Programmbereich Digitalisierung

Im Bereich Vitrimere beschäftigen wir uns mit dynamischen Polymernetzwerken und ihrem Potential für den zukünftigen Einsatz als nachhaltige Matrixwerkstoffe für Faserverbundwerkstoffe (FKV). Diese relativ neue Polymerklasse kombiniert phänomenologisch die Eigenschaften von Duroplasten mit denen von Thermoplasten: Vitrimere können initial wie klassische Flüssigharzsysteme verarbeitet werden, zeigen in einem Anwendungszustand die herausragenden Eigenschaften von Polymernetzwerken und können dann zusätzlich durch Temperatur-, UV- und weitere Arten der äußeren Stimulation in einen Zustand gebracht werden, der ein Fließen des Werkstoffs bzw. Halbzeuges oder Bauteils ermöglicht. Durch diese Eigenschaftskombination, die durch eine besondere molekulare Bindungsdynamik realisiert wird, erscheint es möglich, zukünftig hoch performante Vitrimer-basierte FKV herzustellen, die bei Bedarf repariert, nachverformt oder auch separiert werden können (Recycling). Die Forschung in diesem Bereich zielt insbesondere auf ein besseres Verständnis der materialphysikalischen Eigenschaften von Vitrimeren ab. Dieses forschungsintensive Feld verfolgt das Ziel, eine Brücke vom Grundlagenverständnis über Vitrimere bis hin zum technologiegerechten Design und Einsatz in Faserverbundwerkstoffen zu bilden.

Aktuelle Forschungsarbeiten adressieren die (i) thermische und (ii) UV-stimulierte Kontrolle von Übergangsphänomenen in Vitrimeren, als auch (iii) deren Anwendbarkeit in FKV.

Verbundwerkstoffe sind aus zahlreichen technisch relevanten Branchen – von der Automobil- und Luftfahrtindustrie über den Energiebereich bis hin zum Gesundheitssektor – längst nicht mehr wegzudenken. Mit der stetig wachsenden Komplexität neuer Anwendungen steigen jedoch auch die Anforderungen an die Materialien selbst sowie an deren Herstellungsprozesse. Weil die Eigenschaften von Strukturen insbesondere aus Hochleistungsfaserverbundwerkstoffen nicht alleine von den Ausgangsmaterialien abhängen ist es entscheidend, ein umfassendes Verständnis entlang der gesamten Wertschöpfungskette aufzubauen – von der Materialanalyse über die Fertigung und Performancebewertung bis hin zum Recycling. Das IVW verfolgt hierbei einen integrativen Forschungsansatz, der alle entscheidenden Aspekte miteinander verknüpft. Um das Verhalten von Verbundwerkstoffen zu verstehen, müssen Erkenntnisse über verschiedene Skalen hinweg zusammengeführt werden – von den Strukturen im Nano- und Mikrobereich bis hin zur makroskopischen Komponentenebene. Die Verknüpfung dieser Skalen ermöglicht ein tiefes Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen und bildet die Basis für die gezielte Entwicklung und Optimierung zukunftsweisender Werkstoffe und Prozesse. Auch wenn die Spezialisierung einzelner Disziplinen weiter voranschreitet sind viele Fragestellungen entlang der Wertschöpfungskette über die Fachgrenzen hinweg von großer Bedeutung. Diese sogenannten Querschnittsthemen werden im Feld Querschnittstechnologien gezielt identifiziert, analysiert und interdisziplinär bearbeitet. Dabei fließen Perspektiven und Expertisen aus Materialwissenschaft, Fertigungstechnik, Simulation, Charakterisierung und Nachhaltigkeitsforschung ein. Ziel des zukünftigen Kompetenzfeldes ist es, durch diesen ganzheitlichen Ansatz gemeinsame Kernforschungsinteressen zu fokussieren und analytisch zu vertiefen. Auf diese Weise entstehen neue Synergien und innovative Ansätze, um die Verbundwerkstoffe der Zukunft auf ein noch höheres Leistungsniveau zu bringen – effizienter, nachhaltiger und optimal auf die Anforderungen neuer Anwendungen zugeschnitten.

Die demografische Entwicklung und Risikofaktoren wie Wohlstandserkrankungen stellen das Gesundheitssystem vor immer neue Herausforderungen. Verbundwerkstoffe können durch innovative Lösungen einen Beitrag zur Bewältigung leisten. Seit mehr als 10 Jahren arbeitet das IVW daran, Verbundwerkstoffe in die Medizintechnik zu bringen. In Projekten wie HySpine, 3DPrint2Fiber und FIXTER konnten wir die Leistungsfähigkeit der Werkstoffe bereits für Implantate und Orthesen unter Beweis stellen. Verbundwerkstoffe ermöglichen verglichen zu andere Werkstoffe eine gezielte Steifigkeitsadaption oder im Fall von Kohlenstofffaserverstärkung auch röntgentransparente Implantate. Allerdings zeigen die Erfahrungen auch, dass eine interdisziplinäre Zusammenarbeit gerade in diesem Bereich von hoher Bedeutung ist. Expertenschätzungen gehen davon aus, dass die Hälfte der Innovationen durch Ärzte und Pflegekräfte angestoßen werden. Aus diesem Grund steht die Kooperation mit den richtigen Partnern für uns im Mittelpunkt. Rheinland-Pfalz bietet dafür ausgezeichnete Rahmenbedingungen durch viele kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) sowie ausgewiesene Forschung im medizinischen Bereich. Durch unsere Aktivität in lokalen Netzwerken wie dem Health+Innovation Hub (HIH) aber auch der Leibniz Health Technology Research Alliance verfolgen wir aktiv die Partnerschaft, aber auch den Wissenstransfer.

Ein wichtiger Wegweiser im Bereich der Produktentwicklung ist die Medical Device Regulation. Unsere Forschungsaktivitäten sind an den entsprechend Risikoklassen und der damit verbundenen industriellen Struktur ausgerichtet. So forschen wir mit starkem Anwendungsbezug im Bereich niedriger Risikoklassen wie bspw. Orthesen (Citizen Science), um gerade KMU zu unterstützen. Um auch die Potentiale im Bereich der Implantattechnik zu entwickeln, arbeiten wir in Kooperation mit der medizinischen Forschung im Bereich der Grundlagenforschung z.B. im Bereich von Trichterbrustimplantaten.