Materialeffizienz in der Praxis - 3D-Drucken, Recyceln, Sintern, Verpacken - VDI
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Ausgabe 4/2014
Materialeffizienz
in der Praxis
3D-Drucken, Recyceln, Sintern, Verpacken
4 14 18
3D-Druck in der Schule: Nanoskalige Matrixadditive: Unser Schreibwettbewerb:
Die Neugier und Freude am So lassen sich die Fähigkeiten Viel Erfolg mit Mathe –
Erfinden von CFK verbessern und kein Sonnenbrand
2 iQ-Journal 4/2014
zur sache
Josef Thomas,
stellvertretender Vorsitzender
VDI Braunschweiger Bezirksverein
und Leiter Arbeitskreis
Luft- und Raumfahrt
2 editorial
Liebe Leserinnen und Leser,
Zur Sache liebe Mitglieder des VDI-Bezirksvereins Braunschweig,
Braunschweig / Wolfsburg – Die Ingenieurregion: ein treffendes Schlag-
3 titel wort für ein bisher weitgehend unbeachtetes Qualitätsmerkmal unserer
Region, und eines mit einem gewissen Reizpotenzial!
Tetraedrischer Kohlenstoff für mehr Effizienz
3D-Druck gehört in den Unterricht Ingenieure führen viel zu häufig ein unverdientes Mauerblümchendasein.
Recycling von Photovoltaikmodulen Mit dem trostlosen Verschwinden des akademischen Abschlusses „Dipl.-
Wie die Verpackungsbranche die Hülle findet
Ing.“ fällt ein stolzer Markenartikel dem organisierten Vergessen anheim.
Wohin mit Abfällen aus Kraftfahrzeugen?
Materialeffizienz beim Schienenfahrzeug-Bau Was braucht es noch Ingenieure in einem von exzellenter Wissenschaft
Großes Potenzial: nanoskalige Matrixadditive geprägten Umfeld? Dieses schiefe Bild soll und muss sich ändern!
Polymerschmierstoff: mineralölfrei produzieren
Unser Bezirksverein verfolgt seit Längerem die Imageverbesserung des
Ingenieurberufs. Viele Gespräche mit Menschen und Institutionen, die sich
16 porträt
für die Zukunftsfähigkeit unserer Region engagieren, haben uns bestätigt
Ingenieurpersönlichkeit und ermutigt, nun konkret zu werden. In einem mehrjährigen Projekt wol-
Nikolaus Otto len wir zwei erfolgversprechende Wege gehen:
1. VDI-Zukunftspiloten (www.zukunftspiloten.vdi.de): Eine verlockende
18 inter n
Einladung an junge Macher ab 14 Jahren, in eigenständig gestalteten
Sieger unseres Mathe-Schreibwettbewerbs Projekten Selbstvertrauen für ihren Berufsweg – hoffentlich als Ingenieur –
Vom Themenjahr zum Arbeitskreis zu gewinnen. Alte Hasen stehen ihnen zur Seite und werden viel darüber
suj: Workshop Projektmanagement lernen, wie die Jugend „tickt“ und wie wir gemeinsam ein stabiles „Zu-
AK Luft- und Raumfahrt bei Heggemann kunftshaus“ für alle Generationen bauen sollten.
Jahresabschluss Bezirksgruppe Wolfsburg
Ressourceneffizienz für die Region
Wettbewerb der Allianz für die Region 2. Ingenieurgeschichten (www.ingenieurgeschichten.vdi.de): Der VDI will
Vortrag des Jahres mit Altbischof Weber zeigen, wie deutsche Ingenieure unseren Alltag verbessern. Dazu suchen
Exkursion Schunk Sintermetalltechnik wir beispielhafte Geschichten, die ohne Fachchinesisch und sehr persönlich
das Wirken unserer Mitglieder im Alltag erzählen. Eine tolle Chance, ohne
zeitgeistigen Narzissmus einfach vertrauensbildend zu wirken.
28 termine & gratulationen
Unser Dachverein VDI e.V. als Träger dieser bundesweiten Kampagnen för-
Veranstaltungen im 4. Quartal 2014
Neuzugänge dert unser Engagement vor Ort. Unterstützen Sie uns bei dieser Arbeit und
Gratulationen holen Sie sich Anregungen auf den zitierten Internetseiten.
