Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Selbstaufrichtende Strukturen mit Formgedächtnispolymeren für den Einsatz als Folien-/Wandertunnel

Hauptziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines miniaturisierten, multifunktionalen, rein polymerbasierten Folien-/Wandertunnel-Systems als perspektivische Alternative zu den klassischen Stahlkonstruktionen. Der Einsatz von Formgedächtnispolymeren (FGP) als Stellelemente ermöglicht, ein zunächst zusammenrollbares System von geringem Gewicht und Platzbedarf zu gestalten, das am Aufstellort ausgelegt und durch Wärmeeintrag – idealerweise durch Sonnenstrahlung – aufgerichtet werden kann. Als weiteren Vorteil verfügen die Stellelemente über selbstheilende Materialeigenschaften.

Das Vorhaben setzt auf Erkenntnissen vergangener Forschungsuntersuchungen auf und nutzt das Wissen zur Polymersynthese und –verarbeitung sowie zur Umformung (Programmierung) von FGP. Somit kann zielgerichtet deren Eignung als Stellelemente für selbstaufrichtende Strukturen untersucht werden. Die wirtschaftlichen Vorteile einer Umsetzung von Folien-/Wandertunnel-Systemen ergeben sich für KMU aus der Einsparung von Anschaffungs-, Transport-, Montage- und Instandhaltungskosten. Ferner profitieren KMU entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Der innovative Beitrag der Forschungsergebnisse besteht in der gezielten Entwicklung eines neuen FGP, das aufgrund seiner funktionalen Eigenschaften für diese neue Anwendung prädestiniert ist. Das Maßschneidern der erforderlichen Eigenschaftsprofile soll mittels reaktiver Extrusion und durch den Einsatz von Füllstoffen und Hilfsmitteln erfolgen.

Die Werkstoffverarbeitung durch Schmelzschichtung, Rotationsformen und Spritzguss stellt eine Vielzahl von Möglichkeiten in der Gestaltung der Stellelemente sicher. Im Rahmen einer ganzheitlichen Betrachtung werden Versuche zur Materialalterung, zur Wiederverwendung und zum Recycling durchgeführt. Der hier verfolgte Ansatz schafft somit direkt verwendbare Erkenntnisse und Ergebnisse für den Einsatz von FGP in selbstaufrichtenden Strukturen, die auch zur Erschließung anderer Anwendungen dienen können.

Ergebniszusammenfassung:

In dem Forschungsvorhaben wurde die Einsatzfähigkeit von Formgedächtnispolymeren aus thermoplastischen Polyurethanen (TPU) in selbstaufrichtenden Stellelementen (Rundbögen) als Bestandteil mobiler Folientunnel bzw. Gewächshäuser betrachtet. Miniaturversuche und Computer-Aided Design erlaubten die Konkretisierung des Anforderungsprofils, eine Materialoptimierung und die erfolgreiche Entwicklung eines miniaturisierten Demonstrators unter Berücksichtigung seiner Wiederverwertbarkeit.

Die Eigenschaftsoptimierung der reinen TPUs erfolgte an den Weich- bzw. Schaltsegmenten (WS). Zum einen zeigten Polyester-WS eines Molekulargewichts von 3.000-4.000 g/mol vielversprechende Formgedächtniseigenschaften. Zum anderen konnten für Polybutylensuccinat als Polyester die Streckgrenze von 40 MPa und die Schalttemperatur von 80 °C eingestellt und damit auf anwendungsrelevante Werte erhöht werden. Der optimale Hartsegment-Anteil für polyester-basierte TPUs lag zwischen 5 und 30%. Durch Einsatz eines Stabilisators ließ sich in diesem Fall die Langzeitbeständigkeit gegenüber Hydrolyse verbessern. Für Polypropylenglycol als Polyether-WS wurde die größte Streckgrenze von 64 MPa nachgewiesen. Die Rückstellkraft zum selbstständigen Aufrichten filigraner Stellelemente wurde u.a. durch Compoundierung erhöht. Hierbei erwiesen sich harte Fasern als besonders vorteilhaft im Vergleich zu partikulären Additiven und weichen Fasern. Ein selbstständiges Aufrichten miniaturisierter Stellelemente konnte schließlich durch den Einsatz von Rundbögen aus TPU mit Federstahlkern erreicht werden.

Die Projektergebnisse können branchenübergreifend entlang der Wertschöpfungskette über die vorgesehene Anwendung hinaus wie z.B. für Unterstände, Möbel oder Überdachungen eingesetzt werden.