Alle Forschungsaktivitäten des PAT-Zentrums im Überblick

Aufbau KI-gestützter geschlossener Kreisläufe für B2B-Textilien aus Baumwoll-Polyester-Mischungen auf der Basis chemischen Upcyclings

Das Projekt KICKup untersucht den Übergang zwischen dem Ende des Produktlebens und dem Recycling neuer Fasern durch die Optimierung von Stoffströmen am Beispiel von Textilien aus Zellulosefasern und Polyester.

Konkret stehen B2B-Textilien im Fokus, die als Flachwäsche (Bettwäsche, Tischwäsche, Frottierwäsche) oder Berufsbekleidung (z.B. Kasacks und Kittel) in industriellen Wäschereien (Textilleasing) aufbereitet werden und am Ende ihrer Nutzungsphase durch Rückführung in den Faserkreislauf einen wichtigen Beitrag zur Ressourcenschonung und Umweltentlastung leisten können. Ziel ist es, die Kreislaufführung von Cellulosefasern (Natur- und Regeneratfasern) auf die Ebene wiederholbarer Kreisläufe zu heben.

Dazu soll eine Anlage entwickelt werden, die mit Hilfe von künstlicher Intelligenz (KI) Alttextilien automatisch nach ihrer Materialzusammensetzung sortiert.

Ansprechpersonen: Prof. K. Rebner (PAT), Fr. B. Boldrini (PAT), Hr. K. Nebel (Texoversum)

Entwicklung einer automatisierten Prozessanalytik für die Digitalisierung von Misch- und Dosierungsprozessen von Kühlmittelschmierstoffen bei Werkzeugmaschinen

Kühlmittelschmierstoffe (KSS) dienen in der Fertigungsindustrie beim Fräsen, Umformen oder Trennen auf Werkzeugmaschinen der Wärmeabfuhr und vermindern die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück durch Schmierung. Zusätzlich werden Späne durch Abspülen entfernt und sorgen mit einem Korrosionsschutz für eine bessere Oberflächengüte der Werkstücke. Die Anforderungen an KSS sind in den letzten Jahren aufgrund neuentwickelter Werkstoffe, moderner Bearbeitungsmaschinen und komplexeren Prozessschritten stetig gestiegen und müssen auch den immer strenger werdenden ökologischen Vorschriften gerecht werden.

Durch regelmäßige Kontrollen, Anpassungen der Mengenverhältnisse und Filtrationsschritte können KSS effizient über eine längere Zeit eingesetzt werden. Hierzu benötigt es verlässliche und kontinuierliche Messverfahren, um chemische und physikalische Veränderungen frühzeitig zu erkennen und diesen entgegenwirken zu können. Dabei gilt es, verschiedenste Parameter zu erfassen und auszuwerten. Wichtige Parameter sind hierbei die Konzentration, pH-Wert, Nitritgehalt, Fremdölanteil, Keimzahl, Härte des Ansetzwassers, sowie Schaum- und Korrosionsverhalten. Viele dieser Parameter sind heute nur durch zeitintensive Laborversuche quantitativ zu ermitteln und liefern daher zeitverzögert Ergebnisse. In der betrieblichen Praxis werden wöchentlich Proben entnommen und mit einfachen Methoden im Labor analysiert oder bei Bedarf an spezielle Auftragslabore zur Analyse verschickt. Wenn die Anforderungen an die KSS jedoch nicht mehr eingehalten werden können, muss meist die gesamte Mischung ausgetauscht und entsorgt werden. Dabei fallen deutschlandweit jährlich mehr als 700 000 Tonnen Abfall in der Metall- und Kunststoffindustrie an (Quelle: Statistisches Bundesamt, Abfallentsorgung - Fachserie 19 Reihe 1, 2019).

Im Projekt wird eine echtzeitfähige und selektive On-Line Methode zur Analyse mehrerer Qualitätsparameter von wassermischbaren KSS-Emulsionen entwickelt, welche automatisiert alle relevanten Parameter kontinuierlich vorhersagt, Maßnahmen zur Korrektur vorschlägt und Rückschlüsse auf die Qualität der von der Werkzeugmaschine hergestellten Werkstücke zulässt. Die frequenzabhängigen Eigenschaften der Emulsionen werden im optischen nahen Infrarot (NIR) sowie mittels dielektrischer Spektroskopie auf Basis von Dipol-Dipol-Wechselwirkungen gemessen. In Voruntersuchungen konnte gezeigt werden, dass beide Messtechniken für den Anwendungsfall geeignet sind, jedoch für sich allein betrachtet nicht selektiv genug sind. Mit einem daten-getriebenen Prozessmodell beider Spektroskopietechniken sollen ganzheitlich die chemischen und morphologischen Änderungen während der Benutzung zielgenau beurteilt werden. Im Vordergrund des Vorhabens steht die Integrationsfähigkeit von Qualitätssensoren auf Basis Spektroskopie für Industrie-4.0-Strukturen und der Digitalisierung von Misch- und Dosierungsprozessen.

