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Optimierung der Energieeffizienz, Obsoleszenz und zirkulären Wirtschaft der additiven Fertigungsroute am Beispiel innovativer martensitischer Chromstähle

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.

Entwicklung eines biopolymerbasierten und bioabbaubaren Verbundmaterials zur Anwendung in innovativen Fertigungstechnologien, Teilvorhaben 1: Entwicklung eines chitobasierten Fertigungsmaterials, Bulk Moulding und NFK

Das Ziel diese Forschungsvorhabens ist es, Restmyzel von Aspergillus spp. als Rohmaterial für innovative chitobasierte Fertigungsverfahren nutzbar zu machen. Der primäre Fokus liegt auf der Aufarbeitung des Pilzmyzels als Quelle für Polysaccharide. Mit diesem Material sollen in drei exemplarischen Fertigungsverfahren - Liquid Deposition Moulding (LDM) im Bereich additive Fertigung, Bulkmoulding (Formpressen, BMC) und die Naturfaser verstärkten Kunststoffe (NFVK) - reststoff- und naturfasergefüllte Biopolymerverbundwerkstoffe gefertigt werden. Unterstützt wird das Vorhaben von sechs KMUs, davon zwei Rohstofflieferanten, einem Rohstoffvorbereiter, zwei Herstellern von Verbundwerkstoffen und einen Hersteller von Produkten für die additive Fertigung. Das Projekt wird zusammen von den Instituten IGVP (Institut für Grenzflächen, verfahrens- und Plasmatechnologie) und dem IFB (Institut für Flugzeugbau) der Universität Stuttgart in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung durchgeführt.

Membranverfahren zur Abtrennung von Kohlendioxid und Wasserstoff aus Industriegasen, Teilvorhaben: Keramische Membranen für die Gastrennung

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.

Vorkommen und Bildungsbedingungen sowie Bestimmung karzinogener Mykotoxine in Lebensmitteln

Mykotoxine koenen bei Pilzwachstum in Rohprodukten oder waehrend der Be- und Verarbeitung von Lebensmitteln entstehen. Wenn die Bildungsbedingungen bekannt sind, kann man durch entsprechende Technologie oder den Einsatz von Fungiziden ihre Entstehung verhindern.

Kreislauffähige antimikrobielle Verpackungen für pflanzliche Lebensmittel aus Rohstoffen pflanzlichen Ursprungs, Teilprojekt 1

Verpressen von heimischen Nebenstoffströmen zu hochwertigen Formteilen, Teilvorhaben: Umweltbezogene Lebenszyklusanalyse

Glasproduktion in Lohr am Main

Um die Glasproduktion nachhaltig und klimafreundlich zu gestalten, unterstützt das Bundesumweltministerium die Gerresheimer AG am Standort Lohr am Main bei der Anwendung eines neuen Verfahrens zur Produktion hochwertiger Primärverpackungen aus Glas für die Pharma- und Kosmetikindustrie. Damit können die verursachten jährlichen CO2-Emissionen um rund 22.000 Tonnen pro Jahr reduziert werden. Zudem ermöglicht die Optimierung des Produktionsprozesses die Einsparung von 5.000 Tonnen Rohmaterial pro Jahr. Die Mittel dazu stammen aus dem Umweltinnovationsprogramm des BMUV. Die Herstellung von Glasbehältern für die Pharma- und Kosmetikindustrie erfordert die Einhaltung hoher Qualitätsansprüche an das Glas sowie das Angebot einer breiten Produktpalette. Hierzu werden üblicherweise große Mengen an Energie und Rohstoffen eingesetzt. Mit dem geplanten Projekt wird das Unternehmen im Rahmen seiner ambitionierten globalen Nachhaltigkeitsstrategie in eine Schmelzwanne investieren, die im Vergleich zu konventionellen Schmelzwannen mit einem erheblich höheren Stromanteil betrieben werden kann. Hierzu wird Strom aus erneuerbaren Energien bezogen. Gleichzeitig wird das Unternehmen seinen Produktionsprozess mit einem innovativen Steuerungssystem ausstatten. Dieses ganzheitliche Projekt zur Glasproduktion gibt wichtige Impulse für eine klimafreundliche und nachhaltige Glasherstellung. Es hat Modellcharakter für die gesamte Glasindustrie. Mit dem Umweltinnovationsprogramm wird die erstmalige, großtechnische Anwendung einer innovativen Technologie gefördert. Das Vorhaben muss über den Stand der Technik hinausgehen und sollte Demonstrationscharakter haben.

