Energie und Umwelt
> Zum Inhalt

Blickpunkt Forschung: Materialinnovationen @ TU Wien

FM.1 Polyimidherstellung und -Verarbeitung aus wässriger Lösung (AQPolyimid)

Univ.Ass. Dr. Miriam M. Unterlass, MSc, Institut für Materialchemie, FB Molekulare Materialchemie

Hochleistungspolymere sind Kunststoffe, die neben dem für Kunststoffe typischem geringen Gewicht Eigenschaften wie z.B. hohe Stabilität gegenüber hohen Temperaturen, mechanischer Beanspruchung oder aggressiven Substanzen aufweisen. Polyimide sind mitunter die leistungsfähigsten Vertreter der Hochleistungskunststoffe: sie halten Temperaturen von bis zu 700 ˚C sowie aggressiven Chemikalien wie organischen Lösemitteln oder Mineralsäuren stand, und sind zudem flexibel und nicht brüchig sowie elektrisch isolierend. Zu den wichtigsten Anwendungsgebieten von Polyimiden zählen daher flexible Leiterbahnen, die man in unzähligen elektronischen Geräten findet, z.B. in Mobiltelefonen oder Digitalkameras. Weiterhin werden Filterschläuche aus Polyimidfilzen (das sind verfilzte Polyimidfasergewebe) zur Aufreinigung heißer und aggressiver staubhaltiger Abgase von z.B. Baustofffabriken verwendet - eine Anwendung für die kaum andere Kunststoffe zur Verfügung stehen, da kaum andere Kunststoffe derartig harschen Bedingungen standhalten ohne sich zu zersetzen. Leider weisen Polyimide einen großen Nachteil auf - ihre Herstellung. Prozesse zur Polyimidherstellung sind hochgradig toxisch, umweltschädlich und teuer: die Ausgangsverbindungen werden in hochsiedenden organischen Lösemitteln unter Zusatz teurer und giftiger Katalysatoren in einem langwierigen, zweistufigen Prozess umgesetzt. Dennoch ist diese klassische und gängige Herstellungsmethode bis dato unabdingbar: da Polyimide durch ihre große Chemikalienresistenz nicht mehr löslich sind und oftmals auch nicht schmelzbar, kann man sie nicht zu z.B. Fasern spinnen oder Filme aus ihnen ziehen. Da die zuvor genannten Anwendungsgebiete aber die Verarbeitung in Filme (für z.B. flexible Leiterbahnen) oder Fasern (für die Herstellung von Fasergeweben) erfordern, muss der zweistufige Prozess verwendet werden. Das Projekt AQPolyimid befasst sich mit einer kürzlich in der Arbeitsgruppe von Dr. Unterlass entwickelten Methode, mit der Polyimide nun aus wässriger Lösung verarbeitet werden können. Konkret konnten Ausgangsstoffe - sogenannte Monomere -  von Polyimiden hergestellt  werden, die in Wasser in großer Menge löslich sind, und auch aus diesen wässrigen Lösungen in Polyimidfilme und -Fasern umgewandelt werden können. Diese Technologie ist von größtem Interesse für Polyimid-herstellende und verarbeitende Unternehmen: die Technologie benötigt lediglich Wasser und die notwendigen Monomere und bedarf keiner toxischen und teuren organischen Lösemittel oder Katalysatoren. Wasser wird oft im Zusammenhang mit "Grüner Chemie" als "das grünste aller Lösemittel'' bezeichnet. Wasser-basierte Prozesse sind im Zuge des heutigen Bewusstseins für umweltschonende Technologien für die chemische Industrie von größter Bedeutung. Die Bedeutsamkeit des Verfahrens wird zudem deutlich gesteigert, da es obendrein deutlich kostengünstiger als alle gängigen Verfahren ist.

Aufgrund sensibler Daten ist die Präsentation nicht online verfügbar. Bitte wenden Sie sich bei Interesse direkt an die Vortragende.

