Functional and
Reliable Polymers

Durch die Vernetzung von Polymerketten oder der Härtung von monomeren Bausteinen über licht-induzierte chemische Reaktionen werden technische Hochleistungswerkstoffe erhalten, die sich durch eine hohe Steifigkeit, eine hohe Temperaturbeständigkeit und/oder geringes Kriechverhalten auszeichnen. Am PCCL werden neue Verfahren entwickelt, die eine beschleunigte Härtung bei niedrigeren Temperaturen oder sogar Raumtemperatur ermöglichen. Grundlage hierfür ist die Frontalpolymerisation, die durch einen kurzen Licht- oder Temperaturimpuls ausgelöst wird und durch die freiwerdende Reaktionswärme autokatalytisch abläuft. Dadurch können bspw. kohlenstofffaserverstärkte Bauteile innerhalb weniger Minuten vollständig ausgehärtet werden, was das Einsparungspotential hinsichtlich Energie- und Produktionskosten verdeutlicht. 

Eine schnelle Vernetzung unter Lichteinwirkung spielt auch eine wichtige Rolle im 3D Druck von Polymeren, die über Stereolithographie-Verfahren hergestellt werden. Hierbei wird das 3D Objekt punktweise oder lagenweise durch eine lokale Vernetzung/Härtung eines flüssigen Harzes aufgebaut. Das PCCL verfügt über eine umfassende Expertise, was die Einstellung der mechanischen Eigenschaften von Photopolymeren und Optimierung der Druckparameter anbelangt. Multimaterial-Drucker stehen am PCCL zur Verfügung, die eine Fertigung von Bauteilen mit lokal unterschiedlichen Eigenschaften ermöglichen (bspw. Steifigkeit, elektrische Leitfähigkeit). Darüber hinaus gelingt es durch geschicktes Kombinieren von Photoreaktionen, Bauteile mit Multimaterial-Eigenschaften über 3D-Druck mit Lichtquellen unterschiedlicher Farbe herzustellen. 

Die Eigenschaften von Oberflächen und Grenzflächen spielen eine wesentliche Rolle in einer Vielzahl von technischen Prozessen darunter Kleben, Beschichten, Bedrucken, Compoundieren, Imprägnieren oder Laminieren. Über chemische Verfahren und Plasmaprozesse werden die Oberflächen von organischen sowie auch anorganischen Materialien gezielt verändert und auf die entsprechende Anwendung zugeschnitten. Beispiele umfassen die Modifizierung von Füllstoffen und Fasern zur besseren Verteilung und Anbindung in der Polymermatrix, die Immobilisierung von funktionellen Ankergruppen zur Erhöhung der Adhäsionskraft von Klebeverbindungen oder die gezielte Einstellung der Oberflächenpolarität von Photopolymeren für den Transport von Flüssigkeiten in Mikrofluidikanwendungen. 

Das PCCL verfügt darüber hinaus über eine umfassende Expertise zur Charakterisierung von Oberflächen. Durch ausgeklügelte Methoden gelingt es bspw. haptische Eigenschaften von polymeren Werkstoffen zu detektieren und praxisnahe zu charakterisieren. Hierzu wurde ein Messaufbau konzipiert, der es ermöglicht das menschliche Tastempfinden möglichst realitätsnahe abzubilden. Weiter verfügt das PCCL über ein umfassendes Messequipment zur Bestimmung der tribologischen Eigenschaften von Polymermaterialien. In einer Vielzahl von Forschungsprojekten wurde ein umfassendes Knowhow zur Bestimmung der Reibeigenschaften und Beurteilung der entsprechenden Verschleißmechanismen erarbeitet. 

Durch die rasante Entwicklung im Bereich der Additiven Fertigung erschließen sich zunehmend neue fertigungstechnische Möglichkeiten. Diese erlauben u.a. auch die zunehmende Weiterentwicklung von sogenannten Metamaterialien, deren Charakteristik ein zellulärer Aufbau mit sich wiederholenden geometrischen Einheitszellen ist. Durch den zellulären Aufbau dominiert die Geometrie das globale und lokale Materialverhalten, während das verwendete Grundmaterial nur eine untergeordnete Rolle spielt.

Vor einigen Jahren noch hauptsächlich ein Thema der Grundlagenforschung, so ergeben sich zunehmend vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten für derartige Strukturen. Am PCCL wurden im Rahmen der beiden COMET-Modul Projekte „Chemitecture“ (2020-2023) und „Repairtecture“ (2024 – 2027) bereits einige konkrete Anwendungsfälle für mechanische Metamaterialien wie z.B. Kupplungen, im Betrieb nachstellbare Dichtungen, modular aufgebaute Federn mit frei wählbarer nicht-linearer Kennlinie oder Überlastschutz für chirurgische Instrumente realisiert. Auch sogenannte thermische Metamaterialien für gezielte Beeinflussung des Wärmestroms (z.B. zur verstärkten Kühlung von Elektronikkomponenten) werden aktuell am PCCL entwickelt und zukünftig auf konkrete Anwendungsfälle übertragen.