Computertomographisches Labor für datenbasierte Materialmodellierung und Werkstofforschung für nachhaltiges Holzresourcenmanagement und effiziente Holzverwertung

Holz ist eine wichtige und zuverlässige CO2-Senke und gleichzeitig eine nachwachsende Ressource als Grundlage für Bau- und Werkstoffe. Aufgrund der Klimaänderungen ändern sich die Wachstumsbedingungen, die Holzarten reagieren unterschiedlich auf die Herausforderung. Aufgabe der Forschung zur Waldwirtschaft ist es, den Wald nachhaltig zu erhalten, frühzeitig Änderungen zu erkennen und Vorhersagemodelle für Wachstum, Baumarten und Erhaltungsmaßnahmen auf zu stellen. Hierbei helfen Datenfernerkundung und zerstörungsfreie Untersuchungsmethoden. Die Dichteverteilung innerhalb eines gewachsenen Baumstammes erlaubt Rückschlüsse auf die Wachstumsbedingungen und die Eigenschaften des Holzes. Durch eine computertomographische Untersuchung kann die Dichtefunktion als dreidimensionales digitales Modell erstellt und zur weiteren Informationsverarbeitung herangezogen werden. Durch die Verknüpfung mit weiteren Daten, z. B. Klimadaten oder Daten aus Geoinformationssystemen und Fernerkundung, sollen standortspezifische Vorhersagemodelle zur Holzqualität oder zukünftige Waldumbau-, Bewirtschaftungs- und Schutzmaßnahmen im Wald ermöglichen. Holz gewinnt im Bauwesen zunehmend an Bedeutung, da aufgrund der guten Trageigenschaften energieintensive Materialien wie Stahlbeton oder andere mineralische Baustoffe teilweise substituiert werden können. Aufgrund des zunehmenden Einsatzes und schwierigeren Wachstumsbedingungen ist es notwendig, den Rohstoff Holz besser auszunutzen, die Bearbeitungsprozesse zu optimieren und neue Holzarten zu erschließen. Holz ist ein anisotroper, inhomogener Werkstoff, dessen Festigkeitseigenschaften wesentlich von der Faserrichtung, der Dichte und den Holzmerkmalen (Äste, Wachstumsgeschwindigkeit etc.) abhängen. Diese lassen sich mittels Computer-Tomographie (CT) am unbearbeiteten Stamm erkennen. Daraus können digitale Modelle erstellt werden, die die Bearbeitungstechnologie und den Einsatz des Rohmaterials im Bauwerk optimieren. Der Computer-Tomograph mit notwendiger Peripherie dient der Datenakquise im Bereich der Holzforschung als Grundlage für den Aufbau eines CT-Labors. Dieses ist eingebunden in das Center for Data Science an der HNEE zur Weiterverarbeitung der Daten mit KI-Methoden. Das Ziel des CT-Labors ist es, Daten über das Wachstum und den Aufbau des Holzes, vom rohen Stamm bis zum bearbeiteten oder wieder zu nutzenden Balken oder Holzwerkstoff, zu generieren, zu analysieren und Modelle zu entwickeln. Daraus sollen Rückschlüsse und Vorhersagemodelle für den Waldbau, die Holztechnologie und den Holzbau erstellt werden, die einen ressourcenschonenden Umgang mit dem Rohstoff Wald und die Erschließung neuer Holzarten und Anwendungen erlauben.

Entwicklung einer vorgefertigten und rückbaufähigen Verbindung für klimaneutrale Tragwerke aus Bambus mit witterungsbeständiger Außenhülle und variabler Einsatzmöglichkeit, Teilprojekt A

Hocheffizente laterale und durch Laser unterstützte Separationsverfahren für SiC Rohmaterial mit dem Ziel geringster Materialverluste - INNONEXT_SIL

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