Genießen Sie die Fachbeiträge in dieser Ausgabe, allesamt lebendige Bei-
iQ-Journal 1/2015 spiele für ehemalige Zukunftspiloten und aktuelle Ingenieurgeschichten. In
dieser Community leben und arbeiten zu können, ist für jeden Beteiligten
Das IQ-Journal 1/2015 erscheint kurz vor sicherlich ein Stückchen persönliches Glück.
Weihnachten. Anregungen und Beiträge an:
redaktion@vdi-bs.de.
Redaktionsschluss ist der Ihr
17. November 2014.
iQ-Journal 4/2014 3
titel
Kohlenstoffschichten gegen
Reibung und Verschleiß
ta-C steigert die Materialeffizienz von Motorkomponenten
In der Motorenentwicklung ist die ste- bologischen Eigenschaften bei höheren
tige Verlängerung von Wartungszyklen Temperaturen: Die Auswertung tribolo-
sowie die Verschleiß- und Reibungs- gischer Tests bei Raumtemperatur nach
reduzierung im Hinblick auf effiziente Temperversuchen bis 500°C ergibt eine
Nutzung von Materialien unabdingbar. extrem geringe Verschleißtiefe, die im
Durch das Downsizing und die damit Bereich der Oberflächenrauheit liegt.
verbundene höhere Aufladung von Mo- Ebenso tritt am Gegenkörper extrem ge-
toren müssen Werkstoffe zunehmend ringer Verschleiß auf. Lediglich bei tribo-
höheren Belastungen standhalten. In logischen Tests unter Hochtemperatur
einem Kooperationsprojekt zwischen (450°C und 500°C) liegt der Verschleiß
dem Fraunhofer IST in Braunschweig signifikant höher.
und der Firma IHI Hauzer Techno Coa-
ting in den Niederlanden wurden mo- Das Modell: Belastungen
difizierte ta-C-Schutzschichten (ta-C = wie im Motorraum
tetraedrischer Kohlenstoff) untersucht. Die Modellversuche sind so gewählt,
Sie sind für die Optimierung von Werk- dass sie den Belastungen durch Lastspit-
stoffoberflächen thermisch hoch belas- zen im Motorraum ähneln. Eine solche
teter Motorkomponenten geeignet. Belastungssituation stellt der Einsatz der Typisches Testgerät für tribologische
Motorstaubremse eines Nutzfahrzeugs Tests unter Hochtemperatur: das Tri-
Schichtsysteme aus der Dünnschicht- im Gefälle dar. Die Motorstaubrem- bometer mit Peripherie.
technologie sind nur wenige Mikro- se unterstützt die Betriebsbremse und
meter dünn und finden industrielle führt zu einer Druckerhöhung im Brenn- 7,3 Milliarden Litern Kraftstoff für den
Anwendung unter anderem auf Um- raum mit in Simulationen ermittelten Anteil des Kolbenverbunds an der Mo-
formwerkzeugen oder Komponenten Temperaturen, welche in Spitzenwerten torreibung. Das entspricht 8,5 Milliarden
des automobilen Antriebsstrangs. Dabei deutlich über 400°C auf Kolbenringen Euro und 18,8 Millionen Tonnen CO2-
handelt es sich meist um kohlenstoffhal- erreichen können. Emissionen.
tige, metallhaltige oder hybride Schutz-
schichten aus PVD- und CVD-Beschich- Gemessen an ebenfalls ungeschmierten Die Analyse, Bewertung und Abschät-
tungsprozessen. Im Bereich Tribologie Stahl-Stahl-Reibpaarungen reduziert die zung wurden im Rahmen einer interdis-
schützen diese Schichtsysteme das da- wolframhaltige ta-C-Schicht den Reib- ziplinären studentischen Abschlussarbeit
runter liegende Substrat vor erhöhter wert um mehr als 80 Prozent. Im Falle durchgeführt. Für Studenten der Inge-
Reibung und Verschleiß. eines noch nicht aufgebauten Ölfilms nieurwissenschaften sind Abschlussar-
oder eines Ölabrisses schützt die Schicht beiten in Unternehmen eine gute Mög-
Wolfram macht den in der Funktion einer Feststoffschmie- lichkeit, Erfahrung zu sammeln und
Unterschied aus rung den Motor vor Verschleiß. Gegen- Kompetenzen in Kooperationsprojekten
Die Schichten aus ta-C sind durch ihre über den konventionellen DLC-Schich- aufzubauen. Dies ist in fachlicher und
Struktur bis 500°C thermisch stabil und ten erlaubt die thermische Stabilität der persönlicher Hinsicht eine wertvolle
vergleichbar reibungs- und verschleiß- Schicht zudem ihre Anwendung auf Kol- Komponente für das spätere Berufsle-
Foto: Fraunhofer IST
arm wie konventionelle DLC-Beschich- benringen oder Teilen des Ventiltriebs. ben.
