Der Megatrend des Additive Manufacturing (AM) ermöglicht im Produktdesign neben einer erhöhten Flexibilität, geometrischen Designfreiheit, insbesondere eine Erhöhung der Energie- und Ressourceneffizienz. Im Rahmen dieses Vorhabens wird die Wertschöpfungskette des AM ausgehend von der Herstellung der Rohmaterialien bis zum fertigen AM-Bauteil für die Branchen der Medizintechnik und der Schneidinstrumente durchdrungen. Als AM-Verfahren wird hierbei das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen genutzt. Über höchste Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit kann eine hohe Lebensdauer der Endprodukte hier nur durch die martensitischen Chrom-Stähle erreicht werden. Diese lassen sich bisher jedoch nicht mittels Laserstrahlschmelzen verarbeiten. Zudem ist die ökologische Effizienz der AM-Route nur scheinbar hoch. Handlungsbedarf besteht, angefangen von der Pulverurformung bis zur Veredlung des AM-Produktes beim Endkunden an jedem Glied der Wertschöpfungskette. Hierbei lassen sich die Themenbereiche i) Ressourceneffizienz der Pulverurformung, ii) Verfahren zur Vorhersage und Optimierung der Qualität und Obsoleszenz der Metallpulver, iii) Vorhersage und Steigerung der Lebensdauer AM-gefertigter Produkte, iv) Designstrategie zur Erhöhung der Ressourceneffizienz der AM Route, sowie v) Etablierung einer geschlossenen Circular Economy, extrahieren. Das zentrale Anliegen des Projekts ist es einen ganzheitlichen Ansatz zur Effizienzsteigerung der Fertigungskette von additiv gefertigten Produkten aus martensitischen Cr-Stählen erstmalig zu ermöglichen. Angefangen von der Pulverurformung, der AM-Verarbeitung bis hin zum Endanwender werden die Herausforderungen entlang der Wertschöpfungskette adressiert. Das übergeordnete Ziel ist es, die Energieeffizienz vollständig über die Wertschöpfungskette zu analysieren und zu steigern. Hierbei sollen die energetische Effizienz aller Prozessschritte und Zwischenprodukte einzeln, aber besonders auch durch deren Zusammenwirken, erhöht werden.
Die Mitsubishi Chemical Advanced Materials GmbH stellt in Vreden (Nordrhein-Westfalen) thermoplastische Werkstoffe unter anderem für die Medizintechnik her. Sie ist eine Tochter des japanischen Konzerns „Mitsubishi Chemical Corporation“. Das Unternehmen stellt dabei unter anderem medizintechnische Produkte aus Polyethylen her. Beim bisher üblichen Herstellungsverfahren für diese Produkte kommt es in der Fertigung zu erheblichem Nachbearbeitungsbedarf und damit zu hohen Produktionsabfällen. In dem von der Mitsubishi Chemical Advanced Materials GmbH am Standort Vreden geplanten Hochtechnologiezentrum soll erstmalig in Deutschland die Produktion dieser medizintechnischen Teile mittels einer neu entwickelten Extrusionsanlage erfolgen. Diese innovative Verfahrenstechnik steigert die Ressourceneffizienz in der Produktion erheblich. Die aufwändige Nachbearbeitung entfällt. Weiterhin erlaubt das Verfahren erstmals die Verwertung von Produktionsabfällen, da diese direkt beim Hersteller anfallen. Schließlich zeichnet sich das neue Verfahren durch eine höhere Energieeffizienz aus, da eine Kühlung der Produktionsstücke bei der Extrusion entfällt. Der Energiebedarf sinkt von 6,7 Kilowattstunden pro Kilogramm Rohmaterial auf 4,4 Kilowattstunden pro Kilogramm Rohmaterial. Es kommt insgesamt zu einer Umweltentlastung von 400 Tonnen CO 2 pro Jahr.
Branche: Chemische und pharmazeutische Erzeugnisse, Gummi- und Kunststoffwaren
Umweltbereich: Ressourcen
Fördernehmer: Mitsubsihi Chemical Advanced Materials GmbH
Bundesland: Nordrhein-Westfalen
Laufzeit: seit 2020
Status: Laufend
Zielsetzung:
Die Ziele des Projektes hardwood-joint, welches die Forschung und Entwicklung von Verbindungslösungen für aus Hartlaubholz-Produkten zusammengesetzte Tragwerke bzw. Holzkonstruktionen zur Aufgabe hat, betreffen wissenschaftliche, wirtschaftliche, sozioökonomische und umweltspezifische Aspekte:
Wissenschaftliche Ziele:
Die wissenschaftlichen Ziele von hardwood-joint beinhalten im Wesentlichen einerseits die Entwicklung von innovativen Verbindungslösungen für Tragwerke aus Hartlaubholz-Produkten und andererseits die Herleitung und Verifizierung neuer sowie die Weiterentwicklung bestehender Modellansätze für die Bemessung dieser Verbindungslösungen. Weitere wissenschaftliche Ziele sind das Schaffen einer fundierten Grundlage für die Aufnahme dieser Modelle in die Bemessungsnormen sowie die Veröffentlichung der im Rahmen des Projektes gewonnenen Erkenntnisse in begutachteten Fachzeitschriften.
