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Effizientere Herstellung von Carbonfasern durch innovative Stabilisierungstechnologie

Die Produktion von Carbonfasern erfolgt in vier Schritten: Ausspinnen einer Kunststofffaser (Precursor), Stabilisierung, Carbonisierung und abschließende Oberflächenbehandlung. Besonders die Stabilisierung – mit Temperaturen zwischen 200–300 °C und Verweilzeiten bis zu 2 Stunden – ist energie- und kostenintensiv und macht rund 30 % des Gesamtenergiebedarfs aus. Ziel des Projekts ist es, den Energieverbrauch und die Kosten der Carbonfaserherstellung deutlich zu senken. Statt die Produktionsgeschwindigkeit rein technisch zu erhöhen, wird ein neuartiges Beschichtungsmittel auf Precursoröl-Basis eingesetzt. Dieses beschleunigt gezielt die Stabilisierungsreaktionen (Zyklisierung, Dehydrierung), wodurch Ofenzahl und Verweilzeiten reduziert werden können.

Vorteile der neuen Methode:

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Kern des Projektes ist die Entwicklung eines innovativen Aktivierungsverfahrens für Carbonfasern, die die
effiziente Verwendung von unpolaren Matritzen wie PP im enlosfaserverstärkten Compositen erlaubt. Die
Hindenisse der zu geringen Faser-Matrix-Haftung sowie schlechten Benetzbarkeit der Carbonfaser mit
solchen Matrixwerkstoffen werden hierdurch eliminiert.
Im Rahmen des Projektes wird ein Prototypmodul gebaut, welches die Carbonfaser unpolar aktivieren
kann. Dieses Modul wird an der Carbonfaserpilotanlage des ITA im Einsatz getestet. Da eine Patentierung
angestrebt wird, entnehmen sie Details bitte der nicht-zu-veröffentlichen Projektskizze.
Mit dieser Technik erwarten wir eine Erhöhung der Faser-Matrix-Anhaftung um min. 50 %. Durch volle
Ausnutzung des Verstärkungspotentials der CF wird gegenüber Epoxid CFK eine Reduzierbarkeit des
Faserge-halts erwartet, was gemeinsam mit der Substitution der Matrix eine Verringerung der Dichte von
15 % erreicht, bei gleichen mechanischen Eigenschaften. Der Preis reduziert sich um bis zu 35 %. Der
CO2-Ausstoß in der Produktion reduziert sich um 19%.
PP-CFK treten so mit klassischen Epoxid-Kompositen in Konkurrenz. Der geringe Preis eröffnet die
Verwendung der CFK in preiskritischen Anwendungen, wie beispielweise dem Automobilsektor, in dem
eine Gewichtsreduktion durch Leichtbau in Benzinern eine realistische CO2-Ersparnis von 36 % bewirkt,
und gleichzeitig die Reichweite von Elektroautos steigert

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Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer Produktionstechnologie zur Reduzierung von Carbonfaserkosten mittels thermochemischer Behandlung des PAN-Precursors vor dem thermischen Konvertierungsprozess in der Prozesskette zur Produktion von Carbonfasern. Die Produktionstechnologie besteht aus der Entwicklung einer modularen Vorbehandlungsanlage sowie der Entwicklung der Prozesstechnologie zur Verkürzung der Prozesszeit bei der Produktion von Carbonfasern. Die Vorbehandlungsanlage im industrienahen Maßstab dient der thermochemischen Behandlung des PAN-Precursors zur Erhöhung der thermischen Faserstabilität und zur Beschleunigung der erwünschten Reaktionen im nachfolgenden Konvertierungsprozess. Die zu entwickelnde Prozesstechnologie dient der industriellen Umsetzung der Vorbehandlungstechnologie, wodurch der konventionelle Konvertierungsprozess an die aufgrund der Vorbehandlung verbesserten thermischen und physikalischen Fasereigenschaften angepasst werden. Der Konvertierungsprozess wird verkürzt und die Energiekosten hierbei gesenkt. Daraus folgt die Reduzierung der Carbonfaserkosten und eine Vergrößerung des Marktes für CFK.

