen Beitrag die Chemie leisten kann, um die Synthese, Verwendung und Entsorgung von Kunststoffen nachhaltiger zu gestalten als heute. Ihre daraus resultierenden Ergebnisse und Empfehlungen für andere Wissenschaftler, Forschungsförderer, politische Entscheidungsträger und die Gesellschaft haben sie unter vier Hauptpunkten in einem White Paper zusammengefasst. Die Auswirkungen von Kunststoffen während ihres gesamten Lebenszyklus verstehen Der Lebenszyklus von Kunststoffen und ihre Auswirkungen auf die Umwelt müssen eingehend analysiert werden, um zum Beispiel die Entstehung von Mikro- und Nanokunststoffen zu verstehen. Dazu sind neue Analysenmethoden nötig, die unter anderem die Verteilung der Mikrokunststoffe in der Umwelt simulieren und so zum Verständnis des Verbleibs und der Persistenz von Kunststoffabfällen beitragen sollen. „Es sind nicht die ausrangierten Kunststoffe, die die Natur mit Mikro- und Nanokunststoffen an sich verschmutzen, sondern es ist die unsachgemäße Handhabung durch uns Menschen“, betont Professor Dr. Andreas Greiner, Universität Bayreuth, der die deutsche CS3-Delegation in London leitete. „Um die Auswirkungen auf unsere Umwelt zu reduzieren, muss sich unser Umgang mit Kunststoffen verbessern. Jeder kann Verantwortung übernehmen und seinen Beitrag leisten.“ Neue nachhaltige Kunststoffe entwickeln Werden neue Kunststoffe entwickelt, sollen diese für die Kreislaufwirtschaft ausgelegt sein. Um dies umzusetzen, sind neuartige Prozesse erforderlich, die diese Kunststoffe herstellen, verarbeiten und auch recyceln können. „Die Chemie ist der Schlüssel, um Ersatzstoffe zu finden, die aus nachhaltigen Ausgangsmaterialien hergestellt werden, aber auch, um Kunststoffe nach Gebrauch in hochwertige Ausgangsmaterialien umzuwandeln. Das Verständnis der Chemie der Kunststoffe und die Ausnutzung der Synthesemöglichkeiten der Chemie sind wesentlich, um eine funktionsfähige Kreislaufwirtschaft für Kunststoffe zu gestalten“, sagt Professorin Dr. Brigitte Voit, Leibniz-Institut für Polymerforschung, Dresden und Mitglied der deutschen CS3-Delegation in London. Kunststoff-Recycling mit geschlossenem Kreislauf Um Kunststoffabfälle besser kennzeichnen, identifizieren und in sortenreine Kunststoffe trennen zu können, sind chemische Technologien erforderlich. Effiziente Recyclingverfahren sollen wertvolle Moleküle zurückgewinnen und sortenreine Kunststoffe vollständig recycelt werden. In einer Kreislaufwirtschaft können auch CO2-Emissionen als Ausgangsstoff wiederverwenden werden. Kunststoffabbau verstehen und kontrollieren Es ist notwendig, die langfristigen Umweltauswirkungen von Kunststoffen zu reduzieren. Das bedeutet, dass für einige Anwendungen ökologisch abbaubare Kunststoffe entwickelt werden müssen. Dazu ist wesentlich, zu verstehen, wie Kunststoffe in einem breiten Spektrum von Umgebungen vollständig zu unkritischen kleinen Molekülen abgebaut werden und welchen Einfluss z.B. Feuchtigkeit, pH-Wert und Organismen darauf haben. Um neue Materialien zu entwickeln, die wiederverwertbar und umweltverträglich abbaubar sind, ist weitere Forschung notwendig. Ökologisch abbaubare Kunststoffe müssen zudem in Leistung und Kosten wettbewerbsfähig sein. Für die Umsetzung sehen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine Integration von technischen Disziplinen als unerlässlich. „Damit wir eine nachhaltige Zukunft mit Kunststoffen realisieren können, braucht es parallele Fortschritte in vielen Bereichen. Es sind auch Abfallwirtschaft, Regulierung, Wirtschaft und unser Verhalten gefragt, um die Infrastruktur und die Ökosysteme für ein nachhaltiges Kunststoffsystem zu schaffen“, fasst Andreas Greiner zusammen. Download White Paper "Science to enable sustainable plastics" (Englisch)

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  • Alarm bei giftigen Gasen: Sensorsystem soll Arbeitsschutz in der Kunststoffindustrie verbessern

    Der Messtechniker Professor Andreas Schütze ist Spezialist für neuartige Gassensorsysteme. Foto: Oliver Dietze Werden Kunststoffe recycelt oder weiterverarbeitet, können gesundheitsschädliche Dämpfe oder Gase entstehen. Bislang wird dies nur stichprobenartig überprüft. Ein neues System soll jetzt permanent im laufenden Betrieb die Luftqualität in der Kunststoffindustrie überwachen und Arbeiterinnen und Arbeiter vor Ort bei bedenklichen Konzentrationen warnen. Der Gassensorexperte Andreas Schütze und sein Team von der Universität des Saarlandes arbeiten hierfür mit dem Zuse-Institut SKZ – Das Kunststoff-Zentrum in Würzburg zusammen. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie fördert die Forschung mit rund einer halben Million Euro. Wird Kunststoff recycelt, kommt einiges zusammen: Was aus gelben Säcken quillt, ist weit weg von sortenrein. Tuben, Flaschen und Behälter enthalten noch Reste etwa von Waschmitteln oder Reinigern, auf den Etiketten sind Kleb- und Farbstoffe. Zwar wird alles vor dem erneuten Schmelzen sortiert und gewaschen, ganz verhindert werden können Rückstände und Verunreinigungen aber nicht. Und dies kann bei hohen Verarbeitungstemperaturen dazu führen, dass sich etwas zusammenbraut: Zwar ist nicht alles, was dabei entweicht, grundsätzlich schädlich für Mensch und Umwelt. Aber es kann auch ein gasförmiger Cocktail aus potenziell gesundheitsgefährdenden Stoffen entstehen, der Krebs erzeugen, Keimzellen schädigen oder Atemwege, Augen und Haut reizen kann. Auch beim Weiterverarbeiten der Kunststoffe kann dies passieren, etwa beim Veredeln durch Zugabe von Stoffen, die den Kunststoff besonders robust, schwer entflammbar, hitze- oder UV-beständig machen sollen. „Die Emissionen, die beim Recycling oder bei der Wiederverarbeitung von Kunststoffen entstehen, werden heutzutage nicht durchgängig prozessbegleitend überprüft“, erklärt der Messtechniker Professor Andreas Schütze von der Universität des Saarlandes. Im besten Fall finden in regelmäßigen Abständen Referenzmessungen statt. „Diese Stichproben bilden jedoch die starken Schwankungen etwa beim Recycling nicht korrekt ab und können daher die Gefährlichkeit an den Arbeitsplätzen nicht bewerten“, sagt Schütze. Jetzt will Schütze gemeinsam mit dem SKZ – Kunststoff-Zentrum ein Sensorverfahren entwickeln, das die Luftqualität während des Verarbeitungsprozesses zuverlässig pausenlos im Auge behält und sofort Alarm schlägt, sobald die dabei ermittelten Werte eine kritische Grenze überschreiten. „Damit wird zum einen der Arbeitsschutz verbessert. Mithilfe eines solchen Sensorsystems und der damit zur Verfügung stehenden kontinuierlichen Messwerte können die Unternehmen zum anderen aber auch ihre Verarbeitungsprozesse so einstellen und fahren, dass Emissionen generell reduziert werden“, erläutert My Sa Marschibois, wissenschaftliche Mitarbeiterin an Schützes Lehrstuhl für Messtechnik. Das Spektrum an Stoffen, die das neue Sensorsystem zuverlässig und in niedrigster Konzentration erkennen muss, ist prinzipiell groß. Es reicht von Benzol über krebserregende Styrole bis hin zu flüchtigen organischen Verbindungen. Schütze und sein Team sind Spezialisten für neuartige Gassensorsysteme. Ihre Forschung auf diesem Gebiet wurde mehrfach ausgezeichnet. Die Verfahren haben sie über Jahre und in verschiedenen Forschungsprojekten immer selektiver weiterentwickelt: Sie erfassen inzwischen alle Arten von Gasen und können die jeweiligen Konzentrationen äußerst genau bestimmen. Auch kleinste Spuren entgehen ihren hochempfindlichen Messfühlern nicht. „Unsere Systeme sammeln Moleküle und messen anschließend deren Menge. Unter einer Milliarde Luftmolekülen können wir einzelne giftige Moleküle aufspüren. Hierzu entwickeln wir Systeme auf Basis von Halbleitergassensoren und weiteren Sensoren mit Projektpartnern so weiter, dass wir die Nachweisgrenze immer weiter reduzieren können“, erklärt Andreas Schütze. Für ihr neuestes System kombinieren die Messtechnikerinnen und Messtechniker ihre Halbleitergassensoren jetzt mit einer elektrochemischen Zelle und einem Photoionisationsdetektor und führen damit Testmessungen und -auswertungen aus. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie fördert diese Forschung im Rahmen des Projektes „KORE“ (kurz für „Entwicklung eines Konzepts zur robusten und kontinuierlichen Emissionsmessung bei Compoundierung und Recycling von Kunststoffen“, Förderkennzeichen 20982 N). Die Förderung erfolgt über die Fördergemeinschaft des Süddeutschen Kunststoff-Zentrums beziehungsweise über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages.