Ansprechpersonen: Prof. K. Rebner, Fr. M. Knoblich, Fr. D. Karavasili-Schreiner

OPTISCHE SPEKTROSKOPIE FÜR DIE 3D-DRUCK-PROZESSKONTROLLE

Im Rahmen des Projekts soll eine spektroskopische Messtechnik im nahen Infrarotbereich (NIR) entwickelt werden, die

1. Ausgangsmaterialien vor dem Druck auf Ihre Eignung hinsichtlich der Qualität hin beurteilt,
2. die Qualität während des Druckes auf chemisch-physikalische Materialparameter überwacht und
3. nach dem Druck eine Rückverfolgbarkeit der Prozessbedingungen nach dem 3D-Druck ermöglicht. Aktuell gibt es noch kein System auf dem Markt, welches die Materialeigenschaften basierend auf chemisch-physikalische Eigenschaften hin untersucht.

Ansprechperson: Dr. rer. nat. Dimitri Golovko

TextileSENSOR Projekt

Das Textilsensorprojekt zielt darauf ab, einen geeigneten Sensor für Textilunternehmen zu entwickeln, der ihnen bei der Identifizierung von Fremdstoffen auf ihren Textilien unterstützt. Dabei werden die Eigenschaften der Beschichtung, deren Gleichmäßigkeit und Morphologie erfasst, sowie die Effizienz der Beschichtung analysiert. Dies wird die Gesamtqualität des Textilherstellungsprozesses verbessern.

Ansprechpersonen: Prof. K. Rebner, Hr. M. Ashutosh, Fr. B. Boldrini

Das VerbundProjekt DiTex - Ressourceneffiziente Kreislaufwirtschaft

Das Verbundprojekt DiTex – Digitale Technologien als Enabler einer ressourceneffizienten kreislauffähigen B2B-Textilwirtschaft wird im Rahmen der Fördermaßnahme „Ressourceneffiziente Kreislaufwirtschaft – Innovative Produktkreisläufe (ReziProK)“ gefördert. „ReziProK“ ist Teil des BMBF-Forschungskonzeptes „Ressourceneffiziente Kreislaufwirtschaft“ und unterstützt Projekte, die Geschäftsmodelle, Designkonzepte oder digitale Technologien für geschlossene Produktkreisläufe entwickeln.

DiTex entwickelt Produktdesignprozesse für hochwertiges Textilrecycling, pilotiert zwei kreislaufgeführte Textilproduktlinien aus recycelten Fasern zusammen mit Textilunternehmen und bewertet deren Qualitäts-, Ressourcen- und Nachhaltigkeitseffekte. In einer einjährigen Testphase werden umfangreiche technologische und spektroskopische Tests, Wasch- und Trageversuche durchgeführt.

Die Hochschule Reutlingen übernimmt im Projekt die Betreuung des Produktdesignprozesses, ausgehend vom Rohstoff, über die Produktanpassung, bis zur Wiederverwertung und der Pilotierungsunterstützung

Onlinefähige spektroskopische Verfahren sollen in Echtzeit Informationen über chemische (Materialqualität) und morphologische (Materialtextur) Parameter der entwickelten Textilien liefern, die für eine Vorhersage der Anteile recycelter Materialien und der Nutzungsdauer im Kreislaufprozess verwendet werden kann. Die technologischen und spektralen Informationen werden mit Methoden der multivariaten Datenanalyse verdichtet, ausgewertet und klassifiziert.

Ansprechpersonen: Prof. K. Rebner, Hr. Dipl. Ing. Nebel (Texoversum); B. Boldrini und Fr. Gerbig (Texoversum)

Entwicklung eines neuartigen NIR-Spektroskopie-Sensors zur kontinuierlichen Überwachung des Zustandes von Hydraulikölen mittels simultaner Messung aller relevanter Ölalterungsmechanismen zur Wiederaufbereitung

Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines Nahinfrarot- und eines optionalen Fluoreszenz-Sensorsystems zur inline-Detektion von Alterungs- bzw. Zersetzungserscheinungen in Hydraulikölen zur Ermöglichung einer fortwährenden Qualitätskontrolle und zur ggf. teilweisen Wiederaufbereitung der Öle. In diesen Sensoren wird elektromagnetisches Licht aus dem Wellenlängenbereich zwischen 400 und 2500 nm auf das Öl gerichtet, wobei durch zwei Detektoren die Absorptions- bzw. Transmissionssignale sowie die durch die Fluoreszenz emittierte Strahlung gemessen werden. Hierdurch sollen Zersetzungsmechanismen bzw. eine Qualitätsverschlechterung des Öls festgestellt werden, da durch Schädigungen des Öls spektrale Veränderungen in den überlappenden Bandenspektren zu erwarten sind. Es werden die Sensorkomponenten in Form der Messzelle in der Größenordnung von 1 - 2 cm pro Raumrichtung entwickelt, bevor die Entwicklung eines Prototypen unter Verknüpfung einer ebenso zu entwickelnden Ausleseelektronik erfolgt. Dabei wird für den Sensor eine Abmessung von ca. 2,5 cm ∙ 2 cm ∙ 8,5 cm anvisiert. Dieser kann mit einer Bypass-Ölaufbereitung bzw. mit einem neuartigen Versuchsstand verknüpft werden, deren Entwicklung Gegenstand des letzten Teils des Projektes ist. In Abbildung 1 ist die Zielstellung des Projektes dargelegt.

Ansprechpersonen: Prof. K. Rebner, Prof. M. Brecht, Fr. M. Knoblich, Dr. rer. nat. D. Golovko

Miniaturisiertes Sensorsystem für die Inline/Online Wasseranalytik

Das Ziel des gemeinsamen Projektvorhabens ist die Untersuchung und Entwicklung eines miniaturisierten Sensorsystems für die Inline/Online Wasseranalytik, dass die Möglichkeiten und Vorteile der optischen Spektroskopie nutzt und so eine schnelle, umfassende und aussagekräftige Analyse für ein breites Anwendungsspektrum erlaubt. Im Vordergrund steht die Entwicklung eines Detektionssystems von Bakterien in Schwimmbädern und Wasserbecken in Wellnessbereichen wie Hotels oder SPA-Einrichtungen.

Mit Hilfe spektraler Methoden, insbesondere der Fluoreszenzspektroskopie, in Kombination mit multivariater Modellentwicklung aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz, soll im Projekt eine kostengünstige online/inline Messzelle für die Erfassung der mikrobiologischen Belastung in Schwimmbädern entwickelt werden. Damit soll direkt gemessen werden können, ob einerseits eine Belastung im Schwimmbecken selbst vorliegt und andererseits das Aufreinigungsverfahren des Wassers in der Anlage ausreichend ist. Dadurch kann nicht nur die Hygiene verbessert werden, sondern auch durch Prozessoptimierung Zeit und Kosten eingespart werden.

Ansprechpersonen: Prof. K. Rebner, Prof. M. Brecht, Fr. M. Knoblich

Entwicklung einer Polyelektrolyt-basierten Stent-Beschichtung

Zentrales Ziel dieses Projektes ist es, eine neuartige Polyelektrolyt-basierte Stent-Beschichtung zu entwickeln und deren Interaktion mit biologischen Systemen zu erforschen. In unserem PAT-Zentrum konzentrieren wir uns auf die Entwicklung der Analysemethoden zur Charakterisierung der Qualität der erhaltenen Beschichtung. Zu diesem Zweck werden verschiedene spektroskopische Methoden mit einer multivariaten Datenanalyse kombiniert, um das Qualifizierungsverfahren für die gesamte modifizierte Stentoberfläche zu bestimmen. Darauf folgt die Entwicklung eines automatisierten instrumentellen Ansatzes zur Quantifizierung der Qualitätsstandards (gemäß der neuen EU-Medizinprodukteverordnung MDR 2017/745).

Ansprechpersonen: Prof. K. Rebner und Hr. Junginger

Prozessanalytik von Getränkeinhaltsstoffen

Neue, innovative und zuckerreduzierte Getränke enthalten eine Vielzahl an unterschiedlichen, zum Teil auch natürlichen Inhaltsstoffen mit saisonalen und lokalen Qualitätsunterschieden. Viele dieser natürlichen Rohstoffe weisen dann eine entsprechende Schwankungsbreite auf und unterscheiden sich auch bei gleichbleibendem Herstellungsprozess dennoch bei der Gesamtzusammensetzung des Getränks. Deshalb wird immer häufiger die stichprobenartige Laboranalyse durch die vollautomatisierte Prozessanalysentechnik (PAT) ersetzt. In Zusammenarbeit mit einem Instrumentenhersteller entwickeln wir für das genannte Ziel ein spektroskopisches Verfahren, das auf der Wechselwirkung von Licht mit Materie basiert. Daraus resultiert eine multimodale Flüssigkeitsanalyse zur Bestimmung streuender Matrizes.

