Forschungsthema:

Enzymatische Oberflächenmodifikation von "Biogenen Heavy Tows" (bHT) zum Einsatz in Hochleistungsverbundwerkstoffen (EntreHeaT)

Forschungsstelle 1:

FASERINSTITUT BREMEN e.V.

Forschungsstelle 2:

Sächsisches Textilforschungsinstitut e.V.

Forschungsstelle 3:

CLUTEX – klastr technické textilie, z.s., Czech Rep

Forschungsstelle 4:

INOTEX spol. s r.o., Czech Rep

Laufzeit:

01.06.2025 - 31.05.2027

Kurzfassung:

Peeling off the bark from freshly harvested hemp stalks (‘green hemp’) results in stripes as long as the plant exhibiting a width comparable to commercial fibre rovings. These stripes can be coupled to endless rovinglike stripes e.g. by a KEMAFIL system or sewing, called ‘Biogene Heavy Tows’ (bHT). These can be used to produce unidirectional hemp‐reinforced composites. bHT composites exhibit a Young’s modulus of 37.7 GPA and a tensile strength of 238 MPa. These values are not bad, but far below the strength & modulus of hemp fibre bundles: Young’s modulus 65 GPA and tensile strength 800 MPa. A weak fibre tow‐matrix interaction was identified as reason for this difference. At the bHT surface the fibres are covered by a natural matrix consisting of hemicelluloses, pectins and traces of lignin etc. This natural environment appears like a weak interphase separating fibres and the applied composite matrix, resulting in sub‐optimal mechanical characteristics of the composite.

The project EnTreHeaT aims to improve the surface interaction between bHT and common thermoset matrices in a biotechnological approach. The advantage of this approach is to uncover the surface‐near fibres without damaging the internal structure of the bHT. This enables a direct coupling between the hemp single fibres and the applied composite matrix to ensure high mechanical performance. A second advantage is, that this process can be performed technically by a modified spray method using minimal amounts of liquid compared to standard enzyme‐driven reactions. After spraying and enzymatic process, the reaction can be stopped at a defined time by just purging with water to remove the enzyme simultaneously with the dissolved pectins and hemicelluloses.

The project will be driven by three partners bringing the competences necessary to reach the aims:

• Faserinstitut Bremen e.V. FIBRE (Bremen, DE) with experience in enzymatical modification of bast fibres as well as in all kinds of sophisticated fibre analysis

• InoTEX s.r.o (Dvůr Králové n.L., CZ) with experience in developing enzymes for the textile sector, including enzymes for bast fibre modification as well as scaling up the processes to industrial scale
• Sächsisches Textilforschungsinstitut e.V. STFI (Chemnitz, DE) with experience in technical applications of natural fibres including all processes necessary to produce unidirectional fibre‐reinforced plastics

After analysing the bHT‐matrix interaction in detail, optimised enzymes will be developed by INOTEX and tested by FIBRE in laboratory scale. Subsequently areal composite specimens will be produced by STFI to determine the bHT suitability as unidirectional reinforcement in high‐performance composites. Finally, demonstrator parts will be produced to provide the possibility of presenting the project results on exhibitions and conferences.

Forschungsthema:

Einsatz und Optimierung von biobasierten Epoxidharzsystemen für die Herstellung von hybriden Naturfaser/rCF-Verbunden via RTM-Verfahren (BioHybrid)

Forschungsstelle 1:

Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung Rudolstadt e.V. (TITK)

Forschungsstelle 2:

Lehrstuhl für Polymere Werkstoffe Universität Bayreuth

Laufzeit:

01.09.2024 - 31.08.2026

Kurzfassung:

Ziel des Projekts ist es, aufzuzeigen wie beim Einsatz von Komponenten aus nachhaltigen Rohstoffen komplexe Problemstellungen in der Verbundwerkstoffentwicklung mit Hilfe von Maschinellem Lernen zeit- und kosteneffizient gelöst werden können. Schwerpunkt der Forschungsarbeiten ist die Entwicklung einer optimierten, mehrkomponentigen Mischung von petroleum-basierten und bio-basierten Harzen und Härtern. Die optimierte Harzmischung soll als Matrix für einen neuartigen, nachhaltigen Faserverbund verstärkt mit einem hybriden Vlies aus Naturfasern und Recycling-Carbonfasern eingesetzt werden. Zum einen werden die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen zwischen dem molekularen Aufbau der einzelnen Komponenten und den sich ergebenden mechanischen Eigenschaften der Duromere untersucht. Zum anderen sollen mögliche synergistische Effekte bei der Kombination mehrerer Fasertypen in einem Vlies untersucht werden. Die erzielten Ergebnisse hinsichtlich der optimalen Zusammensetzung der Hybridfaservliese und Harzsysteme sollen Entwicklern und Verbundherstellern als Basis für eigene nachhaltige Materialentwicklungen dienen.

Forschungsthema:

Einsatz von Post-Consumer-Polypropylen-Rezyklat in technisch anspruchsvollen Anwendungen, insbesondere im Pkw-Innenraum (PC-PP4PKW)

Forschungsstelle 1:

Universität Kassel, FB 15 Maschinenbau,Institut für Werkstofftechnik

Forschungsstelle 2:

Universität Kassel, FB 14 Bauingenieur- und Umweltingenieurwesen, Institut für Wasser, Abfall, Umwelt

Fachgebiet Ressourcenmanagement und Abfalltechnik

Laufzeit:

01.11.25-31.10.27

Kurzfassung:

Das übergeordnete Ziel des geplanten Vorhabens PC-PP4PKW ist es, den Einsatz von Post-Consumer (PC)-Polypropylen (PP)-Rezyklat in hochwertigen, qualitätsgesicherten technischen Bauteilen, insbesondere im Automobilinnenraum, durch angepasste Aufbereitungs- und Recyclingverfahren zu ermöglichen und dadurch ökologisch und ökonomisch attraktive Verwertungspfade für PC-PP-Abfälle zu schaffen. Zu Beginn werden aus unterschiedlichen PC-Abfallströmen aus den Bereichen Leichtverpackungen, Altfahrzeuge, Gewerbeabfall und Hartkunststoffe aus der Sperrabfallsammlung (bzw. aus der Sortierung von Restabfällen) charakterisierende Abfallproben aus den Inputs und Outputs entsprechender Aufbereitungsanlagen gewonnen. Aus den heterogen zusammengesetzten PC-PP-haltigen Abfallproben werden im Rahmen einer Vorsortierung verschiedene in sich homogenere bzw. aufkonzentrierte PP-Abfallfraktionen gewonnen. Die Materialeigenschaften der PP-Abfallfraktionen werden in Bezug auf ihre grundsätzliche Eignung für die Rezyklat-Erzeugung, insbesondere im Hinblick auf Heterogenität, Stör- und Fremdstoffe, analysiert und bewertet. Basierend darauf werden Anforderungen an Sortier- und Aufbereitungsverfahren abgeleitet und Verfahren im Bereich der sensorbasierten Sortierung und Dichtesortierung untersucht und hinsichtlich erreichbarer Ausbeuten und Qualitäten evaluiert. Im Anschluss erfolgt die Aufbereitung unter Verwendung von Doppelschneckenextrudern (DSE) im Industriemaßstab. Unter Verwendung handelsüblicher Additive in Kombination mit der Variation der Verarbeitungsparameter erfolgen Deodorisierung (gezielte Reduktion störender Geruchseigenschaften) und reaktiver Kettenaufbau. Basierend auf den Erkenntnissen zur Aufbereitung einzelner PP-Abfall-fraktionen wird das Vorgehen iterativ mit Mischfraktionen, bestehend aus den zuvor charakterisierten Fraktionen wiederholt, bis eine weitere Zusammenführung der Mischfraktionen aufgrund divergierender Material- und Verarbeitungseigenschaften nicht mehr möglich ist. Die während der Versuche aufgezeichneten Daten bezüglich der Sortierung und Aufreinigung, der Materialeigenschaften von Einzelfraktionen, Fraktionsgemischen und finaler Rezyklate sowie die angewandten Verarbeitungsparameter werden in einer Datenbank zusammengeführt und analysiert. Parallel werden, basierend auf Materialflussanalysen der deutschen Kunststoffabfallwirtschaft, Mengenpotenziale in Bezug auf die konzipierte PC-PP-Recyclingkette bestimmt und in Bezug auf die ökologischen (Ökobilanzierung) und wirtschaftlichen (Kosten-Erlös-Strukturen) Auswirkungen bewertet. Basierend auf der Datenbank wird ein Workbook mit detaillierten Handlungsempfehlungen zur Aufbereitung von PC-PP-Abfällen zu hochwertigen Rezyklaten für die Anwendung in der (industriellen) Praxis bereitgestellt.