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Das Ziel des dargestellten Projekts ist die Entwicklung eines neuartigen Sizings und in-situ Trocknungsverfahrens. Der Lösungsansatz beruht auf einem neuartigen Schaum-Sizing mit verringertem Wasseranteil (< 70 %) sowie ei-nem energieeffizienten Infrarot Trockenmodul. Die Glasfasern werden im Spinnprozess durch den Schaum gezogen und so mit dem Sizing benetzt. Durch einen kontaktlosen Auftrag werden dabei zudem Reibung und Verschleiß minimiert. Anschließend werden die Fasern mit Hilfe des Trockenmoduls im Prozess (in-situ) getrocknet um die Migration der Schlichte zu verringern. Somit wird ein Ausschuss von qualitativ minderwertigem Material vermieden.

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Die Auftraggeber beabsichtigen, auf dem Gebiet der StädteRegion Aachen (Kommunen Aachen, Alsdorf, Baesweiler, Eschweiler, Herzogenrath, Monschau, Simmerath, Stolberg, Roetgen, Würselen) ein bisher in der Region Aachen noch nicht bestehendes Weiterbildungsangebot unter der Begrifflichkeit „Industrie 4.0“ mit der Zielgruppe der Facharbeiter in mittelständischen Maschinenbauunternehmen aus der StädteRegion Aachen umzusetzen. In der „Digitalen Werkstatt“ sollen Facharbeiter in einer Produktionsumgebung weitergebildet werden, die Elemente aus der „Industrie 4.0“ und der Digitalisierung enthält

Ziel der „Digitalen Werkstatt“ ist die Etablierung eines Pilotmodells in der StädteRegion Aachen und Stadt Aachen, welches Mehrwerte für kleine und mittelständische Unternehmen bietet und die Mitarbeiter schnell und effizient mit den neusten digitalen Entwicklungen im Bereich Industrie 4.0 vertraut macht. Dabei soll die Weiterbildung möglichst praxisnah in einer realen Produktionsumgebung eines KMU in StädteRegion und Stadt Aachen stattfinden.

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In vielen Schlüsselindustrien Deutschlands erfolgt die Prozessplanung zur Herstellung komplexer Bauteile mit Hilfe von Computer-Aided Manufacturing (CAM). CAM-Systeme ermöglichen die Auslegung von Bearbeitungsprozessen, welche auf manuellem Wege nicht oder nur unter enormem Aufwand erstellt werden könnten. Steigender Wettbewerb, kürzere Innovationszyklen und eine stärkere Produktindividualisierung im Zuge von Industrie 4.0 führen jedoch nicht nur zu einer rasant steigenden Komplexität von Produkten, sondern auch von CAM-Systemen. Dies stellt selbst erfahrene Anwender vor enorme Herausforderungen in der Handhabung derartiger Systeme.

Das Vorhaben CAM2030 hat daher das Ziel, den Nutzer durch die anwender-zentrierte Anreicherung der sozio-technischen Arbeitsumgebung mit neuartigen digitalen Optimierungswerkzeugen zu befähigen, die computergestützte Prozessplanung insbesondere für hochkomplexe Bauteile auch zukünftig schnell, effizient und sicher durchführen zu können. Resultat ist eine neue Generation von CAM-Systemen, welche durch einen geringeren Planungsaufwand, eine technologieoptimierte Prozessplanung und einen langfristigen Wissensaufbau.