tungen, die bei 500°C evaporieren kön-
nen. Wird bei der ta-C-Beschichtung Eine erste Abschätzung führt auf Ba- Dipl.-Wirtsch.-Ing. Birte Sabine Horn
ein Zusatzmaterial (z.B. Wolfram) in sis der globalen Flottenverbräuche aller VDI, Abteilung Neue tribologische
die Schichtstruktur eingebracht, hat Nutzfahrzeuge aus dem Jahr 2012 zu Beschichtungen, Fraunhofer Institut für
dies einen positiven Effekt auf die tri- einem maximalen Einsparpotenzial von Schicht- und Oberflächentechnik (IST)
4 iQ-Journal 4/2014
titel
Die Freude und Neugier am
Erfinden – mit 3D-Druck
Warum das neue Fertigungsverfahren in die Schule gehört
3D-Druck: Das ist eine Technologie, die hat, beginnt er, das Objekt zu realisie- von Produktionsabläufen werden er-
gerade Geschichte schreibt. Weil sie auf ren. Zuerst wird ein Kunststoffdraht ge- heblich vermindert.
dem Weg ist, unseren Alltag zu revo- schmolzen. Und dann wird der zähflüs-
lutionieren – in etwa so, wie es auch sige Kunststoff auf eine Bauplattform Fabmaker ist ein junges Unternehmen
der Computer geschafft hat. Was genau Schicht für Schicht aufgetragen – bis aus Braunschweig, das das Ziel verfolgt,
steckt dahinter? aus dem digitalen Körper ein reales Mo- 3D-Drucker nachhaltig und sinnvoll in
dell wird. den deutschen Schulalltag zu imple-
Ein 3D-Drucker ist eine Maschine, die mentieren. Einen besonders wertvollen
digitale Körper als Datei empfängt und Wenig Materialverlust Beitrag kann der 3D-Drucker zur MINT-
als reales Objekt dreidimensional auf- Ein wichtiger Vorteil des 3D-Drucks ist, Förderung und an Blindenschulen leis-
baut. Dabei funktioniert solch ein 3D- dass nur so viel Material verbraucht ten. Dazu hat Fabmaker einen für den
Drucker ähnlich wie eine automatisch wird, wie letztendlich auch gebraucht Schulunterricht optimierten 3D-Drucker
gesteuerte und durch Schrittmotoren wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen entwickelt, der sicher, benutzerfreund-
bewegte Heißklebepistole. Nachdem Fertigungsformen wird das Objekt addi- lich und zuverlässig arbeitet.
der 3D-Drucker tiv aufgebaut. Dadurch entstehen kaum
die CAD-Datei Materialverluste. Außerdem ist es ein Warum ist der 3D-Drucker im Unterricht
empfangen Trend, Produkte „on demand“ herzu- sinnvoll eingesetzt? Innovationen resul-
stellen. Das gewünschte Produkt kann tieren aus der Freude und Neugierde am
mit einem 3D-Drucker dort erzeugt wer- Entdecken und Erfinden. 3D-Druck in
den, wo es nachgefragt wird. Produkte Lehr-Lern-Kontexten bietet vielfältigste
können nach individuellen Wünschen Möglichkeiten des Wissenstransfers,
gefertigt werden. Kosten und Dauer des Erfahrens von Prozessketten und
der Entwicklung von Fach- und Schlüs-
selkompetenzen. Hierbei sollte das 3D-
Drucken als Querschnittkompetenz
betrachtet werden, denn erst dies
lässt es zu, das Potential in der
Schule zu ermessen. Die-
ses Medium ermöglicht
es, Lernprozesse der
Schüler von der
Zwei Schülerinnen bauen einen
schultauglichen 3D-Drucker.
iQ-Journal 4/2014 5
titel
Der 3D-Druck ermöglicht weiterhin
auch interdisziplinäres Arbeiten und
das Übertragen von Wissen in un-
terschiedlichsten Kontexten. Diese
Erfahrungen sind nicht nur abstrakt
(z.B. in der Modellierung), sondern
anschließend auch praktisch und pla-
stisch erfahrbar.