Ansprechpersonen: Prof. K. Rebner, Dr. E. Ostertag und Dr.-Ing. D. Rabus

NDSens – Entwicklung eines Nassdampfsensors zur effizienten Regelung von Kaltdampfkältemaschinen

Im Projekt NDSens wird gemeinsam mit Industriepartnern ein spektroskopischer Sensor zur Erfassung des thermodynamischen Zustands von Kältemitteln in Kälteanlagen entwickelt. Hier soll der Anteil von flüssigem Kältemittel in der Saugleitung des Kompressors einer Kälteanlage bestimmt werden, damit letzterer keinen Schaden durch Flüssigkeitseintrag erleidet. So ermöglicht es der Sensor durch Angabe dieses kritischen Qualitätsparameters die Kälteanlage durch Prozessautomation in einem sicheren Zustand mit optimiertem Wirkungsgrad zu betreiben.

Ansprechpersonen: Prof. K. Rebner und T. Drieschner

Prozessanalytik mittels Time-Gate-Raman-Spektroskopie für die Kontrolle und Steuerung von Prozessen in den Lebenswissenschaften

 Mehr erfahren auf der Projektseite der Photonikforschung.

Ansprechperson: Prof. K. Rebner, Hr. Ostertag, Fr. Boldrini

Entwicklung eines Vaskularisationssystems für 3D-Zellaggregate

Im Rahmen des Projekts wird ein biokompatibles vaskuläres Kanalsystem für 3D-Zellkulturen mit besonderem Fokus auf Tumorsphäroide entwickelt und implementiert. Mit Hilfe von Computersimulationen und der hochpräzisen Zwei-Photonen-Lithographie soll ein feingliedriges Kanalsystem entwickelt, gedruckt und mit Zellsphäroiden besiedelt werden. Das Kanalsystem soll als Versorgungsstruktur die Bildung des nekrotischen Kerns verhindern und somit die Züchtung von Sphäroiden bisher unerreichbarer Größe ermöglichen. Dadurch wird ein in-vitro Zellmodell geschaffen, welches den in-vivo Zustand gut nachbildet und ein modernes tierversuchsfreies Verfahren darstellen soll. Die Sphäroide werden zudem mit verschiedenen spektroskopischen Methoden, wie Infrarot (IR) und Raman-, UV/Vis-, elastischer Streulichtspektroskopie und 3D-Imagingverfahren charakterisiert. Das Projekt folgt einem interdisziplinären MINT-Ansatz, basierend auf Strömungssimulationen, 3D-Mikrostrukturen, 3D-Zellkultur und physikalisch-chemischer Analytik gekoppelt an multivariate statistische Auswertung.

Ansprechpersonen: Prof. M. Brecht, M. Bassler, Dr. A. Lorenz, A. Wagner

Entwicklung eines faseroptischen Sensors zur Bestimmung der Zellviabilität in Bioreaktoren

Zunehmend werden Medikamente in biotechnologischen Prozessen hergestellt. Hier werden u. a. tierische Zellen genutzt, um rekombinante Antikörper, z. B. zur Behandlung rheumatischer Erkrankungen, zu gewinnen. Für den Erfolg der Herstellungsprozesse bedürfen diese empfindlichen Zellen der sorgsamen Überwachung durch prozessanalytische Methoden. Im Entwicklungsprojekt Viazell entwickeln wir gemeinsam mit Partnern aus der Industrie eine Sondentechnologie zur spektroskopischen Bestimmung wichtiger Qualitätsparameter in tierischen Zellkulturen. Mit Hilfe der UV/VIS-Spektroskopie und multivariaten Methoden, wie der Multivariate Curve Resolution (MCR), sollen kritische Parameter, wie die Zellviabilität, bestimmt werden.

Ansprechpersonen: Prof. K. Rebner, Hr. T. Drieschner, Dr. S. Nellinger

Erforschung des Potentials spektroskopisches Methoden zur Überwachung eines Mikroreaktors zur Synthese von Biodiesel (Mittelbauprogramm)

Im Rahmen dieses Projektes soll untersucht werden, inwiefern spektroskopische Sensoren z. B. Nahinfrarotsensoren wertvolle Informationen über den Prozessfortschritt chemischer Synthesen geben können. Am Beispiel der Gewinnung von Biodiesel in einem kontinuierlichen Mikroreaktor wird die Ausbeute direkt im Prozess erfasst. Dazu werden die umfangreichen spektralen Informationen des Sensors mit Methoden der multivariaten Datenanalyse (MVA) ausgewertet. Auf diesem Weg soll es mögliche sein dem Prozessleitsystem kritische Qualitätsparameter zu übermitteln, um den Prozess optimal zu regeln.