Forschungsthema:

Development and evaluation of mechanical recycling value chains for thermoplastic composite materials (RecyComp)

Forschungsstelle 1:

Technische Universität Ilmenau/Fachgebiet Kunststofftechnik

Forschungsstelle 2:

Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung e.V.

Forschungsstelle 3:

Sirris Research Center, Belgium

Laufzeit:

01.03.2024 - 28.02.2026

Kurzfassung:

The market for long and continuous fiber reinforced thermoplastics (in the following abbreviated CFRTP) is growing, because these materials provide excellent weight specific mechanical properties and features other significant advantages such as short cycle times, storability, repeated meltability, good formability and the use of alternative joining processes enabling automated large volume manufacturing processes. During the manufacturing of CFRTP dry fiber waste (DFW) is generated. Additionally, up to 30% offcuts and end of life parts with matrix material must be considered as waste stream. Today, the composite value chain is highly linear and the main disposal routes for composites are co-processing in cement plants or landfilling. For CFRTP mechanical recycling is a promising alternative. Even though individual studies regarding the mechanical recycling of CFRTP exist, there is still a lack of transparency on the cost, the ecological impact and the properties of the recycling materials coming from the available options and still room for innovative approaches. Furthermore, the recycling scope for DFW needs to be expanded beyond carbon fibers as glass fibers are readily available DFW streams, which are mainly disposed in landfills.

Consequently, the first target of the projects is the pre-competitive development of alternative recycling approaches for CFRTP like the direct dosing of cut recycled CFRTP material during injection molding (IM), the use of a (foamed) core layer of recycled CFRTP material in 2K sandwich IM and in extrusion, which is supplemented by high quality outer layers, and the load-oriented application of cut recycled CFRTP materials for compression molded parts. These approaches complement existing recycling routes and make better use of the recycled CFRTP material. Additionally, a recycling route for dry glass fiber waste and mixed waste from dry glass and carbon fibers via nonwoven production will be developed. The approaches investigated in this project enhance the toolkit of recycling technologies for CFRTP and DFW further. The second target is a systematic assessment, evaluation, and comparison of different mechanical recycling value chains to identify the best options for different fiber reinforced components and DFW regarding ecological impact, costs, and important material properties (e.g. mechanical properties). Based on the systematic assessment transparency on the evaluated mechanical recycling value chains is created and recommendations for the industry – especially small and medium sized enterprises (SME) – are derived.

To achieve the above targets the research performing organizations KTI, TITK and Sirris and the associations WNR and Sirris will jointly work on two pillars: Experimental investigations are carried out to develop new, innovative mechanical recycling approaches as well as to gather data on mechanical recycling and a value chain assessment will provide insights into the economic, ecologic, and technical feasibility of mechanical recycling approaches. This setup of the project enables SME to take sound decisions on their future recycling strategies for CFRTP and DFW based on data.

Consequently, the project contributes to transform the linear composite value chains to circularity as well as to the European target to become a circularity-oriented continent by 2050 and the United Nation’s sustainability targets.