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  • Von Green Deal zu Green Recovery: Eine Initiative der europäischen Solarthermie-Industrie

    Ausschnitt des CST- Parabolrinnenkraftwerks bei Ouarzazate in Marokko. Quelle: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Innerhalb weniger Monate hat die Corona-Krise den Handlungsdruck dramatisch erhöht – über einzelne nationale Interessen hinaus. Vor dem Hintergrund der aktuellen Diskussion über den von der Europäischen Kommission als strategische Priorität eingeleiteten Green Deal haben 176 Unternehmen, FuE-Einrichtungen und Verbände aus ganz Europa eine gemeinsame Erklärung mitunterzeichnet. Die von der European Solar Thermal Electricity Association (ESTELA) angeführte Initiative fordert die Anerkennung der wichtigen Rolle der europäischen Solarthermie- Industrie im Kampf gegen den Klimawandel und für die Bereitstellung sofort verfügbarer Lösungen zur Dekarbonisierung von Energiesystemen. Die Corona-Pandemie bringt eine neue Dringlichkeit zur Wiederbelebung der europäischen Wirtschaft mit sich, während der Green Deal gleichzeitig die Chance bietet, die Wirtschaft nach der COVID-19-Krise nachhaltig und widerstandsfähig zu gestalten. Solarthermische Technologien (Concentrated Solar Thermal, CST) liefern sofort verfügbare Lösungen zur Dekarbonisierung von Energiesystemen und eröffnen gleichzeitig vielfältige Geschäftsmöglichkeiten und die Schaffung nachhaltiger Arbeitsplätze. Die CST-Initiative ruft daher zu einer »Green Recovery« unter Einbeziehung der Solarthermie auf. Die Herausforderung der Dekarbonisierung betrifft vor allem drei Sektoren: Elektrizität, Wärme und Kälte sowie Verkehr. Die Umsetzung im Elektrizitätssektor scheint heute ein vergleichsweise leicht zu erreichendes Ziel zu sein, während der Wärme- und noch mehr Verkehrssektor vor komplexen Herausforderungen stehen und mehr Zeit und Aufwand erfordern werden. CST kann bedarfsgerechten Strom und Hochtemperaturwärme (bis zu 900°C) mit einem sehr hohen Kapazitätsfaktor (7000h/Jahr) bereitstellen, um die Dekarbonisierung von Industrieprozessen zu ermöglichen. Eine intelligente Integration von CST in die Energiepolitik wird zu innovativen technologischen Lösungen für die oben genannten Sektoren führen. Neben den CST-Technologien, die der Verband ESTELA vertritt, können auch nichtkonzentrierende solarthermische Technologien, die bei niedrigeren Temperaturen arbeiten, erheblich zur Dekarbonisierung des Gebäude- und Industriesektors beitragen. Die CST-Initiative weist darauf hin, dass die europäische Solarindustrie nicht nur als der Photovoltaik-Sektor (PV) verstanden werden sollte und die beachtenswerten Vorteile der CST nicht unterschlagen werden sollten. Großunternehmen, KMUs und Forschungseinrichtungen in vielen europäischen Ländern arbeiten parallel an nachhaltigen Lösungen auf Basis von verschiedenen Solartechnologien. In dieser Geschäftsrealität ist die CST kein Konkurrent der PV, sondern eine treibende Kraft für die weitere Verbreitung der Solarstromerzeugung innerhalb und außerhalb Europas. Die europäische Solarthermie-Industrie kann Strom auf Abruf in großem Maßstab und zu niedrigen Kosten bereitstellen. Dies ist die zeitgemäße Antwort auf die Herausforderung der Volatilität von Strom aus PV und Wind. Um insbesondere die Vorteile der CST-Technologie zu nutzen, die CST-Kosten durch Skaleneffekte weiter zu senken und die europäische Technologieführerschaft auf dem Gebiet zu erhalten, fordern die Unterzeichner daher eine Anpassung des energiepolitischen Kurses. Sie fordern unter anderem die Einbeziehung der CST und ihrer Merkmale in nationale regulatorische Rahmenbedingungen und Ausschreibungsverfahren für Stromprojekte aus erneuerbaren Energien, den Zugang zu vergleichbaren finanziellen Bedingungen – wie sie für Nicht-EU-Wettbewerber auf den Weltmärkten zur Verfügung stehen – und die Unterstützung groß angelegter CST-Demonstrationsprojekte für Hochtemperatur-Prozesswärme und industrielle Dekarbonisierungsprojekte innerhalb eines ehrgeizigeren europäischen Innovationsökosystems. Weitere Informationen Zur Initiative der ESTELA

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  • Forschung gegen Verschwendung

    Prof. Dr.-Ing. Dominique Thèvenin. Foto: Jana Dünnhaupt Verfahrenstechniker der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg wollen durch Computersimulationsmodelle bisher schwer kontrollierbare, aber sehr energieintensive Partikel-Produktionsverfahren besser beherrschbar und damit wesentlich energieeffizienter machen. Gemeinsam mit einem Forschungsteam der Uni Bochum entwickeln sie im Rahmen eines neuen Sonderforschungsbereiches erstmals exakte Berechnungsmodelle für den Einsatz von Energie und Ressourcen bei schwer zugänglichen Produktionsprozessen, zum Beispiel bei der Herstellung von Zement oder Keramik in Hochtemperaturöfen. Damit könnte der enorme Verbrauch fossiler Brennstoffe sowie der CO2-Ausstoß während dieser Partikel-Produktionsprozesse signifikant reduziert werden. Zurzeit fordern diese großindustriellen Verfahren bis zu 17 Prozent des deutschen Energiebedarfs. In dem soeben von der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG mit fast 10 Millionen Euro bewilligten Sonderforschungsbereich/Transregio 287 „BULK-REACTION“ werden rund 40 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universitäten Magdeburg und Bochum aus den Ingenieurwissenschaften, der Informatik und der Physik innerhalb der nächsten vier Jahre gemeinsam aufwändige Computersimulationsmodelle entwickeln und diese anschließend durch experimentelle Messverfahren validieren. Als Sprecher des Projektes agieren Prof. Dr. Viktor Scherer, Inhaber des Lehrstuhls für Energieanlagen und Energieprozesstechnik an der Ruhr-Universität Bochum und Prof. Dr.-Ing. Dominique Thévenin, Inhaber des Lehrstuhls Strömungsmechanik und Strömungstechnik der Universität Magdeburg. 40 Prozent der Fördersumme werden der Universität Magdeburg für Forschungsarbeiten zur Verfügung stehen. Bei so genannten thermischen Produktionsverfahren wie sie in Öfen bei der Weiterverarbeitung von Erzen und Baustoffen, bei der Produktion von Stahl, aber auch bei der Kaffeeröstung bzw. Trocknung von Tabletten stattfinden, werden die Partikel der zu verarbeitenden Grundstoffe, also des Kaffees oder der Medikamente, bewegt und von Gasen durchströmt. Die so ausgelösten chemischen Reaktionen sorgen für eine Weiterverarbeitung der Grundstoffe. Das Problem dabei ist, dass die Berechnungen dieser chemischen Reaktionen bisher aufgrund der schieren Größe der Produktionsanlagen sowie der hohen darin vorherrschenden Temperaturen von bis zu 2000 Grad Celsius nur sehr ungenau sind. „Dadurch werde das Potenzial der Verfahren nicht ausgeschöpft, die Prozesse verlaufen suboptimal und es entstehen enorme Einbußen bei der Qualität der Produkte, z.B. beim Röstgrad von Kaffeebohnen, beim Energieverbrauch und der Nutzung fossiler Ressourcen“, so Prof. Dominique Thévenin, Co-Sprecher des Forschungsverbundes. Das mache Messungen schwierig bis unmöglich. „Wir wissen also genau, was da in den Ofen hineingeht und wir wissen ziemlich gut, was herauskommt. Aber wir wollen nun endlich auch reingucken.“ Um dieses Ziel zu erreichen, verfolgen die beiden Forscherteams einen neuen Ansatz: Sie koppeln numerische Berechnungen und computerbasierte Simulationen mit experimentellen Messtechniken, um die theoretischen Vorhersagen zu überprüfen und zu validieren. „Die Herausforderung bei der exakten mathematischen Beschreibung der Vorgänge in den hochtemperierten, geschlossenen Systemen besteht darin, trotz mehrerer Millionen vorhandener Partikel die Rechenzeit zu begrenzen“, erklärt der Verfahrenstechniker Thévenin. Nur dann werde es möglich sein, künftig Prozesse in großen Industriereaktoren von mehreren 10 Metern Höhe sinnvoll zu berechnen. Die Schwierigkeit bei den experimentellen Messungen resultiere hingegen aus den hohen Temperaturen dicht gepackter Partikel. „Um dieses Problem zu lösen, werden wir eher ungewöhnliche neue Messverfahren einsetzen, zum Beispiel Radartechnik, Positronen-Tomographie oder Magnetresonanz-Tomographie.“ Durch die Kombination aus numerischen Analysen mit neuartigen Messverfahren zur Vorhersage industrieller Prozesse steige die Qualität der Produkte, sinke der Anteil von Ausschuss und reduziere sich der Energieeinsatz. Die Wissenschaftler versprechen sich von ihrer Forschung, künftig auch erneuerbare Energieträger wie Wasserstoff oder Biomasse für diese großindustriellen Produktionsverfahren einsetzen zu können. „Unsere Motivation ist es, den CO2-Fußabdruck zu verkleinern“, so Prof. Thévenin. „Das kann uns nur gelingen, wenn wir alle physikalisch-chemischen Prozesse vollständig verstehen.“

