Wednesday, 20. December 2017

Werkstoffwissenschaftler macht Spritzguss-Bauteile leichter, belastbarer und günstiger

Seine Forschung macht Bauteile für Autos oder Flugzeuge mit maßgeschneiderten Eigenschaften möglich: Der Werkstofftechniker Marc Schöneich hat ein Verfahren entwickelt, mit dem die Industrie die Eigenschaften sogenannter kurzfaserverstärkter Kunststoffe vorab simulieren und passgenau je nach Einsatz optimieren kann. Für seine deutsch-französische Doppel-Promotion an den Universitäten des Saarlandes und Metz erhielt Schöneich jetzt den Wilfried-Ensinger-Preis des Wissenschaftlichen Arbeitskreises der Universitäts-Professoren der Kunststofftechnik.

Mit dem Spritzgussverfahren lässt sich Kunststoff in jede beliebige Form bringen. Der geschmolzene Werkstoff wird dabei mit Druck in eine Form eingespritzt und härtet anschließend aus. Die Industrie kann auf diese Weise massenhaft etwa Stoßfänger, Unterbodenverkleidungen oder Gurthalterungen herstellen. Besonders leichte, hochbelastbare und von ihrer Form her komplizierte Bauteile machen die sogenannten „kurzfaserverstärkten Thermoplasten“ möglich: Hierbei wird der Kunststoff mit Fasern zum Beispiel aus Glas verstärkt, die eine Länge von wenigen Mikrometern bis hin zu mehreren Zentimetern haben. Diese Kunststoff-Faser-Gemische können sogar Metalle ersetzen. Das Problem: „Die Industrie kann das Potenzial, das hier steckt, noch nicht ausschöpfen. Es ist bislang noch zu wenig darüber bekannt, welche Mechanismen in diesen Verbundwerkstoffen genau ablaufen und damit auch, was die Eigenschaften des Werkstoffs beeinflusst“, erklärt Werkstofftechniker Marc Schöneich, der sich in seiner jetzt ausgezeichneten deutsch-französischen Doktorarbeit damit befasst hat, genau dies zu ändern.

Er hat eine Methode entwickelt, mit der die Hersteller die Bestandteile des Kunststoff-Faser-Gemischs für den jeweiligen Einsatz passgenau modellieren können: Sie können die späteren Werkstoffeigenschaften simulieren und nach Bedarf maßschneidern. „Der Herstellungsprozess kann günstiger und das Produkt besser werden, wenn man genau weiß und steuern kann, was im Werkstoff passiert und welche Mechanismen ablaufen“, erklärt Schöneich, der in Deutschland und Frankreich forschte und von den Universitäten des Saarlandes und Lothringen den Doppel-Doktorhut erhielt. Schon sein Studium war deutsch-französisch: An der Saar-Uni und der Universität Nancy absolvierte er den Studiengang EEIGM (École Européenne d'Ingénieurs en Génie des Matériaux) mit Doppel-Abschluss.

Die Eigenschaften eines Werkstoffes – also ob er leicht ist oder schwer, steif oder biegsam – werden durch seine Mikrostruktur beeinflusst: Kleinste Änderungen in Größenordnungen, die nur über hochauflösende Mikroskope sichtbar sind, haben Auswirkungen im großen Ganzen. Wer die Zusammenhänge in diesen Sphären besser versteht, kann dies nutzen, um dem Werkstoff bestimmte Eigenschaften zu verleihen. Marc Schöneichs Modell macht jetzt transparent, wie der Kunststoff sich ändert, wenn man an bestimmten Parametern „dreht“.