Ansprechpersonen: Prof. K. Rebner, Hr. T. Drischner

Verschiedene Arten von Rohbaumwolle wurden sowohl mit einem kommerziellen UV-Vis/NIR-Spektrometer (210-2200 nm) als auch mit einem selbstgebauten Aufbau für NIR-Hyperspectral-Imaging (NIR-HSI) im Bereich 1100-2200 nm untersucht. Die UV-Vis/NIR-Reflexionsspektroskopie zeigt die dominante Rolle von Proteinen, Kohlenwasserstoffen und Hydroxylgruppen in der Struktur der Baumwolle. NIR-HSI zeigt ein ähnliches Ergebnis. Experimentell gewonnene Daten in Kombination mit der Hauptkomponentenanalyse (PCA) ermöglichen eine generelle Unterscheidung verschiedener Baumwollsorten. Für die UV-Vis/NIR-Spektroskopie repräsentieren die ersten beiden Hauptkomponenten (PC) 82 % und 78 % der gesamten Datenvarianz für den UV-Vis- bzw. NIR-Bereich.

Für NIR-HSI hingegen wurden aufgrund der großen Menge an erfassten Daten zwei Methoden zur Datenverarbeitung in niedriger und hoher lateraler Auflösung angewandt. Bei der ersten Methode wurde der Durchschnitt der Spektren einer Probe berechnet und bei der zweiten Methode wurden die Spektren jedes Pixels verwendet. Beide Methoden sind in der Lage, ≥90 % der Gesamtvarianz durch die ersten beiden PCs zu erklären. Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, anhand einiger ausgewählter Wellenlängenbereiche zwischen verschiedenen Baumwollarten zu unterscheiden. Die Kombination von HSI und multivariater Datenanalyse hat aufgrund der kurzen Erfassungszeit und der kostengünstigen Entwicklung ein starkes Potenzial in der industriellen Anwendung. Diese Studie eröffnet eine neue Möglichkeit für eine Weiterentwicklung dieser Technik in Richtung realer großtechnischer Prozesse.

Ansprechpersonen: Prof. M. Brecht und M. Alktash

Sortierung von Wertstoffen mit Hilfe von intelligenten & lernenden hyperspektralen Kamerasystemen

Im Projekt HyperSPEC werden alte und neue Analyseverfahren kombiniert, um effiziente, innovative und zukunftsfähige Verfahren zur Müllsortierung zu entwickeln. Wir setzen dabei zum einen auf bewährte chemometrische Verfahren um spektrale Daten zu verarbeiten, wie z.B. der Hauptkomponentenanalyse (PCA), und zum anderen auf den Einsatz neuartiger Methoden im Bereich der künstlichen Intelligenz (KI). Hier bietet sich vor allem der Einsatz sogenannter künstlicher neuronaler Netze (KNN) geradezu an. Damit können bereits vorhandene oder ständig neu gewonnene Erkenntnisse von einer Software aufgenommen werden, welche sich dadurch kontinuierlich weiterentwickeln kann. Die gewonnene Expertise ist nicht auf das spezielle Problem der Müllsortierung beschränkt und wir versprechen uns dadurch breite Anwendungsmöglichkeiten unserer Verfahren in verwandten und praxisrelevanten Problemfeldern.

Ansprechpersonen: Prof. Rebner, B. Boldrini, A. Stuhl

Multiphoton analysis for online tumor margin determination

Cancer is the second leading cause of death in Germany. Surgical interventions to remove tumors are among the common forms of therapy. In order to maintain the function of the organs affected by the cancer as far as possible, it is desirable to specifically remove only diseased tissue. In microscopically controlled surgery, tissue samples are taken during the surgical procedure (biopsy) and colored using various histological methods and examined under the microscope. The samples are sent from the operating room to the pathology department and analyzed there. A result is typically only available after 20-40 minutes, and the surgeon can end or resume the operation to completely remove the tumor. The aim of the project is to develop an analysis method for the rapid determination of the tumor margins during the ongoing operation. In order to obtain a wide range of analytical possibilities, the method should be based on a combination of multiphoton microscopy and online spectroscopy or imaging. The idea of ​​this project is to use cell suspension during the operation to determine the tumor margins.

Contacts: Prof. M. Brecht, Prof. K. Rebner, Dr. A. Lorenz, M. Knoblich

Vergleich unterschiedlicher experimenteller Ansätze zur spitzenverstärkten Ramanspektroskopie

In der medizinischen Diagnostik stellen hochauflösende, bildgebende spektroskopische Techniken (Chemical Imaging) ein zukunftsweisendes Feld dar, dessen Potential insbesondere unter dem Aspekt der individualisierten Medizin noch lange nicht ausgeschöpft ist. Diese Techniken ermöglichen es, chemische Informationen zusammen mit Oberflächenbeschaffenheiten auf der Nanoskala zu erfassen. Die spitzenverstärkte Ramanspektroskopie (TERS) ist dafür ein besonders vielversprechender Kandidat, weil sie ohne Markersubstanzen auskommt.

