Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM
Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM

Verarbeitung und Formulierung von polymeren Werkstoffen

Von den Rohstoffen zu Klebstoffen, Lacken, Vergussmassen, Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen

Das Kompetenzspektrum im Bereich Polymere Werkstoffe reicht von der Entwicklung über die Verarbeitung und Formulierung bis hin zur Werkstoff- und Bauteilcharakterisierung und umfasst dabei die gesamte Wertschöpfungskette vom Molekül zum Bauteil. Ausgangspunkt sind das Moleküldesign und die Synthese von Rohstoffen für Klebstoffe, Beschichtungen und Matrixharze. Im Vordergrund stehen Reaktivsysteme, die zu duromeren, elastomeren oder thermoplastischen Polymeren verarbeitet werden. Das Institut befasst sich intensiv mit der Entwicklung neuer, maßgeschneiderter Polymersysteme, aus denen Produkte für Anwendungen im Leichtbau, Komponenten für elektrische Energiespeicher oder die Medizintechnik resultieren.

Auf dieser Seite stellen wir eine Auswahl unserer Forschungsschwerpunkte vor.

Neuartige Rohstoffe für neue Klebstoffe

 

Bei der Entwicklung neuer Klebstoffe oder Beschichtungsmaterialien wird zunächst geprüft, ob das gegebene Anforderungsprofil im Rahmen einer Auftragsformulierung mit handelsüblichen Komponenten zu erfüllen ist. Trifft dies nicht zu, entwickeln wir anwendungsbezogen neue Rohstoffe. Hierbei geht es z. B. um neuartige Polymere zur Zähelastifizierung, Brandschutzadditive oder funktionalisierte Füllstoffe. 

Bei der Entwicklung neuer Additive – wie Katalysatoren für eine beschleunigte Härtung, funktionalisierte Farbstoffe oder Indikatoren für eine Kontrolle des Aushärtungszustands – können bereits mit kleinen Mengen die Klebstoffeigenschaften signifikant verbessert werden. Dies ermöglicht unseren Kunden eine Abgrenzung von Wettbewerbsprodukten.

Nanokomposite

 

Bei Klebverbindungen ist oftmals die Adhäsion größer als die Kohäsion, also die Eigenfestigkeit des Materials. Es stellt sich die Frage, wie sich das bei der Materialentwicklung nutzen lässt. Die Antwort hierauf ist der Einsatz von Nanopartikeln, durch welche eine große Oberfläche in das Polymer gebracht wird. Dabei ist die Oberflächenmodifikation der Partikel für die resultierenden Eigenschaften mindestens so entscheidend wie die richtige Verarbeitungstechnik.

Die modifizierten Partikel werden für die Formulierung von Klebstoffen, Lacken, Matrixharzen für Verbundwerkstoffe oder Vergussmassen verwendet. Durch die Partikel lassen sich Eigenschaftsverbesserungen erzielen wie eine gleichzeitige Verbesserung von Festigkeit und Bruchdehnung, geringer Härtungsschrumpf und Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE). Zudem können die rheologischen Eigenschaften und das Brandverhalten mit ihrer Hilfe eingestellt werden.

Duromere als Matrix für formbare Leichtbaumateralien

 

Faserverstärkte Duromere finden aufgrund ihrer guten mechanischen Eigenschaften vielfältige Anwendung und sind aus dem Leichtbau nicht mehr wegzudenken. Die außerordentlich widerstandsfähigen Faserverbundkunststoffe (FVK) sind nach ihrer Herstellung jedoch nicht mehr verformbar. Das limitiert den Einsatz großserienfähiger Fertigungsverfahren und macht eine stoffliche Verwertung ausgedienter Bauteile derzeit nahezu unmöglich. Im Fokus steht daher die Erforschung neuer Polymersysteme, die sich trotz dreidimensionaler Netzwerkstruktur plastisch umformen lassen.

Materialentwicklung für den 3D-Druck von Kunststoffen

 

Bei verschiedenen additiven Fertigungsverfahren, wie der Vat-Photopolymerisation (VPP), dem Binder Jetting (BJT) und dem Liquid Additive Manufacturing (LAM), werden Harze eingesetzt, die als Flüssigkeit appliziert werden und anschließend in Gegenwart eines Triggers (ultraviolette (UV-) Strahlung, Wärme oder Feuchtigkeit) reaktiv zum festen 3D-Bauteil aushärten. Selbst bei der Verarbeitung von Filamenten im Fused Filament Fabrication (FFF)-Verfahren ist der Einsatz von thermoplastischen Reaktivharzen möglich, wie aktuelle Forschungsergebnisse des Fraunhofer IFAM zeigen. Hierbei werden in Folge der Vernetzungsreaktion duromere Bauteile erhalten, die sich hinsichtlich ihrer thermomechanischen Eigenschaften und Medienbeständigkeit auszeichnen.

Ein Schwerpunkt des Fraunhofer IFAM ist die Entwicklung reaktiver Harzformulierungen für den 3D-Druck. Hierbei steht neben den finalen Bauteileigenschaften die Abstimmung zwischen Drucker und Material im Fokus der Arbeiten. Auch können die Materialien mit den für den Einsatz gewünschten Eigenschaften (Schlagfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Temperaturbeständigkeit, etc.) versehen werden.

Polymerverguss zum Schutz von elektronischen Bauteilen

 

Mit dem stetigen Anstieg der elektronischen Baugruppen und ihrer Verwendung, beispielsweise in Kraftfahrzeugen und Sensoren, steigen auch die Anforderungen an ihre Langzeitstabilität und Funktionssicherheit. Zum Schutz dieser Bauteile bietet sich ein Polymerverguss an. Durch das Vergießen oder den Auftrag von Schutzlacken werden die zu schützenden Bauteile, beispielsweise eine Leiterplatte, durch ein Polymer vollständig umschlossen, um ihre Zuverlässigkeit zu sichern. Die Vergussmasse führt zu einer besseren Wärmeableitung, mechanischem Schutz sowie Schutz vor äußeren Einflüssen und auch zu elektrischer Isolation, wodurch die Funktionstüchtigkeit der Bauteile auch in rauen Umgebungen gewährleistet werden kann.