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Ziel des Forschungsprojektes ist die Entwicklung und Validierung einer Beschichtung für Galetten, mit dem Ziel einer faserschonenden und qualitätssichernden Carbonfaser-Produktion. Dabei werden sowohl die Oberflächen für Antriebs- als auch für Umlenkungsgaletten entwickelt sowie die Anordnung der Galetten ausgelegt. Die Auslegung der Galetten-Anordnung erfolgt im Produktionsprozess selbst über eine Demonstrator-Anlage, in der sowohl Antriebs- als auch Umlenkungsgaletten im Prozess verstellbar sind. Durch die verstellbaren Galetten lässt sich der Umschlingungswinkel der einzelnen Galetten einstellen. Über eine Regelung kann so der minimal notwendige Umschlingungswinkel realisiert werden, der zu Aufprägung der geeigneten Fadenspannung notwendig ist. Durch den minimalen Umschlingungswinkel kann gleichzeitig die Faserschädigung reduziert werden, da die Faser nur mit der minimal notwendigen Galetten-Oberfläche in Kontakt kommt.

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Im Rahmen dieses Kooperationsprojektes wird das Herstellungsverfahren zur Serienproduktion von SMD-bestücktem Gewebe entwickelt. Durch diesen disruptiven Ansatz können wesentlich kleinere Bauteile verwendet werden, als durch manuelle Fertigung erzielbar ist. Gleichzeitig behalten die verarbeiteten Textilien erstmalig ihre bekleidungsphysiologischen Eigenschaften bei, zu einem günstigen Marktpreis. Das Technologiekonzept, zur Herstellung des Sensor-Gewebes, umfasst folgende Funktionen:
– Spannsystem für Textilien in der Pick&Place-Maschine – Optisches Erkennungssystem zur intelligenten Erkennung verzerrter Leiterbahnen
– Fügeverfahren für Elektronik auf Textil mit < 200 µm Genauigkeit.
– Beschichtungssystem zur Einkapselung jeder einzelnen SMD

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Im Mittelpunkt des Paradigmenwechsels steht dabei der Mensch, der als Unternehmensmitarbeiter permanent mit neuen Herausforderungen konfrontiert wird. Mit der Komplexitätssteigerung der Prozesse wächst der Anspruch an seine zu leistende Arbeit deutlich an. Dabei wird erwartet, dass der Mitarbeiter die neuen Möglichkeiten der Digitalisierung und Vernetzung in seinem Arbeitsalltag anwendet. Die Anforderungen führen dabei zu einem hohen Qualifikationsbedarf. Dies gilt insbesondere für den Maschinen- und Anlagenbau, eine Branche, die als Befähigungsbranche für viele weitere produzierende Branchen gilt, etwa die Automobil-, die Medizin- oder die Weiße-Ware-Branche sowie kleine und mittelständische Unternehmen. 

Vor diesem Hintergrund besteht die Innovation des Vorhabens „Werker-Lab“ im Aufbau eines Schulungskonzeptes, welches an den sozialen Hintergrund, Wissensstand und die zeitliche Verfügbarkeit des Mitarbeiters angepasst werden kann. Die gezielte Weiterentwicklung wird dabei auch ohne schulungsbedingte Abwesenheiten erzielt, in dem, modulare Lehrinhalte mit direktem Bezug Inhalt seiner Arbeit verfügbar sind. Dazu werden verschiedene Lernformen kombiniert, die ein geeignetes Lehrmaterial in Abhängigkeit seines Lernortes bereitstellen. Dieses erstreckt sich von klassischen Folienbeiträgen zur Nachbereitung bis hin zu digitalen Me-dien, die ein „Hands-On“-Lernen an seinem Arbeitsplatz ermöglichen. Im Vorhaben wird für das Beispiel „Werker-Lab: CAM-Programmierung“ ein Qualifizierungsformat entwickelt, das beispielhaft für die Entwicklung weiterer „Werker-Labs“ dient. Der Aufbau eines exemplarischen Kursprogramms (Demonstrator) dient dabei der Validierung des Ansatzes mit Zielgruppenvertretern aus produzierenden KMU. 

Dieses Projekt wird durch die Europäische Union und das Land Nordrhein-Westfalen gefördert.