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  • Kohlenstoffausstoß in der Wirtschaft reduzieren

    Wie kann die Wirtschaft so umgestellt werden, dass sie einen niedrigeren Umsatz von Kohlenstoff aufweist? Welche Maßnahmen zur Dekarbonisierung haben Staaten bereits ergriffen und mit welchem Erfolg? Diesen Fragen widmet sich ein Forschungsvorhaben, an dem Wissenschaftler des Instituts für Politische Wissenschaft der Universität Heidelberg beteiligt sind. Die Arbeiten in Heidelberg unter der Leitung von Prof. Dr. Jale Tosun beginnen Anfang 2021. Sie sind Teil eines an der University of East Anglia (Großbritannien) angesiedelten Projekts, das der Europäische Forschungsrat (ERC) mit einem ERC Advanced Grant für Spitzenforscher fördert. Dafür stehen Mittel in Höhe von insgesamt rund 2,4 Millionen Euro zur Verfügung. Rund 530.000 Euro sind für die Forschung in Heidelberg vorgesehen. Im Rahmen des Projekts „Deep Decarbonisation: The Democratic Challenge of Navigating Governance Traps” (DeepDCarb), das Prof. Dr. Andrew Jordan von der University of East Anglia koordiniert, wollen die Wissenschaftler das weltweite klimapolitische Handeln zunächst grundlegend erfassen. Als Basis dafür dienen Datensätze der vergangenen 30 Jahre, die die Aktivitäten von 41 Ländern mit unterschiedlichen wirtschaftlichen Entwicklungsniveaus abbilden. Anschließend sollen die Prozesse näher untersucht werden, die in der Vergangenheit bereits zur Verabschiedung von Gesetzen und Erlassen im Bereich der Klimapolitik geführt haben. „In einem weiteren Schritt werden wir die politikwissenschaftliche Forschung mit Ansätzen aus den Verhaltenswissenschaften verknüpfen. Im Mittelpunkt steht dabei die Frage, wie Entscheidungssituationen ausgestaltet werden sollten, damit langfristige Ziele, etwa die Reduzierung der Erderwärmung auf 1,5 Grad, erreicht werden können“, erläutert Prof. Tosun. Die Heidelberger Wissenschaftler werden dazu empirische Modelle entwickeln, die klimapolitisches Handeln erfassen und so die Entstehung von Klimapolitik erklären können. „In vorangegangenen Projekten haben wir bereits Ansätze erarbeitet, um gesetzgeberische Aktivitäten in diesem Bereich für eine große Anzahl von Staaten sowie über lange Beobachtungsperioden zu erfassen“, so Prof. Tosun. „Mit unseren Forschungsaktivitäten im Projekt DeepDCarb wollen wir diese Arbeit weiterführen und praktisch verwertbare Erkenntnisse fördern, die für Politik und öffentliche Verwaltung von Nutzen sind.“

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  • Individualisierte Produkte auch in der Massenfertigung

    Smart Luminaire: Intelligente Beleuchtungskörper durch maßgeschneiderte Lichtverteilung für Beleuchtungsanwendungen des 21. Jahrhunderts. Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft Massenfertigung – und trotzdem individualisierte Produkte produzieren? Möglich macht es eine Kombination digitaler Fertigungstechnologien – genauer gesagt Digitaldruck und Laserbearbeitung, die in traditionelle Fertigungsverfahren integriert werden. Produkte lassen sich so inline individualisieren. Sechs Fraunhofer-Institute haben ihr Know-how gebündelt, um das neue Verfahren voranzutreiben. Massenfertigung heißt üblicherweise: Es laufen zahlreiche identische Produkte vom Band. Der Trend jedoch geht zu individualisierten Produkten. Das zeigt sich etwa im Automobilbau: Volkswagen beispielsweise stellt jährlich nur etwa ein bis zwei baugleiche Golf-Modelle her. Doch Individualisierung heißt bislang auch, mit der Massenfertigung an Grenzen zu kommen. Dies zu ändern und in der Massenfertigung zu individualisieren, dazu haben sich im Fraunhofer-Leitprojekt "Go Beyond 4.0" sechs Fraunhofer-Institute aus vier verschiedenen Fraunhofer-Verbünden zusammengeschlossen – die Fraunhofer-Institute für Elektronische Nanosysteme ENAS, für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, für Lasertechnik ILT, für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, für Silicatforschung ISC und für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU. Die Projektleitung obliegt dem Fraunhofer ENAS in Chemnitz. "Individualisierung im Automobilbau heißt bisher, jedes Auto für jede mögliche Variante prinzipiell vorzubereiten und letztendlich nur mit der gewünschten Ausstattung zu komplettieren. Das bedeutet zum Beispiel, voll umfänglich jedes Auto mit dem kompletten Kabelbaum auszustatten", erklärt der Projektleiter Prof. Thomas Otto. Der Projektkoordinator des Leitprojekts aus dem Fraunhofer ENAS, Prof. Reinhard Baumann, ergänzt: "Wir verknüpfen traditionelle Fertigungsmethoden mit digitalen Zukunftstechnologien und Produktionsverfahren, um die Individualisierung der Produkte in Massenfertigungsumgebungen zu integrieren. Dabei haben wir von Beginn an Wert auf Produkt- und Produktionszuverlässigkeit gelegt – aber hier sind wir noch längst nicht am Ziel." Drucken – auf beliebig geformten zwei- und dreidimensionalen Werkstückoberflächen Das Prinzip: Ähnlich wie beim Tintenstrahldrucker im Office auch, drucken die Forscher per Inkjet und Dispens-Technologie geometrische Muster. Allerdings verwenden sie keine bunten Tinten – also solche, die die Funktionalität "Farbigkeit" besitzen – sondern setzen stattdessen Tinten mit Funktionalitäten wie elektrische Leitfähigkeit, Halbleitfähigkeit oder Isolation ein. Mit der Technologie lassen sich Ein- oder auch Mehrschichtsysteme realisieren. Selbst Sensoren und Transistoren sind möglich. "Genau dies kann ich nicht nur auf glatten, ebenen Flächen wie einem Blatt Papier machen, sondern per Roboter auch auf dreidimensional gekrümmten Werkstücken, etwa einer tiefgezogenen Autotür", erläutert Baumann. Als zweite digitale Fertigungstechnologie kommt der Laser ins Spiel. Beide Verfahren haben die Forscher der sechs Institute miteinander gekoppelt. Das Ergebnis: Der Laserstrahl fährt exakt die Linienführung des Druckers nach – und kann beispielsweise zuvor gedruckte Photopolymere aushärten oder Nanopartikel-Tinten sintern. Zwar werden bereits jetzt in den Fertigungshallen zahlreiche Roboter für Montagezwecke eingesetzt, doch: "Wir überspringen bei der Ortsauflösung des Druckens Größenordnungen – mit Linienbreiten bis ca. 50 Mikrometern", konkretisiert Baumann. Vom Autobau über die Luftfahrt bis hin zu Optiken Um die Universalität des Ansatzes nachzuweisen, haben die Fraunhofer-Wissenschaftler bereits drei Demonstratoren für die Zukunftsmärkte Automobilbau, Luftfahrt und Beleuchtung realisiert. Ergo: Der Einsatz digitaler Fertigungstechnologien ermöglicht kleine Stückzahlen von individualisierten Massenprodukten. Beispiel Auto: Bis zu acht Kilometer Kupferkabel stecken darin, das entspricht einem Gewicht von etwa 160 Kilogramm. Die Experten drucken per Digitaldruck signalübertragende Leitungen auf Karosserieteile wie Türen und ersetzen somit die schweren Kupferkabel teilweise durch gedruckte Leiterbahnen. Das Fahrzeug wird leichter, der Spritverbrauch sinkt. In Flugzeugen widmen sich die Forscherteams den Sensoren, die bislang aufgeklebt oder festgeschraubt werden. "Wir setzen auf die bewährten Faserverbund-Werkstofftechnologien des Leichtbaus auf und fügen digitale Produktionsprozesse ein", erläutert Baumann. Die Forscher drucken dabei sowohl die einzelnen Leitungen als auch die gesamte Sensorik digital auf die Glasfaser- oder Kohlenstoffmatten auf. Bei der anschließenden Durchtränkung mit einem Kunstharz werden sie direkt in das Leichtbauteil integriert. Im ersten Schritt konnten auf diese Weise Temperatur-, kapazitive und Impact-Sensoren sowie UHF-Antennen und LEDs in Flügelelemente eines Verkehrsflugzeugs integriert werden. Optische Bauteile, etwa Scheinwerferoptiken für Autos, werden üblicherweise aus Glas oder Kunststoff geschliffen. Mit den neuen Technologien des Leitprojekts »Go Beyond 4.0« lassen sich nun auch frei geformte Optiken herstellen, die in einem Element statt der Eigenschaft einer Linse die Eigenschaften von drei Linsen vereinen. In diese Freiformoptiken können gleichfalls Leuchtdioden und damit Signalfunktionen integriert werden. "Auf diese Weise lassen sich komplexe optische Elemente herstellen, die bisher gar nicht denkbar waren", sagt Baumann. Im Fokus stehen vor allem neue Anwendungsmöglichkeiten: Freiformoptiken könnten Informationen vom Auto aus auf die Straße projizieren, beispielsweise ein Stopp-Schild, bevor das reale Stoppschild zu sehen ist. Die nötigen Informationen könnte das Auto aus dem Internet oder aus der Netzumgebung beziehen. Ein großer Vorteil der Technologie: Mit ihr werden die Werkstücke »inline« in der Fertigungsumgebung bearbeitet – sie müssen nicht mehr wie bisher zur Individualisierung aus der Fertigungslinie ausgeschleust, individualisiert und wieder eingeschleust werden, sondern können in der Fertigungslinie verbleiben. Im Labormaßstab funktioniert dies bereits, die Forscherteams arbeiten nun daran, auch die Taktgeschwindigkeiten realer Fertigungslinien zu realisieren. Zudem optimieren sie die Technologien als solche sowie ihre Kombination weiter. "Im Leitprojekt ist ein außerordentlich leistungsfähiges Team zusammengewachsen, das äußerst kooperativ zusammenarbeitet", betont Baumann. "Die bisher erreichten Ergebnisse ermöglichen es uns, weitere Märkte zu adressieren und gemeinsam zu bearbeiten", ergänzt Otto. Interessierte können sich am 2. September 2020 am "Tag der Zukunftstechnologie: Go Beyond 4.0" in einem Webinar über die neuen Technologien informieren. Details zu der Online-Konferenz