„Glasfasern haben eine hohe Steifigkeit. Werden sie als kurze Fasern im Werkstoff eingebunden, nehmen sie die Kraft bei Belastungen auf: Das bedeutet, das Bauteil wird belastbarer, etwa wenn es gezogen oder gebogen wird“, erklärt Schöneich, der inzwischen am Leibniz-Institut für Neue Materialien INM auf dem Saarbrücker Campus arbeitet. Er hat in seiner Doktorarbeit die Grenzschicht zwischen der Faser und dem Kunststoff genauer unter die Lupe genommen und untersucht, wie diese Schicht die Eigenschaften des gesamten Verbundwerkstoffs und somit des finalen Bauteils ändert. „Die so genannte Interphase ist das Resultat der Wechselwirkung zwischen Glas und Kunststoff. Sie ist nur wenige hundert Nanometer dünn, hat andere Eigenschaften als die Fasern und als der Kunststoff. In meinen Forschungen habe ich diese Interphase näher betrachtet und Veränderungen gemessen.“

Hierfür hat Schöneich eigens eine neuartige Messmethode entwickelt. Er führte Experimente auf Makro- und Mikroskala durch, analysierte die Bestandteile des Verbundwerkstoffs mechanisch und thermisch, verglich die Abläufe mit analytischen Berechnungen wie auch der so genannten Finite-Elemente-Methode und erstellte mikromechanische Modelle. Sein neues Verfahren macht die Wechselwirkungen zwischen Glas, Kunststoff und Interphase berechenbar. „Das Modell ist auf beliebige Werkstoffkombinationen übertragbar. Die Industrie kann es nutzen, um technische Bauteile aus Verbundwerkstoffen leichter oder leistungsfähiger zu machen“, sagt er. Wird zum Beispiel die Dicke der Interphase verringert, ändert das die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs.

Für seine Forschungen im Rahmen seiner deutsch-französischen Doktorarbeit (Cotutelle de thèse) arbeitete Marc Schöneich bei Professor Markus Stommel an der Universität des Saarlandes und der Technischen Universität Dortmund, der seine Arbeit von deutscher Seite betreute, Zweitbetreuer war Professor Dirk Bähre von der Saar-Uni. Auf französischer Seite arbeitete Schöneich mit Stéphane Berbenni und Hafid Sabar (Université de Lorraine, Metz) zusammen.


Für seine Ergebnisse hat der Wissenschaftliche Arbeitskreis der Universitäts-Professoren der Kunststofftechnik Marc Schöneich jetzt mit dem Wilfried-Ensinger-Preis ausgezeichnet. Der Arbeitskreis prämiert jährlich die besten wissenschaftlichen Arbeiten der Kunststofftechnik. Der Wilfried-Ensinger-Preis „für die Entwicklung und Beschreibung technischer Kunststoffe für innovative Anwendungen“ ist dotiert mit 5000 Euro. http://www.wak-kunststofftechnik.de/preise/
Auch die Deutsch Französische Hochschule unterstützte Schöneichs Forschungen mit Mobilitätszuschüssen.

Kontakt:
Dr.-Ing. Marc Schöneich INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien
Tel.: 0681-9300-454; E-Mail: marc.schoeneich(at)leibniz-inm.de


Pressefotos für den kostenlosen Gebrauch finden Sie unter
http://www.uni-saarland.de/pressefotos


Hintergrund:  


Die Materialwissenschaft und Werkstofftechnik der Universität des Saarlandes zählt mit über 300 Wissenschaftlern zu den Top 5 der deutschen Forschungsstandorte auf diesem Gebiet. Auf dem Campus befinden sich außerdem das Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP, das Leibniz Institut für neue Materialien (INM) und das Steinbeis-Forschungszentrum für Werkstofftechnik, die eng mit der universitären Forschung vernetzt sind.
http://www.uni-saarland.de/fachrichtung/mwwt/startseite.html


Studenten können in der Saarbrücker Fachrichtung zwischen internationalen Studiengängen wie „Atlantis“, „EEIGM“ und „Amase“ wählen oder das nationale Bachelor- und Masterprogramm studieren. Auch ein Studiengang Materialchemie ist im Angebot. Mit Docmase (PhD) gibt es ein Angebot zur Doppel-Promotion. Alle internationalen Studiengänge werden seit 2008 von der europäischen Schule für Materialforschung (Eusmat) an der Saar-Universität koordiniert. Eusmat bietet zum Beispiel mit dem Masterprogramm „Amase“ ein zweisprachiges Studium wahlweise in den Sprachen Englisch, Spanisch, Deutsch und Französisch an, das im Verbund mit Lulea in Schweden, Barcelona und Nancy jeweils einen Doppelabschluss ermöglicht.
http://www.uni-saarland.de/einrichtung/eusmat.html