Eine der wesentlichen Fragen, die einen kommerziellen Einsatz von TERS bisher hemmen, ist die scheinbar mangelnde Vergleichbarkeit der Ergebnisse, die an verschiedenen TERS-Systemen gewonnen wurden. Im Rahmen dieses Projekts nutzen wir die einmalige Gelegenheit, dass in der Region Reutlingen/Tübingen drei TERS-Systeme mit vier verschiedenen experimentellen Ansätzen zur Verfügung stehen. Unter diesen Voraussetzungen ist ein geräteübergreifender Vergleich mit den exakt gleichen Proben und Messprotokollen möglich. Damit können erstmals die experimentell bedingten Unterschiede komplett eingegrenzt werden. Dieser Vergleich ermöglicht es, die Vor- und Nachteile der Geräte klar zu definieren und die zukünftigen Einsatzgebiete festzulegen.

Im Hinblick auf den potentiellen Einsatz von TERS in der medizinischen Diagnostik sollen parallel hierzu Gewebeschnitte von Gehirntumoren (Gliome) untersucht und charakterisiert werden.

Ansprechpersonen: Prof. M. Brecht, A. Mukherjee, Dr. A. Lorenz

Biochip zur Optimierung von Biomaterialien

Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines Biochips zur Untersuchung biologischer Wechselwirkungen, insbesondere der Reaktionen von Zellen auf strukturierten und chemisch modifizierten Polymeroberflächen. Zu diesem Zweck wurde ein Spritzgussverfahren entwickelt, das die Herstellung solcher oberflächenstrukturierter Biochips aus verschiedenen Polymeren ermöglicht.

Der Prozess besteht aus der Kombination des Mikro- und Nano-3D-Druckes mit zwei Lithografischen Abformungsmethoden.

Der 3D-Druck dient im ersten Schritt der Strukturierung und Formgebung der Oberflächen. Aufgrund der additiven Fertigungstechnik lassen sich praktisch fast alle Oberflächenstrukturen verwirklichen. Lediglich auf überhängende Strukturelemente muss aufgrund der nachfolgenden Abformungsschritte verzichtet werden. Durch die anschließenden Abformungen der 3D-Druck Strukturen wird ein strukturierter Werkzeugeinsatz erhalten der in einem nachfolgenden Schritt im Mikrospritzguss verwendet werden kann um die Oberfläche thermoplastischer Polymere zu strukturieren.

Durch die Wiederverwendbarkeit des Werkzeugeinsatzes im Spritzguss lässt sich die Struktur innerhalb kurzer Zeit auf eine Vielzahl von Bauteilen übertragen. Somit lassen sich innerhalb kürzester Zeit Stückzahlen erreichen, die mit dem ursprünglichen 3D-Druck nicht realisierbar wären.

Ansprechpersonen: Prof. G. Lorenz und M. Schneider

Ausbau der Prozess-Analytical Technology (PAT) angewandt auf die Schmelzextrusion mit Fokus auf Kristalinität/ Phasen-Inhomogenitäten und Verunreinigungen

Die Prozesskontrolle einiger extrudierter Pharmaprodukte erfolgt zur Zeit at-line durch optische Kontrolle. Typische off-line Analytik ist die WAXS und die Lichtmikroskopie. Die Studie hat das Ziel einen Sensor für die Extrusion zu entwickeln, der die Messung des Trübungsgrades erlaubt und der zwischen unterschiedlichen Ursachen der Trübung unterscheiden kann.

Ansprechpersonen: Prof. G. Lorenz und Prof. K. Rebner

SKZ und LFZ PA&T der Hochschule Reutlingen starten gemeinsames Forschungsprojekt zur quantitativen inline Detektion von Additiven in hochgefüllten Kunststoffen.