FM.2 Christian Doppler Labor für anwendungsorientierte Schichtentwicklung

Projektass. Dr. Vincent Moraes, Univ.Ass. Dr. Helmut Riedl, Institut für Werkstoffwissenschaften und Werkstofftechnologie, FB Werkstoffwissenschaft

Um den hohen Anforderungen moderner Industrieprozesse zu genügen, reicht oftmals die Verbesserung des Grundwerkstoffs nicht aus. Die Modifikation der Oberfläche durch das Aufbringen hauchdünner (µm-Bereich) keramischer Schichten mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) bietet hierzu eine wertvolle Alternative um beispielsweise erhöhten mechanischen Beanspruchungen standzuhalten. Vor allem die Möglichkeit dabei Materialien zu kreieren, die sich fernab ihres thermodynamischen Gleichgewichts befindet, erklärt den steigenden Einsatz solcher Schichten in der Werkzeug-, Elektronik-, oder auch Flugzeugindustrie. Speziell bei spanabhebenden Prozessen (Drehen, Fräsen, Bohren, etc.) haben sich dabei verschiedenste Schichtsysteme der Materialklasse der Nitride (z.B., TiN, TiAlN, AlCrN, etc.) etabliert. Durch Zulegieren weiterer Legierungselemente, dem architektonischen Aufbau (sogenannte Multilagenschichten) oder dem Optimieren der Morphologie solcher Schichten, können gezielt die thermischen und mechanischen Eigenschaften verbessert und an die individuellen Anforderungen verschiedenster Anwendungen angepasst werden.
Im Zuge des Christian Doppler Labors für anwendungsorientiere Schichtentwicklung wurden, neben der Optimierung von bekannten Schichtsystemen (hinsichtlich der thermischen Eigenschaften oder auch Oxidationsbeständigkeit), auch gänzlich neue Materialien und Schichtarchitekturen designt, synthetisiert und auf deren Eigenschaften untersucht. Durch den Einsatz verschiedener Methoden, angefangen von der Modellierung mittels Dichtefunktionaltheorie (DFT), bis hinzu verschiedensten Synthesewege und dem „Up-Scaling“ auf Industriemaschinen, werden diese Schichten vom atomaren Aufbau bis zum Einsatz in der tatsächlichen Anwendung entwickelt.
Keywords: Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), keramische Hartstoffschichten

Projektwebsite

Präsentation Riedl

FM.3 Miniaturisierung in der Elektronik (Embedded DIE Design Environment & Methodology for Automotive Applications)

Ao.Univ.Prof. Dr. Johann Nicolics, Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme, FB Angewandte Materialwissenschaften in der Elektronik (AEM)

Stellt die Embedding-Technologie eine ausreichende Lösungsvielfalt in Aussicht?
Treibende Kräfte für das Fortschreiten der Miniaturisierung gibt es mehrere: Weitere Steigerung der Funktionalität elektronischer Geräte bei etwa gleich bleibenden oder sogar sinkenden Abmessungen; Steigerung der Geschwindigkeit elektronischer Funktionen (sowohl in der Telekommunikation als auch in leistungselektronischen Anwendungen); Senkung der Herstellkosten. Diesem widersprüchlich klingenden Anforderungsprofil stellen sich auch zahlreiche österreichische Industriebetriebe mit herausfordernden kooperativen Forschungsprojekten mit Universitäten, wobei erfolgreiche Lösungen sehr häufig auf Fortschritten der Materialforschung beruhen und in Kombination mit Verfeinerungen von Herstellprozessen und aufwendiger Design-Optimierung erzielt werden. Vor diesem Hintergrund werden zwei Beispiele gezeigt, bei denen solche extremen Anforderungen mit Hilfe der Embedding-Technologie – also durch Einbetten funktionaler Komponenten in den Schaltungsträger erfüllt werden können. An Hand eines Beispiels – einer hoch komplexen, intelligenten und mit Hilfe der Embedding-Technologie extrem miniaturisierten Kamera für die Automobilindustrie – wird ein tiefer Einblick in den Design-Optimierungsprozess gewährt, der heute vielfach eine multiphysikalische Modellierung voraussetzt. Hierbei werden unter anderem nicht nur die praktisch auftretenden Hürden bei der Nutzung von Designdaten für kommerziell erhältliche Simulationsprogramme aufgezeigt, sondern auch Lösungen erörtert, die im Rahmen des Forschungsprojektes erarbeitet wurden. Ferner wird deren erfolgreiche Anwendung an Hand der thermischen Optimierung dieses Camara-Moduls gezeigt.