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  • Der implantierte Code: Produktkennzeichnung für jahrzehntelange Nachverfolgung entwickelt

    Implantierte Codes: Unsichtbar und unverwechselbar "Man muss sich das vorstellen wie ein Implantat im Implantat", sagt Constanze Neupetsch, Leiterin der Forschungsgruppe für Prothetik und Instrumente am Fraunhofer IWU. "Während beim 3D-Druck Edelstahl oder Titan Schicht für Schicht ausgehärtet wird, lassen wir systematisch kleinste Hohlräume im Inneren, die man von außen nicht sieht. Die Anordnung der Hohlräume ist stabil und unverwechselbar. Wir pflanzen quasi einen QR-Code ins Metall. Genau wie auf einer Milchpackung oder einem Plakat an der Bushaltestelle, bei denen man mit dem Smartphone einen solchen Code scannen kann, sind dann auch Informationen von Implantaten abrufbar. Nur geht es hier eben um andere Lesegeräte als das Handy." Einsatz in der Produktion: Bauteilverfolgung und Kopierschutz Das Verfahren des implantierten Codes ist darüber hinaus für alle produzierenden Unternehmen wertvoll, die ihre Fertigung effizienter gestalten oder Produktpiraterie verhindern wollen. Bauteile müssen bei der Herstellung nicht mehr von außen mit zusätzlichen Identifizierungsmerkmalen oder Informationsträgern, wie beispielsweise RFID-Chips, ausgestattet werden. Dieser Produktionsschritt entfällt – und mit ihm auch das Risiko einer Beschädigung. Mit implantiertem Code sind fertige Produkte außerdem während ihrer gesamten Lebensdauer eindeutig identifizierbar. Das ist besonders in Branchen interessant, bei denen eine unverwechselbare Markierung von Produkten vorgeschrieben ist. Hinzu kommt: Imitate können jederzeit erkannt werden. Da äußerliche Manipulationen nicht mehr möglich sind, wirkt das wie ein Kopierschutz. Lesbar sind solche Codes in diesen Anwendungsfällen dann nicht mit Röntgengeräten, sondern mit Ultraschall oder Wirbelstrommessungen. Webinar "Bauteilidentifikation in der additiven Fertigung" Am 9. Juni 2020 sind Unternehmen, Medizinerinnen und Mediziner, Gesund-heitsinstitutionen sowie Expertinnen und Experten für Produktionsanlagen und Produktidentifizierung zum Webinar "Bauteilidentifikation in der additiven Fertigung" des Fraunhofer IWU eingeladen. "Wir bieten das Webinar gerade jetzt an, weil in genau einem Jahr die europäische Verordnung mit der Pflicht zur einer einheitlichen Produktkennzeichnung für Medizinprodukte (UDI) in Kraft treten wird. Unsere Technologie ist wie gemacht dafür und wir werden dem Fachpublikum die Anwendungsmöglichkeiten mit unseren Maschinen demonstrieren. Darüber hinaus wird es um die Ausleseverfahren gehen, die für die Bauteilverfolgung innerhalb der Fertigung und die Rückverfolgbarkeit über die gesamte Produktlebensdauer hinweg angewendet werden können", erklärt Constanze Neupetsch die Initiative für das Webinar. Aktion "Produktion jetzt!": Lösungen für eine optimierte Produktion Das Webinar "Bauteilidentifikation in der additiven Fertigung" ist auch Teil der Aktion "Produktion jetzt!" der Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer IWU. Sie verfolgen das Ziel, mit 40 ausgewählten technologischen Lösungen die Wettbewerbsfähigkeit deutscher Unternehmen konkret zu stärken. Constanze Neupetsch: "Die Produktion ist der Motor der deutschen Wirtschaft und gerade in schwierigen Zeiten spielt die Innovationskraft eine entscheidende Rolle. Die wollen wir steigern. Unsere Technologien sind effizienzsteigernd und zügig umsetzbar." Weitere Informationen Anmeldung zum Webinar und weitere Informationen Aktions-Website "Produktion jetzt!"

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  • Maschinenbau will trotz Corona weiter ausbilden