Neuere Forschungen belegen, dass
Lernen besonders gut und nachhaltig
Eine Schülerin modelliert einen Körper als Vorlage für den 3D-Druck. gelingt, wenn Lerner
ersten Idee bis zum Endprodukt zu un- nische, aber auch kreative Fähigkeiten in einem aktiven Prozess lernen, der
terstützen. Weiterhin fördert dieses Ver- gefördert werden. Praxisprojekte haben ein hohes Maß an aktiver Beteiligung
fahren in schulischen Gruppenprojekten hier gezeigt, dass auch bei Mädchen ein ermöglicht;
Kompetenzen und Fähigkeiten wie z.B. deutliches Interesse an Technik und den selbst die Kontrolle und Steuerung
räumliches Vorstellungsvermögen und MINT-Fächern entwickelt werden kann. des Lernprozesses übernehmen müs-
Kreativität, aber auch Problemlösekom- sen;
petenzen und Kooperationsfähigkeiten. Von besonderer Bedeutung sind jedoch in einem konstruktiven Prozess ler-
die besonderen Lernerfahrungen, die nen, in dem auf vorhandene Wissens-
Zu Beginn muss über das zu erstellende Schüler in 3D-Druck-Projekten sammeln: strukturen aufgebaut wird und die
Objekt in der Gruppe verhandelt wer- eigenen Erfahrungen kontinuierlich
den. Haben sich die Schüler auf eine Idee Wie oben erwähnt, startet diese Ler- reflektiert und bewertet werden müs-
geeinigt, muss diese skizziert werden. nerfahrung mit der eigenen Imaginati- sen;
Dies fördert Fähigkeiten des technischen on. Die Möglichkeit, eine kreative Idee sich in der Interaktion gegenseitig un-
Zeichnens, aber auch kreative sowie ggf. in die Realität umsetzen zu können, ist terstützen und auch Emotionen ihren
künstlerische Kompetenzen. Die Skizze in höchstem Maße motivierend. Raum haben;
wird dann mit einer 3D-Software mo- Die Lernerfahrungen sind realitäts- ihr Wissen situativ und in möglichst
delliert und somit in ein digitales Modell nah, da sie wie bei beruflichen Pro- authentischen Kontexten anwenden
umgewandelt. jekten in ihrer Entwicklung nicht können. Hierbei werden das Verste-
vorhersehbar sind: Sie erfordern kon- hen und die Motivation erhöht, wenn
3D-Druck kann tinuierliches Reflektieren, Überprü- die Lernkontexte nah an der Lebens-
Technikbegeisterung fördern fen, Evaluieren und Adaptieren der welt und den Interessen der Schüler
Das schnelle Einarbeiten in die professio- Lern- und Arbeitsschritte an verän- sind.
nelle Bedienung solcher CAD-Programme derte Bedingungen.
stellt in vielen Branchen in wachsendem Die Schüler werden durch das hohe Daher basiert unser didaktischer Ansatz
Maße eine absolute Fachkompetenz dar Maß an eigener Beteiligung motiviert, auf einem konstruktivistischen Metho-
und verschafft Schülern einen Wett- müssen aber auch mit Frustration und den-Mix, der u.a. erfahrungsorientiertes,
Fotos: Fabmaker
bewerbsvorteil auf dem Arbeitsmarkt. Misserfolg umgehen und sich immer aber auch situiertes und kooperatives
Weiterhin fördern Erfahrungen mit dem wieder motivieren, um ihr Ziel zu errei- Lernen miteinander verbindet.
3D-Druck geschlechterunabhängig das chen. Hierbei sammeln sie auch Erfah-
Interesse an MINT-Fächern, da mathema- rungen im Umgang mit der Dynamik Prof. Dr. Gardenia Alonso, Fabmaker,
tische, naturwissenschaftliche und tech- von Gruppen. und Petra Fastermann, Fasterpoly
Lehrbuch zu 3D-Druck
Für den Unterricht ist im Juli 2014 ein Lehrbuch auf den Markt gekommen: Fabucation – 3D-Druck in der Schule
(ISBN 978-3-7357-5802-6). Das Buch ist als Begleitbuch des von Fabmaker entwickelten 3D-Druckers „E1“ geschrie-
ben worden. Es orientiert sich an seiner Zielgruppe – den Schülerinnen und Schülern ab der achten Klasse, die ihn
bedienen lernen sollen. Neben einer Einführung in den 3D-Druck bietet das Lehrbuch unter anderem Modelle zum
Ausprobieren und einen Muster-Lehrplan für den Unterricht.