Forschungsthema:

Influence of edge crack sensitivity and fatigue behavior of cellulose-based material - Cottonid - in relation to different cutting technologies (Cotto4Cut)

Forschungsstelle 1:

Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik

Forschungsstelle 2:

Technische Universität Dortmund/Lehrstuhl für Werkstoffprüftechnik

Forschungsstelle 3:

Türkisch-Deutsche Universität/Materialwissenschaften und -technologie

Forschungsvereinigung 2:

PAGEV - Turkish Plastics Industry Foundation

Laufzeit:

01.03.2024 - 28.02.2026

Kurzfassung:

Exploitation of finite resources and climate change are critical consequences of industrialization and lead to the urgent demand for new approaches concerning sustainable materials. Since industrial processes and products are heavily resource and energy consuming, new approaches in this field can make a considerable contribution to increase sustainability in engineering. Further, the possibility of ecological recirculation of the used resources during production as well as at the end of the product lifetime is an important topic to reduce pollution due to non-degradable and environmentally harmful materials. To solve these challenges, cellulose-based biocomposites are a promising material class. Cottonid is a fully cellulose-based biocomposite, which was already patented before industrialization as the first modified natural material, with high technological potential because of its physical and mechanical similarities to technical plastics and light metals (e.g. aluminum). The material is well known since the 19th century and was mainly used as construction and packaging material. In the beginning of the 20th century, it was replaced by synthetic plastics in most technical applications and therefore can nowadays mostly be found in niche applications. To open the market potential of this promising material, it is necessary to perform application-oriented research. E.g. up to now it was not investigated, how different cutting technologies, i.e. shear cutting as the most cost-effective and industrially widespread process, laser cutting (thermal influence) or waterjet cutting (no thermal influence) have an impact on the edge quality of Cottonid components and therefore on the crack initiation, propagation, and mechanical behavior, respectively. Values for quasi-static and fatigue loading were determined on milled specimens, which acts as the reference technology in this project. Based on the influence of different cutting technologies, the mechanical performance of two Cottonid materials, homogeneous and bonded, shall be comparatively evaluated, since bonded material has process-related advantages with regard to energy, time, and cost efficiencies.

The main benefits of the gained knowledge are:

• Technological qualification of a sustainable alternative material for various industrial applications

• Substitution potential of resource and energy consuming materials like plastics and light metals

• Implementation of a cost-effective and industrially widespread process by shear cutting

• Transfer of edge crack theories of sheet metal materials on a cellulose-based biocomposite

The project consortium consists of the following partners and corresponding fields of expertise:

• TU Dortmund University - Chair of Materials Test Engineering (WPT): Advanced Experimental Techniques, Lifetime Prediction, Quality Assurance, Sustainable Materials

• Turkish-German University (TGU) - Department of Materials Science and Technology: Material Science, Metallic Materials, Composites, Abrasive wear, Nanoscale Characterization

• Fraunhofer Institute for Machine Tools and Forming Technology (IWU): Sheet Metal Forming Technologies, Cutting Technologies, Process Design (FE-Simulation), Lightweight Materials

The gained knowledge is mainly aimed for applications within the textile and paper industry (e.g. packaging industry), as well as in the transport industry (automotive, rail and aerospace) and electronic industry. It will be possible for the targeted SMEs to open application areas through optimized machining possibilities of different Cottonid materials. Further, application impetus to different economic sectors, especially for SMEs which are working in the fields of laser and water jet systems as well as tool manufacturing can be expected, enabling them to fulfill the demand for economic approaches to reduce the environmental impact of industrial processes and products.

Forschungsthema:

Forschungsstelle:

Laufzeit:

01.11.2023 – 31.10.2025

Forschungsthema:

Verpackungen aus dreidimensional geformten Cellulose-Composites (3DCell)

Forschungsstelle 1:

TU Dortmund, Fakultät Maschinenbau, Fachgebiet Maschinenelemente

Forschungsstelle 2:

TU Dortmund, Fakultät Bio- und Chemieingenieurwesen, Lehrstuhl Feststoffverfahrenstechnik

Forschungsstelle 3:

TU Dresden, Institut für Naturstofftechnik, Professur für Holztechnik und Faserwerkstofftechnik

Forschungsstelle 4:

Fraunhofer-Gesellschaft e.V., Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung, Institutsteil Verarbeitungstechnik IVV-DD FhG

Laufzeit:

01.07.2023 - 30.06.2025