    Auch in der Corona-Krise bleibt eine gute Ausbildung ein wichtiges Ziel im mittelständisch geprägten Maschinenbau. Laut einer aktuellen Umfrage des VDMA unter gut 600 Mitgliedsfirmen gehen 68 Prozent der Befragten davon aus, dass sie künftig genauso viele gewerblich-technische Ausbildungsplätze anbieten können, wie vor der Pandemie. Die Einschätzung für kaufmännische Ausbildungsplätze ist ähnlich positiv: 63 Prozent der Firmen wollen ihr Angebot aufrechterhalten. Einen Rückgang des Ausbildungsplatzangebots im gewerblich-technischen Bereich vermuten 20 Prozent der befragten Firmen, etwa 5 Prozent sehen dagegen sogar einen Anstieg voraus. Die geringste Auswirkung wird die Pandemie laut VDMA-Umfrage auf das duale Studium haben. „Der Maschinenbau ist mit rund 1,3 Millionen Beschäftigten der größte industrielle Arbeitgeber im Land, ebenso ist die Branche führend bei den Auszubildenden in der Industrie. Und die Unternehmen wissen um ihre Verantwortung – gerade in der Ausbildung“, sagt Hartmut Rauen, stellvertretender Hauptgeschäftsführer des VDMA. Zwar ist es für die Firmen aktuell eine außerordentliche Anstrengung, angesichts von Kurzarbeit in vielen Betrieben das Ausbildungsangebot hoch zu halten. „Aber die großen technologischen Aufgaben unserer Zeit bleiben, der Investitionsbedarf in Forschung, nachhaltige Produktion und Digitalisierung ebenso. Nur mit gut ausgebildeten Menschen und deren Innovationen werden wir diese Aufgaben lösen können“, betont Rauen. Etwas ungünstiger stellt sich die Situation laut Umfrage derzeit für Hochschulabsolventen und -absolventinnen dar. 37 Prozent der Unternehmen befürchten hier einen Rückgang der Stellenangebote. Doch auch bei dieser Frage geht die Mehrheit davon aus, dass sich die Angebotssituation durch Corona nicht verändern wird (57 Prozent). „Wir kommen von einem sehr hohen Niveau in der Ingenieurbeschäftigung, der Maschinenbau ist hier führend unter allen Industriezweigen“, sagt Rauen. Das zeige, welch hohen Stellenwert junge Ingenieure und Ingenieurinnen im Maschinenbau genießen, auch wenn die Aussichten für Hochschulabsolventen insgesamt in den kommenden Monaten vielleicht nicht mehr ganz so gut sind. Unkenrufen, wonach der gesamte Ausbildungsmarkt angesichts Corona vor einem dramatischen Rückgang stehen könnte, erteilt der VDMA daher eine klare Absage. „Auf dem Ausbildungsmarkt im Maschinen- und Anlagenbau ist die Situation für Bewerber weiterhin gut, auch wenn einige unserer Unternehmen voraussichtlich Ausbildungsplätze reduzieren werden“, sagt Jörg Friedrich, Leiter VDMA Bildung. Zuletzt hatte die Bundesagentur für Arbeit für den April gemeldet, dass es in den maschinenbaurelevanten Berufen rund 19.000 mehr unbesetzte Ausbildungsstellen gab als Bewerber. „Corona wird sicherlich Auswirkungen auf den Arbeitsmarkt haben. Wie hoch diese den zukünftigen Personal- und Nachwuchsbedarf beeinflussen werden, ist aber derzeit nicht vorhersehbar“, resümiert Friedrich. Die Ergebnisse der Blitzumfrage im Überblick Die Mehrheit der Unternehmen (68 Prozent) geht davon aus, dass sie künftig genauso viele gewerblich-technische Ausbildungsplätze anbieten können, wie vor Corona. Die Einschätzung für kaufmännische Ausbildungsplätze liegt mit 63 Prozent nur knapp darunter. Einen Rückgang des Ausbildungsplatzangebots vermuten 20 Prozent, etwa 5 Prozent sehen dagegen einen Anstieg voraus. Für duale Studienplätze in den Ingenieurwissenschaften und der Informatik gilt: annähernd die Hälfte der Befragten geht von einem gleichbleibenden Angebot im Unternehmen aus. Nur 7 Prozent befürchten, dass die Einstellungszahl sinken könnte. 9 Prozent gehen sogar davon aus, dass das Angebot steigen wird. Schwieriger könnten die Zeiten für Hochschulabsolventen und -absolventinnen werden. Immerhin 37 Prozent der Unternehmen befürchten hier einen Rückgang der Stellenangebote. Doch auch bei dieser Frage geht die Mehrheit davon aus, dass sich die Angebotssituation durch Corona nicht verändern wird (57 Prozent). Und immerhin 6 Prozent rechnen mit einer Zunahme. Bemerkbar macht sich Corona auch bei den Praktika für Schülerinnen und Schüler sowie Studierende. Jeweils etwa ein Drittel der Befragten schätzen, dass das Angebot hier zurückgehen wird. 60 Prozent der Befragten prognostizieren aber: „Es bleibt, wie es ist.“ Auch das Angebot von Bachelor- oder Masterarbeit in Unternehmen ist betroffen: Rund 20 Prozent gehen davon aus, dass das Angebot für Studierende abnehmen wird. 60 Prozent sehen dagegen keine Veränderung; rund 5 Prozent gehen von einer Zunahme aus. Für 46 Prozent der Befragten ist Rekrutierung während Corona Krise die größte Herausforderung. Kontaktbeschränkungen erschweren die üblichen Rekrutierungs-Formate, wie Tage der offenen Tür, Schulbesuche, Praktika und Bewerbungsgespräche vor Ort. Entsprechend gewinnen Online-Formate an Bedeutung. Referenz Blitzumfrage: Einstellungsbedarf und Nachwuchswerbung in Zeiten von Corona

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  • Neue Robotergeneration für medizinische Anwendungen in Planung

    Prof. Christoph Keplinger Keplinger verfolgt das Ziel, Robotik neu zu denken in Aussehen, Arbeitsweise und Anwendung. Sein Roboter-Design erinnert dabei weniger an Stahlarme und Skelette, er kombiniert stattdessen sein Wissen aus Methoden der Physik und Chemie und verbindet weiche Materie mit fortschrittlichen Technologien, um eine neue Klasse von Robotermaterialien einzuführen. Mit dem Zusammenspiel von speziellen elektrischen Bauelementen zum Antrieb (Aktuatoren) und Sensoren kreiert er Bausteine für intelligente Robotersysteme der Zukunft. Die Anwendungsbereiche seiner Forschung reichen von medizinischer bis hin zu tragbarer Robotik einschließlich aktiver, leichter Implantate, Prothesen und Exoskelette, die alternden Menschen eine hohe Mobilität zur Vervollständigung ihrer täglichen Routinen ermöglichen. Menschenähnliche Roboter bis hin zu neuen Arten von Mensch-Maschine-Schnittstellen sind von hoher Relevanz für die Medizin der Zukunft. „Professor Keplinger ist mit seiner Forschung zu aktiven Prothesen der nächsten Generation, Aktuatorsystemen und chirurgischen Roboterwerkzeugen ein hochkarätiger Zuwachs für die Dresdner Hochschulmedizin“, führt der Medizinische Vorstand des Universitätsklinikums Carls Gustav Carus, Professor Michael Albrecht, an. Um Christoph Keplinger auch langfristig Grundlagenforschung im Bereich der Robotic Materials/Soft Robotics zu ermöglichen, finden derzeit Gespräche mit der Max-Planck-Gesellschaft statt. Das Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart/Tübingen hat seine Forschung darauf spezialisiert, die Prinzipien von Wahrnehmen, Lernen und Handeln in autonomen Systemen zu verstehen, die mit komplexen Umgebungen interagieren. Hier gibt es zahlreiche Anknüpfungspunkte für Keplingers Forschungsvorhaben. „Die Max-Planck-Gesellschaft befindet sich in engem Austausch mit der TU Dresden sowie mit Christoph Keplinger persönlich, um ihm eine langfristige Perspektive in Deutschland zu eröffnen“, erklärt der Vizepräsident der Max-Planck-Gesellschaft, Professor Ferdi Schüth. „Durch diese angestrebte enge Kooperation mit einem der europaweit führenden Forschungsinstitute für Robotics entsteht ein noch größerer Mehrwert für die TU Dresden, der die in unserem Exzellenz-Antrag dargestellte Entwicklungsstrategie in hervorragender Weise stärkt“, sagt Professor Hans Müller-Steinhagen, Rektor der TU Universität Dresden. „Christoph Keplinger bewegt sich mit seiner Arbeit ganz dicht am Zeitgeist der greifbaren digitalen Zukunft.“ Und Professor Heinz Reichmann, Dekan der Medizinischen Fakultät der TU Dresden, ergänzt: „Unsere Medizinische Fakultät hat das Thema Digitale Medizin bereits im Jahr 2018 als Querschnittsbereich und Entwicklungsschwerpunkt etabliert. Nach gezielten Berufungen sowie der Einwerbung des EKFZ für Digitale Gesundheit sind schon die ersten großen Schritte zur Profilstärkung unternommen worden. Die Forschung von Professor Keplinger fügt sich darin nahtlos ein und erweitert unser Profil in diesem innovativen Forschungsfeld.“ Das von Keplinger entwickelte sogenannte HASEL-Konzept (hydraulisch verstärkte selbstheilende elektrostatische Aktuatoren) wird als die wichtigste Errungenschaft in der Erforschung künstlicher Muskeln der letzten zehn Jahre bezeichnet und gilt als Durchbruch für die Art und Weise, wie heute Roboter und Aktuatorsysteme hergestellt werden können. Diese künstlichen HASEL-Muskeln zeichnen sich durch eine hohe Geschwindigkeit und Leistungsfähigkeit sowie durch die Fähigkeit zur Selbstheilung nach elektrischen Schäden aus. Er schafft damit synthetische Systeme, die den Fähigkeiten, der in der Natur existierenden Organismen erstaunlich nahekommen. Für seine Forschung wurde Keplinger bereits mit zahlreichen Preisen ausgezeichnet. So hat er prestigeträchtige Auszeichnungen wie das US-amerikanische Packard-Stipendium für Wissenschaft und Technik 2017 und internationale Preise wie den EAPromising European Researcher Award 2013 des Europäischen Wissenschaftsnetzes für künstliche Muskeln erhalten. „Als dynamisch wachsende Persönlichkeit im Bereich Soft Robotics und intelligenter materialbasierter Aktuatorsysteme hat Professor Keplinger weltweit herausragende wissenschaftliche und öffentliche Anerkennung erlangt. Mit seiner Expertise ist er ein großer Zugewinn für das EKFZ und die TU Dresden“, bekräftigt Professor Jochen Hampe, wissenschaftlicher Sprecher des EKFZ für Digitale Gesundheit. Weitere Informationen Link zum TED Talk von Prof. Keplinger “The artificial muscles that will power robots of the future”

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  • Erfolgreiche Forschung an 2D-Polymeren