6 iQ-Journal 4/2014
titel
Photovoltaikmodule: So funktioniert
Neue Anforderungen verlangen neue Verwertungsverfahren
Die Photovoltaik liefert einen wichtigen Wirtschaftlichkeit des Recyclings ist zum mierung sind jedoch durch die Modul-
Beitrag beim Wandel der Energieversor- einen von Kosten, wie Betriebs- (Anla- konstruktionen Grenzen gesetzt.
gung in Deutschland und in der Welt. gen, Personal, Energie) im Verwertungs-
Mit der stetig steigenden Verbreitung, prozess und Entsorgungskosten nicht Vor einer maschinellen Aufbereitung
seit Einführung dieser Technologie, hat nutzbarer Materialien bzw. der Schad- werden die Rahmenteile und die An-
sich auch das zu erwartende Aufkom- stoffe, abhängig und zum anderen vom schlussboxen entfernt. Die eingesetzten
men von ausgedienten Modulen erhöht. Gewinn, also den Einnahmen aus dem Dichtungsmaterialien verhindern bei fast
Durch den meist hohen Anteil gut ver- Verkauf von zurückgewonnenen Werk- allen Modulen eine zügige Demontage
wertbarer Materialien könnten die derzeit stoffen und von möglichen wiederver- bzw. führen letztlich beim Aufbrechen zu
am weitesten verbreiteten Modultypen wendbaren Bauteilen. Schäden am Rahmen, was den weiteren
im Prinzip hohe stoffliche Verwertungs- Demontageprozess erschwert. Bauteile
quoten erreichen. Dennoch gestaltet sich Aluminium und Glas wie Rahmen, Anschlussboxen oder auch
die sortenreine Rückgewinnung der ein- bieten am meisten Profit Dichtgummis können nur schlecht, und
zelnen Komponenten aufgrund verschie- Die Materialien mit größtem Gewinnpo- damit nicht wirtschaftlich, von den Dicht-
dener Konstruktionsdetails schwierig. tenzial sind das Aluminium und das Glas, und Klebmassen befreit werden. Die da-
da sie einen hohen Anteil an der Gesamt- mit einhergehende Verunreinigung der
Es ist erforderlich, zukünftige Modulge- masse eines Moduls einnehmen. Weitere separierten Materialien verringert ihren
nerationen hinsichtlich einer recycling- Gewinne können bei der Verwertung der Wert. Besonders schwierig ist die sor-
und damit auch reparaturgerechten Kon- Leiterbahnen, Kabel, Dioden, des Silizi- tenreine Rückgewinnung des Siliziums.
struktion zu verbessern. Dabei ist auch ums und der thermoplastischen Kunst- Mechanische Aufbereitungsmethoden
auf diejenigen Bestandteile zu achten, stoffe erzielt werden. Dafür ist es nötig, werden durch die Überwindung der
die nur einen geringen Anteil an der Ge- möglichst sortenreine Werkstoffe bei starken Haftung zwischen Silizium und
samtmasse eines Moduls haben und als einem kostengünstigen Verwertungspro- der Einbettmasse (Ethylvinylacetat, kurz:
Rezyklate geringere Preise erzielen. Die zess zu produzieren. Dieser Kostenmini- EVA) erschwert. Noch schwieriger ist die
Rückgewinnung des Siliziums bei Dünn-
schichtmodulen.
EVA als Einbettmaterial kann als einer der
Hauptstörstoffe bei der Verwertung an-
gesehen werden, denn aufgrund der ho-
hen Haftkraft des EVA ist es nur schwer
möglich, Glas und Silizium, aber auch Fo-
lien abzutrennen. Als alternative Einbet-
tungsmaterialien könnten beispielsweise
das aus Verbundsicherheitsgläsern (z.B.
Kfz-Frontscheiben) bekannte Polyvinylbu-
tyral (PVB) oder thermoplastische Uretha-
ne zum Einsatz kommen.