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Umweltschonend kann sie bisher nicht bekämpft werden. Bestehende Mittel sind entweder nicht wirksam oder töten zu viele andere Insekten. Um die Biodiversität zu erhalten und teuren Massenfang zu vermeiden, gilt es einen Weg zu finden, die Kirschessigfliege zu bekämpfen und gleichzeitig andere Insekten zu schonen. Mit Licht und Düften entwickelt 3WIN nun gemeinsam mit Forschern des Dienstleistungszentrum Ländlicher Raum Rheinpfalz (DLR) eine spezielle Falle, die die Fliegen anlockt und mit einem kurzen Stromschlag abtötet. Die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) unterstützt das Projekt fachlich und finanziell. Auch Praxisbetriebe und Testflächenbetreiber sind mit eingebunden.

„Zielgerichtet schützen wir so die Obst- und Rebenbestände vor dieser eingewanderten Art und schonen zeitgleich andere Insekten. Damit tragen wir zum Erhalt der Artenvielfalt bei und helfen den betroffenen Produzenten. Mit solchen Projekten wollen wir helfen, Boden, Biodiversität und Gewässerqualität zu sichern und dem Erwerbsobstbau Zukunftsperspektiven zu sichern. So stellen wir die Weichen dafür, dass auch nachfolgende Generationen in einem intakten Ökosystem leben können.“
Prof. Dr. Werner Wahmhoff, Stellvertretender Generalsekretär der DBU

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Die Flexibilisierung der Produktion erfordert tiefes wie breites Bedienwissen sowie eine Software, die dem Nutzer hilft, mit der kaum noch überschaubaren Funktionsvielfalt von CAx-Systemen just in time on demand umzugehen.

Letztere ist jedoch nicht gegeben: CAx-Systeme sind hochkomplex; Bedienfehler haben Auswirkungen auf die gesamte Wertschöpfungskette. Softwareentwicklungsansätze sind primär funktionsgetrieben. Das Ergebnis sind hoch-komplexe, schwer bedienbare Systeme, die hohes Expertenwissen erfordern. Arbeits-, Kontext- und Nutzerprofile verändern sich: Der Anteil an Nicht-Standardaufgaben wächst, dies erfordert ein sehr breites Bedienwissen. Zugleich nimmt die Anzahl erfahrener Bediener ab. Demographie und Arbeitskräfte mit heterogenem Hintergrund (Migration) erfordern niederschwellige Softwarelösungen durch reduzierte Oberflächenkomplexität.

Lean-CAx leitet die nächste Generation von CAx-Systemen ein, die technologische Komplexität durch „lean“ gestaltete Oberflächen händelbar macht: Von primärer Funktionalitätsbereitstellung hin zu nutzerzentrierten Expertensystemen. Ergebnisse sind: Marktstarke CAx-Systeme für Industrie 4.0 durch lean-gestaltete Interfaces; verifizierte, übertragbare Methodik; Tool zur Bewertung/ Optimierung der Interaktionsschnittstellen von CAx-Systemen.

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Durch die Optimierung des FDM- Druckverfahrens im Hinblick auf zeit- und ortslokale Wärmemodifikation soll der Druck insbesondere von teilkristallinen Thermoplasten ermöglicht werden. Mittels Erweiterungen im Drucker zum lokalen Erwärmen und Abkühlen sollen komplexe Geometrien gedruckt werden können.

Ziel ist der Transfer auf einen großvolumigen Drucker, der den Druck eines Demonstrators aus der Orthopädietechnik erlaubt.

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Dabei werden die Ladungsträger auf Basis digitaler geometrischer Daten des zu transportierenden Gutes aus Kunststoffrezyklat hergestellt. Gegenüber klassischen Fertigungsmethoden können somit Prozesszeiten optimiert und die Qualität verbessert werden.

Dieses Projekt wird durch die Europäische Union und das Land Nordrhein-Westfalen gefördert.

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Das Mikro-Laserauftragschweißen ist ein Verfahren welches zur rohstoff- und energieeffizienten Kontaktierung genutzt werden kann. Durch selektives Aufschweißen von z. B. Kontaktpunkten werden nur die zur Kontaktierung benötigten Flächen beschichtet. Das Verfahren soll entwickelt werden, um konventionelle Verfahren der Kontaktierung zu ersetzten.

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