Den allgegenwärtigen Einsatz von Kunststoffen im Alltag verdanken wir der Verwendung von Additiven und Füllstoffen. Teure Hochleistungsthermoplaste wie z. B. Polytetrafluorethylen (PTFE) haben nur einen Marktanteil von 1 %, da günstige Standardthermoplaste wie Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP) durch den Einsatz spezieller Additive und Füllstoffe für die meisten Anwendungen ausreichend sind. Für die Lebensdauer und Funktionstüchtigkeit eines Bauteils ist der Additivgehalt essentiell. Die quantitative Detektion des Additivgehalts, z. B. zur Qualitätssicherung, ist jedoch eine große Herausforderung. Insbesondere bei gleichzeitiger Verwendung von Füllstoffen in hohen Konzentrationen ist eine Inline-Detektion mit spektroskopischen Methoden bislang nicht möglich, da das Streuverhalten der Füllstoffe eine spektroskopische Detektion des Additivs verhindert. Eine Quantifizierung des Additivgehalts kann demnach nur offline mit aufwändigen Verfahren erfolgen.

Ziel des Forschungsprojekts ist die Weiterentwicklung der bestehenden Inline-Messsysteme um eine bessere Detektion der Additive zu ermöglichen. Dazu soll insbesondere der Messbereich auf 250 – 2100 nm erweitert werden und auf Grundlage von Simulationen die geeignete Messgeometrie ermittelt werden. Durch die Anpassung des Messsystems und mit Hilfe multivariater Datenanalyse soll die spektroskopische Quantifizierung von Additiven in gefüllten Kunststoffschmelzen ermöglicht werden.

Ansprechpersonen: Prof. M. Brecht, Prof. K. Rebner, Prof. G. Lorenz und T. Bäuerle

Inline-Kontrolle und Steuerung von Extrusionsprozessen mittels multimodaler Spektroskopie

Inline-Messtechniken zur Kontrolle und Steuerung von Extrusionsprozessen stehen derzeit nur in sehr begrenztem Umfang zur Verfügung und haben sich am Markt noch nicht etabliert. Ziel des Forschungsprojektes “REX-Inspec“ war es daher, neue und kombinierte Inline-Messmethoden zur Kontrolle und Steuerung von Extrusionsprozessen zu entwickeln. Diese basieren auf spektroskopischen Messverfahren sowohl auf der Extrusionsstrecke als auch am Extruderende (Düse).

Inline-Messungen haben den großen Vorteil, dass sie ohne große Zeitverzögerung Daten über den Prozess sowie die aktuelle Produktqualität liefern. Das ermöglicht zum einen eine Qualitätskontrolle in Echtzeit und ist zum andern die Basis für eine automatisierte Prozesssteuerung.

Bei den von der Hochschule Reutlingen entwickelten spektroskopischen Inline-Verfahren handelt es sich UV/VIS-, Nahinfrarot (NIR)-, und Raman-Spektroskopie. Darüber hinaus wurden THz-Sensoren (Universität Marburg) sowie GHz-Sensoren (Fa. hf-sensor, Leipzig) in den Extruder integriert. Um die verschiedenen Sensoren und Messköpfe in den Extruder zu integrieren, wurde dieser mit entsprechenden Bohrungen auf der Verfahrensstrecke sowie mit verschiedenen Adaptermodulen vor der Düse modifiziert. Die verschiedenen spektroskopischen Daten sowie die Prozessdaten des Extruders konnten auf einer von der Fa. GED entwickelten Software-Plattform zusammengeführt und visualisiert werden.

Die Leistungsfähigkeit, Nachweisempfindlichkeit sowie die Vor-und Nachteile der einzelnen spektroskopischen Inline-Messtechniken wurden am modifizierten Extruder am Beispiel von drei verschiedenen Compoundierungs-prozessen sowie der reaktiven Extrusion von Polyurethanen untersucht.

Besonders erfolgreich und vielversprechend ist die Kombination verschiedener spektroskopischer Techniken (multimodale Spektroskopie). Dadurch ist es möglich, komplementäre Informationen über die chemischen und morphologischen Eigenschaften des Systems zu erhalten. Multivariate Analysemethoden, z. B. die Hauptkomponentenanalyse oder multivariate Regressionsmodelle ermöglichen die Extraktion der relevanten Informationen aus den Spektren und führen damit zu einem detaillierten Prozessverständnis. Insgesamt waren viele verschiedene Fachdisziplinen in das Projekt eingebunden, von der Kunststoffverfahrenstechnik (Fa. Allod, Hochschule Reutlingen) über die Spektroskopie und Datenanalyse (Fa. hf-sensor, Hochschule Reutlingen, Universität Marburg) bis hin zur Elektronik- und Softwareentwicklung (GED Gesellschaft für Elektronik und Design mbH).

Der modifizierte und mit Sensoren ausgestattete Extruder der Hochschule Reutlingen steht interessierten Anwendern für Testextrusionen zur Verfügung. Es besteht Expertise sowohl im Kunststoffbereich (Compoundierung, reaktive Extrusion) als auch im Pharmabereich (Hot Melt Extrusion von pharmazeutischen Wirkstoffen in einem Trägerpolymer).