Insgesamt zeigen die Untersuchungen
zur Rückgewinnung der verbauten Poly-
merwerkstoffe, dass das Recycling bzw.
die Rückgewinnung sortenreiner Poly-
mere nur bedingt möglich ist, da zum
Demontierte Anschlussbox ohne Deckel (oben Mitte) mit (von oben links nach un- Beispiel als rückseitige Beschichtung der
ten rechts) Klemmenabdeckung, Klebmasse als Befestigungsmasse an der Modul- Module mehrlagige Folienverbunde ein-
rückseite, Klemmen, Widerständen und Klemmblechen. gesetzt werden. Eine Auftrennung z.B.
iQ-Journal 4/2014 7
titel
das Recycling
auf chemischem Weg ist zwar grundsätz-
lich möglich, wird aber nicht durchge-
führt. Derartige Verfahren sind kostenin-
tensiv, da höhere Lösemittelmengen und
eine aufwändige Verfahrenstechnik für
die Rückgewinnung der Lösemittel mit in
Betracht gezogen werden müssen. Des
Weiteren sind erhöhte Anforderungen
an Brand- und Gesundheitsschutz zu be-
rücksichtigen.
Bei dem Modulrecycling wäre eine vor-
zeitige Abtrennung der rückseitigen Folie
– vor dem eigentlichen Aufschlussprozess Abtrennen der Rückseitenfolie mittels Wärmezufuhr.
– von Vorteil. Dies gelänge gut bei Ver-
wendung eines ausreichend starken bzw. der Gesamtmasse dar, sind aber aufgrund an die Verwertungsverfahren auftreten.
dickeren Folienmaterials. Auch der Ein- der flexiblen Anwendbarkeit schwer zu So entfallen die Erlöse aus dem Verkauf
satz von Additiven erschwert das werk- ersetzen. Eine Reduktion der verwende- von Glas und Aluminium, wenn diese
stoffliche Recycling der Kunststoffe, da ten Menge ist jedoch wirtschaftlich und Stoffe durch Polymerwerkstoffe ersetzt
die Eigenschaften eines Rezyklats oftmals im Hinblick auf eine sortenreine Rückge- werden oder durch festinstallierte Modul-
nicht vorhersagbar sind. winnung der anderen Materialien im Re- aufnahmen keine Rahmenteile vorhan-
cyclingprozess sinnvoll. den sind. Dies zeigt sich bei den flexiblen
Klebstoff bereitet Probleme Modulen. Sie besitzen keine Rahmen
Eine zerstörungsfreie Entfernung von Auch das Pyrolyseverfahren zeigt, dass es oder Frontgläser, jedoch einen höheren
Bauteilen zur Wiederverwend- oder -ver- grundsätzlich geeignet ist, anorganische Anteil der teuren Halbleitermaterialien
wertbarkeit verringert die Kosten für ihre Bestandteile sortenrein zurückzugewin- im Verhältnis zur Modulmasse. Für die-
Aufbereitung. Der Wiedereinsatz der nen. Nachteilig bei diesem Verfahren ist se zukünftigen Modularten müssen die
Rahmenelemente erweist sich als günstig, in erster Linie, dass die Polymere verloren bisher existierenden Verfahren angepasst
obwohl eine Demontage des Rahmens sind. Des Weiteren ist nachteilig, dass bei werden.
zum einen durch Dicht- und Klebmassen einer Verbrennung der häufig in der Rück-
erschwert wird und zum anderen eine seitenfolie eingebundenen fluorhaltigen Auf der rechtlichen Seite sind zukünf-
aufwändige Reinigung nötig ist. Bei na- Kunststoffe Fluorwasserstoff entsteht. tig ebenfalls Neuerungen nötig und zu
hezu allen geschraubten Modulen ent- erwarten. So ist es wahrscheinlich, dass
stehen Schwierigkeiten durch den Einsatz Abschließend kann gesagt werden, dass PV-Module unter die nationalen und in-
gewindeschneidender Schrauben. Diese durch die Entwicklung ausgereifter Ver- ternationalen Gesetzgebungen für Elek-
Verschraubung schädigt den Rahmen, wertungsverfahren, spezialisierter Ver- tro- und Elektronikgeräte fallen werden.
und es kann bei einem erneuten Einsatz wertungsbetriebe und mit der Gründung Ob diese strikt angewendet oder ob
zu einer verringerten Festigkeit der Ver- eines weltweit agierenden Verbandes für Ausnahmeregelungen gestattet werden,
bindung kommen. Ähnlich verhält es sich Rücknahme und Verwertung die ersten bleibt abzuwarten.