    Honigwaben-Kagome-Struktur. Quelle: Technische Universität Dresden Thomas Heine, Professor für Theoretische Chemie an der TU Dresden, hat 2019 zusammen mit seinem Team topologische 2D-Polymere vorhergesagt. Nur ein Jahr später konnten diese Materialien von einem italienischen Forscherteam synthetisiert und deren topologische Eigenschaften experimentell nachgewiesen werden. Für die renommierte Fachzeitschrift Nature Materials war das Anlass, Thomas Heine zu einem News and Views Artikel einzuladen, der in dieser Woche veröffentlicht wurde. Unter dem Titel "Making 2D Topological Polymers a reality" beschreibt Prof. Heine, wie aus seiner Theorie Praxis wurde. Ultradünne Materialien sind als Bausteine für nanoelektronische Bauelemente der nächsten Generation äußerst interessant, da es viel einfacher ist, Schaltungen und andere komplexe Strukturen herzustellen, indem man 2D-Schichten in die gewünschten Formen bringt. Thomas Heine, Professor für Theoretische Chemie an der TU Dresden, beschäftigt sich mit der Vorhersage solch innovativer Materialien. Ihre Eigenschaften können mit Hilfe moderner Methoden der Computerchemie präzise berechnet werden, noch bevor sie im Labor realisiert wurden. Diese Forschung ist insbesondere für 2D-Polymere interessant: hier können aus der schier unendlichen Vielfalt ebener organischer Moleküle jene ausgewählt werden, die aufgrund ihrer Struktur als Bausteine für bestimmte Gittertypen geeignet sind. Ein besonders interessantes Beispiel ist das Kagome-Gitter, das aus den Eckpunkten und Kanten einer trihexagonalen Kachelung besteht. Yu Jing und Thomas Heine schlugen 2019 vor, solche 2D-Polymere aus dreieckigen organischen Molekülen (sogenannten Triangulenen) zu synthetisieren. Diese Materialien haben eine kombinierte Honigwaben-Kagome-Struktur (siehe Abbildung 1). Die Berechnungen zeigen, dass sie die Eigenschaften von Graphen (quasi masselose Ladungsträger) mit denen von Supraleitern (flache elektronische Bänder) vereinen. Nun haben der italienische Materialwissenschaftler Giorgio Contini und sein internationales Team dieses 2D-Honigwaben-Kagome-Polymer synthetisiert, wie eine Veröffentlichung in Nature Materials berichtet. Durch eine innovative Oberflächen-synthesemethode konnten Kristalle mit solch hoher Qualität hergestellt werden, dass sie zur experimentellen Charakterisierung der elektronischen Eigenschaften geeignet waren. In der Tat wurden die vorhergesagten faszinierenden topologischen Eigenschaften offenbart. Damit konnte erstmals experimentell nachgewiesen werden, dass topologische Materialien über 2D-Polymere realisiert werden können. Die Forschung an 2D-Polymeren wird damit auf eine solide Grundlage gestellt. Das hier beschriebene Kagome-Gitter ist nur ein Beispiel aus den hunderten Möglichkeiten, ebene Moleküle zu regulären Gittern zu verknüpfen. Für einige dieser Varianten wurden schon weitere interessante elektronische Eigenschaften theoretisch vorhergesagt. Es eröffnen sich somit zahlreiche neue Möglichkeiten für Theoretiker und Experimentatoren aus Chemie und Physik, Materialien mit bisher unbekannten Eigenschaften zu entwickeln. Prof. Heine erläutert: „Diese Ergebnisse zeigen, dass 2D-Polymere Materialien mit nützlichen elektronischen Eigenschaften sein können, obwohl deren Strukturen mit Abständen von mehr als einem Nanometer zwischen den Gitterpunkten viel weitmaschiger sind. Voraussetzung ist eine sehr gute Qualität der Materialien. Dazu gehören eine hohe Kristallinität und eine sehr geringe Defektdichte. Ein weiterer wichtiger Beitrag der Kollegen um Prof. Contini ist, dass, obwohl die 2D-Polymere auf einer Metalloberfläche hergestellt wurden, sie abgelöst und auf jedes andere Substrat, wie Siliziumoxid oder Glimmer, übertragen und somit in elektronische Bauelemente eingebaut werden können.“ Referenz Yu Jing und Thomas Heine, Making 2D Topological Polymers a reality, Nature Materials (2020), https://doi.org/10.1038/s41563-020-0690-z

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  • Auszeichnung für klinische Werkstoffforschung

    Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Gottfried Schmalz erhält den “Ryge-Mahler-Award 2019” für seine Forschungsarbeit zur Verbesserung zahnmedizinischer Inlays. Foto: Universitätsklinikum Regensburg (UKR) International Association for Dental Research (IADR) zeichnet Professor Dr. Dr. h.c. mult. Gottfried Schmalz mit dem „Ryge-Mahler-Award 2019“ für klinische Werkstoffforschung aus. Der ehemalige Direktor der Poliklinik für Zahnerhaltung und Parodontologie des Universitätsklinikums Regensburg (UKR) erhält den Preis für seine Forschung zur Entwicklung von zahnmedizinischen Restaurationsmaterialien. „Diese Auszeichnung freut mich sehr, weil es eine Würdigung der Leistung des ganzen Teams ist, das über viele Jahre hinweg erfolgreich Energie in die Erforschung neuer Materialien zur Rekonstruktion geschädigter Zähne gesteckt hat“, so Professor Dr. Dr. h.c. mult. Gottfried Schmalz, der von 1983 bis 2013 als Direktor die Geschicke der Poliklinik für Zahnerhaltung und Parodontologie am UKR geleitet hat. Mit dem „Ryge-Mahler-Award“ geehrt wurde Professor Schmalz für seine wissenschaftliche Pionierarbeit im Bereich der Etablierung und klinischen Untersuchungen neuer Biomaterialien für zahnmedizinische Restaurationen wie Füllungen, Inlays oder Teilkronen. „Seinem Einsatz und seinem Willen, Neues zu entwickeln, ist es zu verdanken, dass wir unseren Patienten im Bereich der restaurativen Zahnmedizin heute Therapieoptionen aus einem ganzen Spektrum leistungsfähiger Biomaterialien anbieten können“, erklärt Professor Dr. Wolfgang Buchalla, Direktor der Poliklinik für Zahnerhaltung und Parodontologie des UKR. Während früher Zahnfüllungen aus Amalgam oder Gold zum zahnmedizinischen Standard gehörten, so sind inzwischen Füllungen aus einer Keramik-Kunststoff-Mischung, sogenannte Komposite, oder neue Keramiken, die sich mit dem Zahn verkleben lassen, das Nonplusultra in der restaurativen Zahnmedizin. „Unsere Patienten möchten heute zahnfarbene, d.h. unsichtbare Zahnfüllungen. Aus diesem Grund haben wir im Labor und in klinischen Studien untersucht, aus welchen Werkstoffen sich gesundheitlich unbedenkliche zahnfarbene Restaurationen herstellen lassen und wie man diese möglichst schonend befestigen kann“, sagt Professor Schmalz. Das Ergebnis sind gut verträgliche Füllungen aus Komposit-Kunststoff oder Inlays und Teilkronen aus Keramik. Dafür zeichnete die IADR den Zahnmediziner, ehemaligen Präsidenten der Europäischen Region der IADR und aktuelles IADR-Vorstandsmitglied nun aus. Die International Association for Dental Research ist die international größte zahnmedizinische Forschungsgesellschaft und in verschiedene Fachgruppen unterteilt. Jede dieser Fachgruppen verleiht jährlich Preise für herausragende Forschungsarbeit bzw. an herausragende Persönlichkeiten, die mit ihrem Einsatz einen wesentlichen Beitrag zur wissenschaftlichen Weiterentwicklung auf dem jeweiligen Fachgebiet geleistet haben. Professor Schmalz wurde durch die Dental Materials Group ausgezeichnet.

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  • Kunststoff als wasserführende Lebensader

