JRG: Adaptive Verarbeitung von Biobasierten Werkstoffen

Forschungs-Motivation

Angesichts schwindender fossiler Ressourcen und der damit verbundenen Umweltauswirkungen ist der Übergang zu biobasierten und nachhaltigen Materialien weltweit von zentraler Bedeutung. Die Entwicklung innovativer Werkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen bietet das Potenzial, die biologische Vielfalt der Natur für nachhaltige Anwendungen zu nutzen. Pflanzen gehören hierbei zu den wichtigsten Biomasseproduzenten. Ein wesentlicher Aspekt ist dabei, dass bei der Herstellung biobasierter Werkstoffe keine Rohstoffe verwendet werden, die für die Lebensmittelproduktion benötigt werden. Die Integration biobasierter Abfall- und Brennstoffe in einen nachhaltigen Stoffkreislauf stellt eine attraktive Lösung dar. Es ist jedoch notwendig, zahlreiche Herausforderungen zu überwinden, um diese Biomassen erfolgreich zu rezyklieren und in zirkuläre Werkstoffkonzepte zu integrieren, welche den mechanischen Anforderungen entsprechen. Dieser Innovationsschritt würde das Einsatzpotential von biobasierten Materialien in großen Industriezweigen wie z.B. der Mobilität stark verbessern. Als weiterer, nachhaltiger biobasierter Werkstoff bietet Holz, sowohl in naturnaher Form als auch als modifizierter Werkstoff, aufgrund hervorragender mechanischer Eigenschaften bei gleichzeitig positiver CO2-Bilanz, hoher Verfügbarkeit und vergleichsweise geringen Kosten ein enormes Anwendungspotenzial.

Vorgehensweise

Im Rahmen der Joint Research Group 3 (JRG 3) „Adaptive Verarbeitung von biobasierten Werkstoffen“ wird das Ziel verfolgt, stückzahlfähige Fertigungsprozesse für die Herstellung hochbelastbarer Bauteile aus nachwachsenden Materialien zu entwickeln. In der JRG 3 wird institutionenübergreifend mit Partnern der TU Braunschweig (Institut für Füge- und Schweißtechnik, Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik, Institut für Mechanik und Adaptronik), der Ostfalia Hochschule (Institut für Recycling) sowie der Fraunhofer-Gesellschaft (Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik) geforscht. Durch eine intensive Vernetzung zu den drei weiteren JRGs wird ein Austausch und synergetische Nutzung von Forschungsergebnissen ermöglicht. Die JRG 3 adressiert spezifisch die variierenden Eigenschaften natürlicher Rohstoffe. Hierbei wird die gesamte Produktionskette abgebildet, um geeignete Produktions- und Werkzeugkonzepte zu entwickeln. Biobasierte Kunststoffsysteme, die nicht in Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion stehen, werden untersucht und deren Recyclingfähigkeit für eine funktionierende Kreislaufwirtschaft evaluiert. Zusätzlich werden recyclingorientierte Funktionsintegrationen sowie geeignete Zustandsmonitoring-Verfahren implementiert. Die erarbeiteten Konzepte durchlaufen eine umfassende Evaluation mit Fokus auf die Skalierbarkeit der Ergebnisse.

Ansätze und Nutzen (Projektziele)

Der Projektteil 3-1 zielt darauf ab, den Konflikt zwischen biobasierten Werkstoffen und konstanter Produktqualität zu lösen. Hierbei wird eine Verarbeitung angestrebt, die bereits beim Rohstoffausgang die Prinzipien der Kreislaufwirtschaft und recyclingorientierte Funktionsintegration berücksichtigt. Die Arbeitspakete umfassen die Identifikation geeigneter Funktionskomposite für den Übergang von Verkleidungsteilen zu Strukturbauteilen, die Inline-Charakterisierung von Werkstoffen zur Erstellung anpassbarer Materialkarten mit KI-Methoden und die Entwicklung adaptiver Verarbeitungsprozesse, um hohe Produkteigenschaften sicherzustellen. Zudem werden Funktionsdemonstratoren erstellt und Recyclingkonzepte erprobt.

Der Projektteil 3-2 hat das Ziel, integrative Prozesse für ressourceneffiziente und nachwachsende Rohstoffe durch umformende und zerspanende Verfahren zu entwickeln. Hierzu werden Anforderungen analysiert, Ergonomie und Sicherheit in den Fokus gerückt sowie die Hybridisierung zur Integration struktureller und nicht-struktureller Funktionen biobasierter Komponenten untersucht. Arbeitsprozesse werden automatisiert und für eine skalierbare Produktion optimiert.