bei einigen Anschlussboxen. Hier sind die Schritte für eine umweltgerechte Mo-
Deckel durch Klemmverbindungen oder dulverwertung bereits vollzogen worden
durch Schrauben mit zugehörigen, in der sind. Mit dem steigenden Abfallvolumen
Schraubenaufnahme der Anschlussbox wird es möglich sein, das Recycling zu-
Fotos: Ostfalia
eingegossenen Gewindehülsen befestigt. nehmend wirtschaftlicher zu gestalten. Dipl.-Ing. Lars Teitge (mittlerweile
Volkswagen AG) und Dipl.-Ing. Sylvia
Dicht- und Klebmassen auf Silikonbasis Durch das Aufkommen weiterer Techno- Ott-Welke, Institut für Recycling,
stellen zwar nur einen geringen Anteil an logien werden auch neue Anforderungen Ostfalia, Campus Wolfsburg
8 iQ-Journal 4/2014
titel
Viel hilft viel?
Nein, richtig hilft besser
Wie die Verpackungsbranche die richtige Hülle findet
Der Titel des Themenjahres des VDI
(CAD\mk\streiff)
Braunschweig „Ressourceneffizienz
gestalten“ fordert jeden verantwor-
tungsvollen Verpackungshersteller
heraus. Ein effizienter Materialeinsatz in
der Produktion ist ein wichtiger Beitrag
zur Schonung der natürlichen Ressour-
cen, zur Umweltentlastung, aber auch
zur Wirtschaftlichkeit von Produktions-
abläufen.
Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit
von Deutschland beschreibt genau das,
was in dieser Branche seit Jahrzehnten
umgesetzt wird. Wenn im IQ-Journal
2/2014 über ein Rekordflugzeug aus
Papier gesprochen wird, dann ist das ein
prominenter Vorgriff auf das folgende
Thema gewesen. Ein Papierflugzeug
mit einer Spannweite von mehr als 18
Metern, entstanden aus 80 Quadratme-
tern Papier und 900 Tuben Klebstoff,
lässt ahnen, wie sehr das Material
optimiert werden musste, um diesen
Rekord aufzustellen.
Mit minimalem Einsatz
ein optimales Ergebnis
Wie sieht der Alltag des Verpackungs-
herstellers aus? In der Entwicklungs-
abteilung von Streiff & Helmold spielt
Effizienz eine entscheidende Rolle.
Zunächst bedeutet Effizienz, dem zu
verpackenden Produkt eine richtige
Hülle zu geben, die sowohl schützt als
auch durch ihre Gestaltung zum Kauf
animiert. Schutz bedeutet in diesem Zu-
sammenhang, mit minimalem Einsatz
von Rohstoffen ein optimales Ergebnis
zu erzielen. Dies gelingt durch die
Maßstab 1:3.77
richtige Wahl der Materialen und
einen effizienten Umgang mit ihnen.
Die Zeichnung zeigt, wie zwölf Verpa-
Zwölf Faltschachtelzuschnitte mit punktgenauer Materialausnutzung. ckungen so versetzt angeordnet werden
iQ-Journal 4/2014 9
titel
standen so Verschnitte elektronisch gesteuert und ein einmal
von bis zu 40 Prozent. eingerichteter elektronischer Auftrag
H e u t e h i n g e g e n w i rd speichert alle Einrichtungsdaten ab.
Material bereits ab Mengen Das spart sowohl beim Bedrucken als
von 300 Quadratmetern ver- auch beim Verarbeiten sogenannter
schnittfrei, millimeterge- Makulatur- oder Einrichtebogen Zeit.
nau, innerhalb von
wenigen Tagen Die verwendeten Materialien werden
angeliefert. Durch dabei so geliefert, dass pro Palette ein
immer größere Deck- und Lagebogen gegebenen-
Verarbeitungsma- falls Ausschuss ist. Früher konnten das
schinen können bei Groß- durchaus pro Palette bis zu zehn Bogen
auflagen die Vernutzungen ent- sein.
sprechend vervielfacht werden,
was den prozentualen Anteil des Ver- Es gibt nur wenige Branchen, bei
schnittes zusätzlich optimiert. denen Abfall so zielgerecht weiterver-
wendet wird wie in der Verpackungs-
Verpackungen müssen kaschiert oder branche. Alle anfallenden Verschnitt-
können, dass kaum Verschnitt entsteht. verklebt werden. Früher wurde hemds- mengen werden direkt abtransportiert,
Das ist ein erster bescheidener Schritt in ärmelig nach der Maßgabe gearbeitet: verpresst und den Materiallieferanten
die richtige Richtung. „Viel hilft viel“. Das bedeutete, dass ein- zur Verfügung gestellt, die diese dann
gesetzte Klebstoffe großflächig und dick zu 100 Prozent zur Wiederherstellung
Einsparungen von 40 bis 50 Prozent aufgetragen wurden. Durch veränderte verwenden können.