    Thema des Monats Zweifel an der Tauglichkeit von Epoxidharz in Rohrleitungssystemen und Wasserspeichern ausräumen Von Guido Deußing Quelle: istock / Mumemories Was wäre eine Stadt ohne Strom? Dunkel in der Nacht, aber bevölkert. Eine Stadt ohne Wasserversorgung hingegen wäre öd und menschenleer. Die ersten Siedler, die das Leben als Jäger und Sammler hinter sich gelassen hatten, achteten darauf, einen Fluss in der Nähe ihrer Ansiedlung zu haben. Die Menschen lernten schnell, Wasser über weite Strecken zu transportieren – in früher Zeit oberirdisch, später vornehmlich unterirdisch und in Gebäuden unter Putz. Das Problem hierbei: Leckagen zu flicken bedeutet, verborgene Rohrleitungen zunächst großräumig freizulegen, und zwar um die schadhafte Stelle zu finden. Eine attraktive Alternative stellt das Rohr-in-Rohr-Prinzip dar. Hierbei werden ganz Rohrabschnitte einfach von innen heraus mit Kunststoff, genauer gesagt mit Epoxidharz, beschichtet. Das Verfahren ist wirksam, aber nicht ganz unumstritten. Unbegründet? Wir werfen einen Blick auf die Details. Je mehr Menschen an einem Fleck leben und je höher der Urbanisierungsgrad, desto bedeutsamer ist eine solide Wasserversorgung. Damit gemeint ist nicht allein die generelle Verfügbarkeit, also das Vorhandensein hinreichender Mengen qualitativ hochwertigen und gesundheitlich unbedenklichen Wassers. Gemeint ist darüber hinaus auch die Installation eines intakten Speicher- sowie Rohrleitungssystems, um Frischwasser möglichst frei von unerwünschten Schad- und Geruchstoffbelastungen zum Einsatzort transportieren sowie Abwasser verlustfrei davon wieder abführen zu können. Im Römischen Reich prägten Wasserbrücken (Aquädukte) das Bild von Stadt und Land, von denen einige durchaus imposante Bauwerke erhalten geblieben sind und Zeugnis der Baukunst dieser Epoche ablegen. In heutiger Zeit werden Wasserleitungen vorwiegend unterirdisch und in der Hausversorgung unter Putz verlegt. Treten durch Verschleiß Korrosion und Leckagen auf, womit bei flüssigkeitsführenden Systemen stets nach einer Bestimmten Zeit zu rechnen ist, sind Reparaturen zwingend, um den Flüssigkeitsverlust sowie das Ausmaß von Folgeschäden zu begrenzen. Während Instandsetzungsarbeiten bei oberirdisch verlaufenden Leitungssystemen vergleichsweise einfach umzusetzen sind, ist mit aufwendige Erd- oder Stemmarbeiten zu rechnen, will man an die unter Straßen und in Hauswänden verlaufende Wasserrohre gelangen. Allerdings lässt sich der Arbeits- und Kostenaufwand reduzieren, wenn man davon abrückt, buchstäblich einzelne Löcher zu stopfen, sondern dazu übergeht, komplette Leitungsabschnitte zu sanieren, und zwar ohne aufwendige Bauarbeiten mithilfe der Liner-Technologie (Relining). Hierbei wird ein mit Epoxidharz getränkter Schlauchträger, aus Filz zum Beispiel, auf ganzer Länge in die korrodierte Rohrleitung eingezogen. Experten sind der Auffassung, dieses Rohr-im-Rohr-Prinzip sei, sobald das Epoxidharz ausgehärtet ist, die Dichtheit und Tragfähigkeit betreffend ebenso zuverlässig wie eine vollständig erneuerte Wasserleitung. Leitung lassen sich auch direkt mit Epoxidharz beschichten, was aber in Ermangelung einer zusätzlichen Stabilisierung durch einen entsprechenden Schlauchträger nur bei Hausinstallationen sinnvoll ist [1]. Mehr als ein attraktiver Reparaturwerkstoff Pont du Gard ist ein altes römisches Aquädukt in der Nähe von Nimes in Südfrankreich. Quelle: istock / Bertl123 Werfen wir einen Blick auf die Epoxidharze, ohne allzu chemisch zu werden: Epoxidharze zählen zu den Kunst- beziehungsweise synthetischen Harzen, die ihrer Eigenschaft wegen vornehmlich als Beschichtungsmaterial verwendet werden. Synthetischen Harze bestehen in der Regel hauptsächlich aus zwei meist fließfähigen oder zähflüssigen Komponenten, die miteinander auf unterschiedliche Weise reagieren und mit der Zeit oder unter bestimmten Rahmenbedingungen an Viskosität zunehmen und schließlich zu einem duroplastischen Kunststoff aushärten. Die meisten kommerziell verwendeten Epoxidharze werden hergestellt, chemisch betrachtet, durch Umsetzung einer Verbindung mit Hydroxygruppe (R-OH) [das ist die funktionelle Gruppe von Alkoholen und Phenolen] mit Epichlorhydrin [eine farblose, nach Chloroform riechende Flüssigkeit]. Erfunden wurde das Epoxidharz vom deutschen Chemiker und Erfindern Paul Schlack, der 1939 hierfür das deutsche Patent erhielt. Das Besondere an Epoxidharzen ist: Die ausgehärteten Duroplaste besitzen gute mechanische Eigenschaften sowie eine gute Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit und gelten als hochwertige Kunststoffe. Verwendet und eingesetzt werden sie etwa als Reaktions- und Einbrennlacke, Klebstoffe, für Laminate, als Einbettmittel in der Metallographie und als Formmassen für Komponenten in der Elektrotechnik und Elektronik. Fokus auf Duroplaste Kommen wir noch einmal zu den Duroplasten. Das sind Kunststoffe, die sich nach dem Aushärte, weder durch Wärme noch durch andere Maßnahmen, nicht mehr verformen lassen. Duroplaste aus Kunstharzen gehören im Übrigen zu den ersten industriell produzierten Kunststoffen. „Ihr ältester Vertreter ist das 1909 entdeckte Bakelit. Ursprünglich konnten sie nur in Pressformen aus ihren Vorstufen (z. B. Phenoplaste aus Phenolharzen) hergestellt werden und wurden deshalb auch als Pressmassen bezeichnet, im Gegensatz zu Thermoplasten, die man als Spritzgießmassen bezeichnete. Erst ab Mitte der 1960er Jahre wurden Verfahren entwickelt, die die Herstellung von Duroplasten im Spritzgießverfahren ermöglichten. Heutzutage werden Duroplaste in zahlreichen Verfahren verarbeitet. Im Vordergrund stehen dabei immer die hohe thermomechanische Festigkeit und das im Vergleich zu Metall geringe spezifische Teilegewicht.“ [11] Abbildung: Markomolekularer Aufbau verschiedener Kunststoffarten: A. Duroplaste bestehen aus engmaschig vernetzten Polymeren. Vernetzungen sind in der Abbildung als rote Punkte dargestellt. B. Elastomere bestehen aus weitmaschig vernetzten Polymeren. Die Weitmaschigkeit erlaubt unter Zugbelastung eine Streckung des Materials. C. Thermoplaste bestehen aus unvernetzten Polymeren, oft mit einer teilkristallinen Struktur (rot dargestellt). Sie haben eine Glastemperatur und sind schmelzbar. (Quelle: wikipedia) Epoxidharz als Beschichtung Der Preis für die Epoxidharzbeschichtung sei, ohne Zahlen zu nennen, vergleichsweise niedrig, und auch der personelle beziehungsweise finanzielle Aufwand für die Sanierungsmaßnahme halte sich in Grenzen. Schätzungen zufolge (Stand: Juli 2015) wurden seit 1990 in Europa rund 80.000 Tonnen Epoxidharz für die Innenauskleidung von Wasserleitungen eingesetzt: 60.000 Tonnen in unterirdischen Leitungen, 20.000 Tonnen in Hausinstallationen [1]. Die meisten kommerziell verwendeten Epoxidharze werden durch die Umsetzung von einer Verbindung mit Hydroxygruppen und Epichlorhydrin hergestellt: Zuerst reagiert die Hydroxygruppe in einer Kupplungsreaktion mit Epichlorhydrin, gefolgt von einer Dehydrohalogenierung. (Quelle: wikipedia) Die Zahlen lassen auf ein Erfolgsmodell schließen. Der Einsatz von Epoxidharzen in Wasserleitungen wirft aber auch kritische Fragen auf, die den Werkstoff beziehungsweise dessen Ausgangsstoffe betreffen. Nahezu alle in Wasserleitungen eingesetzte Epoxidharze sind eben das Produkt einer zweistufigen Reaktion von Bisphenol A (BPA) und Epichlorhydrin (ECH), wie es das Epoxy Resin Committee (ERC) beschreibt, hierbei handelt es sich um einen Zusammenschluss nationaler und internationaler Hersteller von Epoxidharz. Das Resultat der Additions-, gefolgt von einer Kondensationsreaktion ist ein duroplastischer, also thermisch nicht verformbarer Kunststoff mit guten mechanischen Eigenschaften und einer entsprechenden Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit. Epoxidharz wird nicht nur zum Beschichten von Wasserrohren verwendet, sondern auch, um Konserven- und Getränkedosen von innen auszukleiden. Betrachten wir die Reaktanten noch einmal für sich genommen und die auf sie bezogenen Warnhinweise: BPA gilt als „besonders besorgniserregende Substanz“ (SVHC) und besitzt hormonähnliche und fortpflanzungstoxische (CMR) Eigenschaften [2-5]. ECH verfügt über ein vergleichbares Profil und hat sich obendrein im Tierversucht als cancerogen herausgestellt [6, 7]. Im Rahmen des Zulässigen Umweltverbände fordern mit Blick auf mögliche Gesundheits- und