Ansprechpersonen: Prof. K. Rebner und Prof. G. Lorenz

Dichtwerkstoff-Stack-Konzepte für den Einsatz in Brennstoffzellen

Im Rahmen dieses Forschungsprojektes sollen neuartige Dichtwerkstoff-Stack-Konzepte für den Einsatz in Brennstoffzellen des Typs PEMFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell) entwickelt werden. Notwendig ist die Entwicklung eines elastomeren Dichtwerkstoffes, der ein verbessertes technisches Eigenschaftsprofil, höhere chemische Beständigkeiten und eine längere Lebensdauer in Form statischem Langzeit-Dichtkraftverhaltens bietet. Um dieses Ziel zu erreichen werden im Projekt neue Vernetzungssysteme entwickelt und auf EP(D)M angewendet. Zudem sollen Optimierungen im Design der Stackauslegung und des Dichtungsprofils die Effizienz Brennstoffzelle erhöhen.

Ansprechpersonen: Prof. G. Lorenz und Prof. A. Kandelbauer

Ziel des Projekts SilisurfChrom

Ziel des Projekts SiliSurfChrom ist, oberflächenfunktionalisierte Silica-Partikel reproduzierbar und mit konstanter Qualität herzustellen. Diese zeichnen sich aus durch eine große spezifische Oberfläche und hohe Oberflächenbelegung mit hydrophoben Funktionalitäten. Darüber hinaus weisen die neu erarbeiteten Partikel eine außerordentlich gleichmäßige (monodisperse) Größenverteilung auf. Als Adsorptionsmaterial für chromatographische Trennsäulen in der analytischen und präparativen Reversed-Phase-Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie (RP-HPLC) sollen diese eine hohe Trennleistung für strukturell sehr nahe verwandte therapeutisch wirksame Peptide, sowie eine hohe Trenngeschwindigkeit für deren industriell wirtschaftliche präparative Aufbereitung und Analyse aufweisen.

Ansprechpersonen: Prof. A. Kandelbauer und J. Steinbach

Innovative Schaumstrukturen für effizienten Leichtbau

Moderne Leichtbauwerkstoffe bieten großes Potential in vielen industriellen Anwendungen, verlangen aber auf Grund von deren meist stark ausgeprägtem anisotropem Lastverhalten und geringer Steifigkeit aufwendige konstruktive Maßnahmen für eine funktionsoptimierte Anwendung. In dem Projekt „InSeL“ sollen neuartige zelluläre Leichtbauwerkstoffe mit hoher Eigensteifigkeit entwickelt werden, die diese funktionale Lücke schließen. Im ganzheitlichen Ansatz werden auf der Basis von offenporigen Metallschäumen eigenständige zelluläre Leichtbauwerkstoffe und Komposite mit inhärentem Stützgerüst entwickelt. Parallel dazu soll ein neues Verfahren entwickelt werden, mit welchem monodisperse Polymerschäume durch den Einsatz von Tensiden hergestellt werden können. Dieses Verfahren soll zur Substitution des spezifischen Herstellungsprozesses von Gussmodellen für die zellulären Leichtbaustrukturen dienen und in Verbindung mit dem Feingussverfahren auch eine genau definierte und reproduzierbare Schaumstruktur ermöglichen.

Ansprechpersonen: Prof. R. Krastev (Smart Biomaterials Center) und Prof. G. Lorenz

Behandlung von Osteoarthritis im Knie

Polyurethane mit verschiedenen Weichsegmenten und variierenden Diisocyanaten werden im Labormaßstab hergestellt. Die Reaktanden werden dabei so ausgewählt, dass ein Implantatmaterial mit sehr geringer Wasseraufnahme, hoher mechanischen Stabilität und hohe Beständigkeit gegenüber Oxidation und Hydrolyse (Ursache für biologischen Abbau) entsteht.

Die Oberflächeneigenschaften des Materials sollen durch Modifizierung mit einem Polyurethan, welches hydrophile Segmente enthält, verändert werden. Dies führt zu einem Materialsystem mit einem mechanisch stabilen Kernteil, der eine sehr geringe Wasser­aufnahme zeigt und einer hydrophilen, wasserhaltigen Außen­hülle. Durch diese Modifizierung soll eine verbesserte Ankopplung von hydrophilen Biomolekülen erreicht werden. Auf diese Weise soll eine Interaktion mit der Synovia („Gelenkschmiere“), insbesondere mit der darin enthaltenen Hyaluronsäure erleichtert werden um das Implantat vor Verschleiß zu schützen.

Ansprechpersonen: Prof. G. Lorenz und Prof. R. Kemkemer (Smart Biomaterials Center)