Wirtschaftliche Ziele:
Die wirtschaftlichen Ziele von hardwood-joint sind das Öffnen neuer, europäischer Märkte für KMUs im Holzbausektor sowie die Steigerung der Wertschöpfung von Hartlaubholzprodukten im Sinne der Vermeidung einer direkten, thermischen Verwertung.
Sozioökonomische Ziele:
Das übergeordnete, sozioökonomische Ziel von hardwood-joint ist die Steigerung des Absatzes von nachhaltig hergestellten Bauwerken aus Holz, u.a. in Form der Stadtverdichtung mittels Aufstockung bestehender Gebäude durch diese Lösungen des Leichtbaus.
Umweltspezifische Ziele:
Das umweltspezifische Ziel von hardwood-joint ist die Steigerung der nachhaltigen Nutzung der in Mitteleuropa stetig zunehmenden Hartlaubholzbestände für den Bausektor und damit einhergehend ein sukzessiver Austausch von Baustoffen aus nicht-nachwachsenden Rohstoffen durch solche, welche mit der nachwachsenden Ressource Holz hergestellt werden können.
Bedeutung des Projekts für die Praxis:
Weltweit wird vom geernteten Holz 52% direkt verbrannt und von den verbleibenden 48% werden 80% für den Baubereich genutzt. Dies beinhaltet die Konstruktion sowie den Innenausbau, wobei insbesondere der Konstruktion selbst ein hoher Anteil zuzusprechen ist. In Folge des hohen Stellenwertes der Verbindungstechnik im Ingenieurholzbau und der Notwendigkeit, in naher Zukunft Hartlaubholz in verstärktem Maße konstruktiv einzusetzen, sind bei erfolgreichem Abschluss leistungsfähige, zuverlässige und wirtschaftliche Lösungen zu erwarten. Die gegenwärtige Situation, dass Hartlaubhölzer für den konstruktiven Baubereich nur bedingt wirtschaftlich abgesetzt werden können, soll durch die erwartbaren Erfolge im Zuge des Projektes und dem Aufzeigen von Möglichkeiten einer Wirtschaftlichkeit im Anschlussbereich verbessert werden. Für die Forstwirtschaft führt dies zu einer positiven Preisentwicklung des Rohmaterials und für die Umwelt zu einer Zunahme von Bauwerken, hergestellt in umweltfreundlicher und nachhaltiger Bauweise mit einem nachwachsenden Rohstoff.
In MemKoWI ist geplant, Membranverfahren für die Abtrennung von CO2 und H2 in Industrien zu untersuchen, in denen sie bisher nicht etabliert sind. Das Potenzial, dass sie sich hier als skalierbare und durch die Möglichkeiten verschiedene keramische und polymere Membranmaterialien zu innovativen Kombinationen Lösungen zu verschalten, flexible und anpassbare Technologie, erweist ist sehr groß. Allerdings ist ebenfalls mit erheblichen Risiken zu rechnen. Im Vergleich zu den bisher untersuchten Einsätzen von Membranverfahren zur CO2-Abtrennung aus Kohlekraftwerksrauchgasen, zeichnen sich die in MemKoWI adressierten Gase durch andere Zusammensetzungen aus. Somit kann die Einsetzbarkeit der Verfahren zwar durch Berechnungen abgeschätzt, deren stabiler Einsatz aber nur im Versuch im Betriebsumfeld nachgewiesen werden. Potenzielle Anwender können so von den Vorteilen der Membranverfahren überzeugt werden. In MemKoWI ist der Einsatz von drei Testanlagen geplant. Eine der Anlagen ist bereits vorhanden und soll modifiziert werden, während die beiden anderen Anlagen neu zu bauen sind. Die hiermit verbundenen Kosten sind weder aus der Grundfinanzierung der beteiligten Forschungsinstitutionen noch aus den F&E-Budgets der beteiligten Unternehmen zu finanzieren. Weiterhin stellt die Einbindung der Anlagen in Industriestandorte einen erheblichen, anderweitig nicht finanzierbaren Aufwand dar. Die für die Membranherstellung verwendeten Rohmaterialien müssen in hinreichender Menge beschafft, verarbeitet und in Membranmodule verbaut werden. Auch die Ausgaben hierfür übersteigen die F&E-Budgets. Das für die Durchführung der geplanten Arbeiten notwendige Personal kann nur zum Teil aus der Grundfinanzierung gestellt werden. Projektpersonal muss, gerade auch im Hinblick auf die Erstellung wissenschaftlicher Arbeiten, eingestellt werden und der Personalaufwand für die Betreuung der Testanlagen abgedeckt werden.