Umweltbelastungen ein schnelles Ende der Beschichtung von Wasserrohren mit Epoxidharz [5]. Demgegenüber attestieren Epoxidharzhersteller ihren Produkten einen hohen Nutzwert in der Anwendung bei gleichzeitiger gesundheitlicher Unbedenklichkeit. Sie halten die Wahrscheinlichkeit des Verlusts von DBP während der Lebensdauer der Epoxidharzbeschichtung infolge einer unsachgemäßen Installation oder Wartung eher für unwahrscheinlich. Das Material sei keine wichtige Quelle des potenziellen Kontaktes von Menschen und stelle somit auch keine Gesundheitsgefährdung dar. Die Konzentration der aus dem Beschichtungsprozess herrührenden freien beziehungsweise im Zuge der Anwendung freigesetzten Reaktanten wiederum sei ebenfalls unkritisch. Geschätzt befänden sich 200 Kilogramm potenziell freies BDA in überirdischen, 600 Kilogramm in unterirdischen Rohrleitungen – ein unerheblicher Wert bezogen auf die Gesamtmenge der insgesamt eingesetzten Epoxidharzmenge. Von einer Überschreitung zulässiger gesundheitsgefährdenden Grenzwert könne daher keine Rede sein. Was aber, wenn durch ein Epoxidharz-beschichtetes Rohrleistungssystem Wasser geführt wird, das zuvor mit Chlordioxid (ClO 2 ), einer für die Desinfektion von Trinkwasser zugelassenen Chemikalie, aufbereitet wurde? Noyon et al. [8] haben diesen Prozess durch die analytische Brille betrachtet. Vorausgegangen waren Berichte, in denen von entsprechend desinfiziertem Wasser die Rede war, das durch mit Epoxidharz sanierte Leitungen geführt wurde und rosa verfärbt und mit muffigem Geruch aus dem Wasserhahn geflossen kam. Die Färbung habe daraufhin gedeutet, schildern die Wissenschaftler, dass die Epoxidharze in der Beschichtung stark abgebaut und depolymerisiert worden seien. In diesem Zusammenhang verweisen Noyon et al. auf Berichte, wonach ClO 2 auch für den beschleunigten Abbau von Rohren aus Polyethylen (PE) verantwortlich gemacht werde. Eine erste GC/MS-Analyse haben schließlich tatsächlich das Vorhandensein von BPA im verfärbten Wasser bestätigt, und Literaturquellen hätten die Annahme des vermuteten Abbaumechanismus bestärkt. Forschung ist erforderlich Verwendetes Analysensystem. Quelle: GERSTEL GmbH & Co. KG Im Zuge einer eingehenden Betrachtung des vorliegenden Sachverhalts haben sich Noyon et al. die Frage gestellt, wie das Versuchsdesign auszusehen habe, um eine mögliche Migration von BPA aus einer Epoxidharzbeschichtung in Wasserspeichern und Wasserrohren sicher bestimmen beziehungsweise ausschließen zu können. Am Rande bemerkt, das Bundesumweltamt (UBA) hat im Jahr 2018 den Trinkwasserhöchstwert für die Freisetzung von BPA aus Materialien, die mit dem Trinkwasser in Kontakt kommen, auf 2,5 µg/L abgesenkt [9]. Für Bisphenol F, Bisphenol S sowie weitere Bisphenole existieren bislang keine gesetzlichen Regelungen [10]. Schließlich entwickelten Noyon et al. einen Migrationstest, bei dem Sie neutrales sowie mit Chlor und Chlordioxid (0,25 mg/L und 0,5 mg/L) versetztes Wasser in Kontakt mit unterschiedlichen, für die Anwendung in Wasser zugelassene Epoxidharzen brachten, kontinuierlich über einen Zeitraum von mehreren Monaten beprobten und die angereicherten Analyten nach lösungsmittelfreier „grüner“ Analytik bestimmten. [Details der Analyik sind beim Autor zu erfahren [ E-Mail-Kontakt , Stichwort: Bispenhyl A]. Blick auf experimentelle Details Steigende BPA-Migration noch nach fünf Monaten: Noyon et al. kommen zu dem Schluss, dass der Zeitraum für die Bewertung von Epoxidharzen, die in Wasser zur Anwendung kommen, deutlich vergrößert werden sollte. Quelle: Noyon et al. Noyon et al. unterzogen ausgewählte Epoxidharze verschiedenen Test, und zwar in mit Chlor beziehungsweise Chlordioxid behandeltem und in nicht desinfiziertem, unbehandeltem Wasser. Es wurde mehrmals pro Woche gewechselt. Es wurden Proben vermessen, die jeweils 24 Stunden mit den Epoxidharzen in Kontakt standen. Wie die Wissenschaftler schreiben, hätten die unbehandelten Wässer im Verlauf des insgesamt sechs monatigen Monitorings relativ niedrige BPA-Konzentrationen nahe der Bestimmungsgrenze von 10 ng/L gezeigt. Eines der untersuchten Epoxidharze habe allerdings im Laufe des sechs monatigen Beobachtungszeitraums, und zwar sowohl am Anfang als auch zum Ende ad hoc bis zu 20 ng/L BPA freigesetzt. Ein weiteres Epoxidharz habe bis kurz vor Ende des Zeitraums ein Migrationsmaximum von 180 ng/L erreicht, bevor es dann auf 40 ng/L abfiel. Die Analyse von Wasserproben, die aus einer Versuchsanordnung stammten, in der Epoxidharze über vier Monate hinweg kontinuierlich mit Chlor beziehungsweise Chlordioxid in Berührung kam, zeigte ein anderes Bild: Weder BPA noch BPF wurden nachgewiesen, schreiben Noyon et al., dafür aber wurde 2,4,6-Trichlorphenol (TCP) in mit der Zeit nach dem Absetzen der Chlorierung abnehmender Konzentration nachgewiesen, das mit eine pharmazeutischen Geschmack von Trinkwasser in Verbindung gebracht wird. Mikrobiologisch lässt sich 2,4,6-TCP in 2,4,6-Trichloranisol (TCA) umwandeln, was wiederum aufgrund des damit vergesellschafteten muffigen Geschmacks beziehungsweise Geruchs organoleptisch Probleme bereitet. Was am Ende zu sagen bleibt Wie Noyon et al. berichten, haben ihre Untersuchungen gezeigt, dass gegenwärtig die Bewertungsspanne von Epoxidharzen, die in Wasser zu Anwendungen kommen, von wenigen Tagen oder Wochen schlicht zu kurz sind, um aussagekräftige Angaben über das Migrationsverhalten von unter anderen BPA sowie bezüglich der Entstehung organoleptisch relevanter Verbindungen zu machen. Die Zeiträume sollten zwecks einer Objektivierung der Werte erhöht werden, betonen die Forscher. Bezüglich der Anwendung ihrer Methode auf reale Proben kommen Noyon et al. zu dem Schluss, dass man zwar einige Male 2,4,6-TCP detektiert habe, nicht aber BPA oder PBF. Ferner habe man in Wasserspeichern weniger BPA nachgewiesen als in sanierten Rohrleitungen, was mit unterschiedlichen Faktoren assoziiert werde, unter anderem dem Oberflächen-Volumen-Verhältnis von Wasserspeichern, die Dauer des Kontakts des Wassers mit dem Epoxidharz, die in Teilen des Verteilernetzes größer sein kann beziehungsweise der Qualität des eingesetzten Epoxidharzes. Um die Sicherheit zu erhöhen, bietet es sich an, die Zeit der experimentellen Bewertung dieser Materialien zu erhöhen. In jedem Fall erlaube die verfügbare Analysentechnik als bestens geeignet zum Nachweis von BPA und Chlorphenolen und damit auch zur Bewertung der Tauglichkeit von Materialien für Wasseranwendung. Referenzen [1] Epoxidharz in Wasserleitungen, Bewertung potenzieller BPA-Emissionen, Epoxy Resin Committee, Juli 2015, https://epoxy-europe.eu/wp-content/uploads/2019/07/Factsheet_Epoxidharz-In-Wasserleitungen-Bewertung-Potenzieller-BPA-Emissionen_FINAL.pdf [2] European Chemicals Agency (ECHA), https://echa.europa.eu/de/hot-topics/bisphenol-a [3] Bisphenol A – Massenchemikalie mit unerwünschten Nebenwirkungen, Umweltbundesamt (2010), https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/publikation/long/3782.pdf [4] Bundesinstitut für Risikobewertung, Fragen und Antworten zu Bisphenol A, https://www.bfr.bund.de/de/fragen_und_antworten_zu_bisphenol_a_in_verbrauchernahen_produkten-7195.html [5] BUND-Pressemeldung (mit umfangreiche Quellenanhang: Bisphenol A in Trinkwasserleitungen, https://www.bund.net/fileadmin/user_upload_bund/publikationen/chemie/bpa_trinkwasser_hintergrund.pdf [6] Karzinogene, mutagene, reproduktionstoxische (CMR) und andere problematische Stoffe in Produkten, Umweltbundesamt (2011), https://www.bmu.de/fileadmin/bmu-import/files/pdfs/allgemein/application/pdf/3707_61_300_bf.pdf [7] Römpp-Lexikon, Epichlorhydrin, https://roempp.thieme.de/B3NAV [8] Naïke Noyon, Nora Elyasmino und Auguste Bruchet, Les Risques sanitaires et organoleptiques liés au Bisphénol A relargués par les résines époxy, GERSTEL Solutions worldwide – SBSE Special (2015) 25-28 [9] Bewertungsgrundlagen und Leitlinien, Umweltbundesamt, 12. 09. 2019, https://www.umweltbundesamt.de/themen/wasser/trinkwasser/trinkwasser-verteilen/bewertungsgrundlagen-leitlinien#einfuhrung [10] Bisphenole, Bayerisches Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit (LGL), https://www.lgl.bayern.de/lebensmittel/chemie/toxische_reaktionsprodukte/bpa/index.htm [11] Lexikon von Chemie.de, Stichwort Duroplast, https://www.chemie.de/lexikon/Duroplast.html

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