Projektwebsite

Präsentation Nicolics

FM.4 Innovativer Gussasphalt zur Energie- und Emissionseinsparung (iMAS)

Projektass. Dipl.-Ing. Mariyan Dimitrov, Institut für Verkehrswissenschaften, FB Straßenwesen

Interdisziplinäres Forschungsprojekt, in dem innovative Methoden zur Temperaturabsenkung von Gussasphalt entwickelt wurden. Gussasphalt ist ein spezieller Baustoff, der vor allem im Straßenbau und als Abdichtungsmaterial eingesetzt wird. Aufgrund der speziellen Anwendungform, er ist selbstverdichtend, anders als andere Asphalttypen, muss er bei hohen Temperaturen (>200°C) produziert und eingebaut werden. Daraus ergibt sich ein hoher Energieverbrauch und hohe Partikelemissionen. Im Rahmen des FFG und Industrie kofinanzierten Forschungsprojekts wurde eine Methode entwickelt, bei der durch gezielten Ersatz von Kantkorn durch Rundkorn eine Temperaturabsenkung um bis zu 50°C erreicht werden kann. Dies wurde zunächst auf Laborebene entwickelt und anschließend bis zum Einbau einer Probestrecke auf dem Straßennetz der Stadt Wien zur Reife gebracht. Flankierend wurden Partikelemissionsmessungen (IMC, Prof. Grothe) und eine Lebenszyklusanalyse (IWR, Prof. Rechberger) durchgeführt. Es zeigt sich, dass die Partikelemissionen um 70% gesenkt werden können, dass diese im speziell gesundheitsrelevanten Bereich um und unter 1µm liegen und dass über den Lebenszyklus gesehen, deutlich Energie und Kosten eingespart werden können.

Präsentation Dimitrov

FM.5 3D-Druck Beton

Dr. Herwig HenglInstitut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen
Umair Hussain, PrintStones GmbH

Print Stones entwickelte ein 3-D Druckverfahren für zementöse Materialien, durch das Bauteile direkt auf der Baustelle in beliebiger Form gefertigt werden können. PrintStones ist ein Wiener Start-up, das sich mit der Automatisierung im Baubetrieb beschäftigt. Im Zentrum steht die Entwicklung von 3-D-Druckverfahren für Beton und andere zementöse Materialien, die vor Ort auf der Baustelle zum Einsatz kommen.

Flexibel vor Ort: Der Kunde kann mithilfe des PrintStones-Verfahrens Bauteile in beliebiger Form, Farbe und Oberflächenstruktur direkt auf der Baustelle fertigen. Dadurch entfallen sowohl Transportwege als auch Kosten für den Einbau der Teile. Außerdem reduziert das Fertigungsverfahren von PrintStones die CO2- und Feinstaubbelastung während des Bauens. Besonders geeignet ist das patentierte Verfahren für die Fertigung von druckbeanspruchten Bauteilen im Tiefbausegment. Die momentane Druckgeschwindigkeit liegt bei etwa 15 Zentimetern pro Sekunde.

Feines Zusammenspiel: Aus Sicht der Gründer liegt die Herausforderung in der Optimierung der Systemparameter, damit das Zusammenspiel von Maschinenkomponenten, Umweltbedingungen, Materialien und 3-D-Modellen problemlos funktioniert. 2019 soll der Baustelleneinsatz gemeinsam mit ausgewählten Pilotkunden getestet werden.

Testmodule in 3D: PrintStones ist ein Spin-off der TU Wien. Die Geschäftsidee entstand bei der Entwicklung eines Simulationstools, das für Spannungs- und Verformungsanalysen von beanspruchten Bauteilen herangezogen werden kann. Zur Verifizierung der Simulationsergebnisse mussten die vorerst virtuellen Bauteile nachgebaut und belastet werden. Da dies ein sehr kostenintensiver und zeitaufwendiger Prozess ist, wurde nach einer Möglichkeit gesucht, die Bauteile automatisiert direkt aus 3-D-Modellen zu erstellen.

Präsentation Hussain

Anmerkung:

Die vorliegenden Präsentationen sind interne Projektdokumentationen, die hier laut §42g UrhG den Teilnehmer_innen der Veranstaltung „Blickpunkt Forschung: Materialinnovationen @ TU Wien am 19.09.2018" zur Ansicht zur Verfügung gestellt werden. Eine Verbreitung des Materials insbesondere zu kommerziellen Zwecken ist nicht gestattet. Darüber hinaus ist ein weiteres Online-Stellen der Unterlagen nicht zulässig.