Stimuli-responsive Polymersysteme, auch unter "Smart Polymers" oder "intelligente Polymere" bekannt, sind Materialien, die auf äußere Reize wie Temperatur, pH-Wert, Licht, elektrische oder magnetische Felder oder mechanische Belastung gezielt reagieren können. Ihre molekulare Struktur oder physikalische Eigenschaften ändern sich in Abhängigkeit von diesen Stimuli, was sie besonders vielseitig und attraktiv für unterschiedlichste Anwendungsfelder macht. Typische Reaktionen beinhalten Formveränderungen, Farbwechsel, Phasenübergänge oder kontrollierte Freisetzungen von Substanzen. Ein großer Vorteil stimuli-responsiver Polymere ist ihre hohe Präzision und Effizienz: Sie können gezielt aktiviert werden und zeigen oft schnelle, reversible und spezifische Reaktionen, die mit klassischen Materialien schwer zu erreichen wären. Außerdem ermöglichen sie multifunktionale Designs, bei denen mehrere Reize gleichzeitig verarbeitet werden können (multi-responsive Systeme). 

In Bereichen wie der Biomedizin/Pharmazie (z. B. für kontrollierte Medikamentenfreisetzung, Tissue Engineering oder selbstheilende Implantate), der Soft Robotics oder bei selbstheilenden/ -reinigenden Beschichtungen, spielen solche Materialien eine immer wichtigere Rolle. 

Am PCCL versucht man durch Einsatz stimuli-responsiver Polymere klassische Werkstoffe zu revolutionieren und neue Technologien, welche intelligenter und besser anpassbar an individuelle Anforderungen sind, zu ermöglichen.

Das Kompetenzfeld beschäftigt sich mit dem Deformations- und Versagensverhalten von polymerbasierten Faserverbundwerkstoffen unter quasi-statischer und schlagartiger Belastung. Das modern ausgestattete Prüflabor am PCCL ermöglicht eine systematische und umfassende Werkstoffprüfung unter komplexen Beanspruchungsbedingungen (z.B. Temperatur, Medien) vom Prüfkörper bis zum Bauteil. Neben der Ableitung von Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen sowie der Weiterentwicklung von Prüf- und Charakterisierungsmethoden stellt die strukturelle Integrität und Beständigkeit von geklebten Faserverbundstrukturen einen weitere Forschungsschwerpunkt dar. Ergänzt wird die Werkstoffcharakterisierung durch die Entwicklung neuer (biobasierter) Harzformulierungen die lösbare und wiederfügbare Harz- und Klebstoffsysteme ermöglichen oder wesentlich zur raschen und energieeffizienten Aushärtung von Faserverbundmaterialien beitragen. Darüber hinaus wird am PCCL an innovativen Lösungen für das chemische Recycling von Faserverbundwerkstoffen geforscht.

Am PCCL werden die Eigenschaften von Gummimischungen umfänglich bestimmt. Des Weiteren verfügt das PCCL über eine umfangreiche Expertise in der Charakterisierung physikalischer und mechanischer Eigenschaften, in der Bestimmung thermischer Eigenschaften einschließlich Wärmeleitfähigkeit und spezifischer Wärmekapazität, der chemischen Charakterisierung von Gummimischungen sowie der rheologischen Charakterisierung von Elastomeren mittels rotatorischer (stationärer oder oszillatorischer) oder kapillarer Methoden. Umfangreiches Wissen und Erfahrung in der Ermittlung von Materialdaten für die Simulation der Gummiverarbeitung wurde am PCCL aufgebaut.

Die in den letzten Jahren intensiver Forschungsarbeit erworbenen Erfahrungen ermöglichen:

• Eine hochmoderne Charakterisierung von Elastomeren für die Entwicklung von neuen Gummimischungen, zur Qualitätssicherung oder zur Ermittlung von Materialdaten für die Verarbeitungssimulation.

• Eine forschungsorientierte Charakterisierung von Elastomerwerkstoffen zur Rezepturentwicklung.

Die Untersuchung der Rissinitiierung und Rissausbreitung ist entscheidend für die Vorhersage der Lebensdauer eines Gummiprodukts. Unsere Forschungsgruppe verfügt über Erfahrung in bruchmechanischen Untersuchungen an Gummibauteilen mit Schwerpunkt auf der Rissausbreitung unter zyklischer Belastung. Diese Untersuchungen ermöglichen die präzise Bestimmung der Risswachstumsgeschwindigkeit sowie die Abschätzung der Lebensdauer anhand geeigneter Modelle. Die bruchmechanische Charakterisierung steht dabei in Zusammenhang mit der Gummirezeptur und Mikrostruktur.

Die Pulverbett-basierte Additive Fertigung ist eines der drei etablierten Additiven Fertigungsverfahren für Polymere und auch geeignet für die industrielle Serienfertigung. So wie bei allen Additiven Technologien gibt es auch bei diesem Prozess, trotz des bereits hohen Entwicklungsstands, großen Entwicklungsbedarf um die technischen Lücken zu den konventionellen Kunststoffverarbeitungsmethoden wie z.B. Spritzguss zu schließen. 

Am PCCL wurden daher im Zeitraum der letzten 10 Jahre große Kompetenzen im Bereich Polymer-Pulver, Prozess-Knowhow für das klassische Selektive Laser Sintern und Knowhow im Kalt-Sintern aufgebaut. Ein v.a. kommerziell hoch relevantes Thema ist die Pulveralterung während des mehrstündigen Bauprozesses, dass seit mittlerweile Jahrzehnten ungelöst ist. Auch wenn die endgültige Lösung noch aussteht, so konnte das PCCL in mehreren Forschungsprojekten die kombinierten Ursachen für diese Materialalterung identifizieren und sich an verschiedenen Lösungsansätzen beteiligen. Im Zuge dieser Forschungstätigkeit wurden und werden auch eigene Pulvermaterialien entwickelt, wobei hier der Fokus insbesondere auf bio- und Rezyklat-basierten Ausgangsmaterialien liegt.