können allein durch die richtige Wahl des Techniken werden heute schmale Leim-
Materials erreicht werden. Alle Hersteller spuren in optimaler Stärke aufgebracht. Es ist faszinierend zu sehen, dass es
von Wellpappe und Vollkarton arbeiten Dabei wird die Viskosität gemessen, gelingt, jeden dieser angesprochenen
seit Jahren kontinuierlich daran, das Flä- überwacht und reguliert. Bereiche regelmäßig noch weiter zu
chengewicht bei gleichbleibender Mate- optimieren; was sich immer dann wi-
rialstärke und Steifigkeit zur verringern. derspiegelt, wenn auf Messen Wettbe-
Zeit sparen durch werbsergebnisse präsentiert werden, die
Dieser Effekt zeigt sich besonders bei moderne Maschinen leichter, besser, preiswerter und somit
der Verarbeitung von Wellpappe. Durch In der Produktion tragen Luftbefeuch- effizienter sind.
neue Wellenformen, neue Wellenstär- tungsanlagen dazu bei, dass Leimauf-
ken und Kombinationen der einzelnen träge so gering wie möglich gestaltet Dipl. Ing. Helmut Streiff,
Wellen werden Steifigkeiten erreicht, und keine Scheinklebungen erzeugt Geschäftsführer Streiff
die früher unvorstellbar waren. Stellt werden. Verarbeitungsmaschinen sind & Helmold GmbH
man sich vor, dass eine drei Millimeter
dicke Vollpappe ein Gewicht von 2100
Gramm pro Quadtratmeter hat, so wiegt
eine vergleichbar stabile Wellpappe, die
zusätzlich einen wesentlich besseren
Dämpfungseffekt hat, nur noch 350
Gramm pro Quadratmeter. Daneben
lässt sie sich zudem besser bedrucken
E F F I Z I E N T
und verarbeiten. N A C H H A LT I G
Zeichnung: Streiff & Helmold
WIRTSCHAF TLICH
Wettbewerb Ressourceneffizienz
Eine weitere Möglichkeit, Material für
ANSTOSS!
für die Region
eine Verpackung einzusparen, liegt
eindeutig in der Beschaffung. Je nach
Fertigungsmaschinen gab es früher Ein-
heitsformate, aus denen Verpackungen WETTBEWERB RESSOURCENEFFIZIENZ FÜR DIE REGION
hergestellt wurden. Das übliche Format
im Vollpappbereich war 75 x 100 Zen-
Alle Infos: www.energieeffiziente-region.de/wettbewerb
timeter. Je nach Nutzenformat ent-
Ein Projekt der Allianz für die Region GmbH
10 iQ-Journal 4/2014
titel
Wohin mit Abfällen aus
Kraftfahrzeug-Elektronik?
Wie ELPRO wertvolle Rohstoffe zurückgewinnt
Kraftfahrzeuge werden immer intel- einzustufen sind. Deutschland ist ein winnen lässt, verringert den Carbon
ligenter. Elektronische Komponenten rohstoffarmes Land. Umso wichtiger Footprint seines Produkts um den Wert,
sorgen für viele nützliche Funktionen ist es, die Rohstoffe, die bereits in Pro- der beim Recycling eingespart wird.
zur Beleuchtung, Unterhaltung, Na- dukten verarbeitet sind, durch Recy-
vigation, Effizienzsteigerung bei An- cling zurückzugewinnen. Urban Mining Das Recycling von elektronischen Kom-
trieben und zur Verbesserung der Si- heißt das Gebot der heutigen Zeit, um ponenten aus Kraftfahrzeugen funktio-
cherheit. Schon bei den Zulieferern Abhängigkeiten von Rohstoffliefe- niert so: Die ELPRO hat in Braunschweig
entstehen große Mengen Abfälle als rungen aus anderen Kontinenten zu eine Anlage zur Aufbereitung von elek-
Produktionsausschuss. Hinzu kommen verringern. tronischen Komponenten errichtet. Die
die Abfälle aus dem Testbetrieb der Anlage ist für alle Verbundstoffe aus
Kraftfahrzeughersteller. Noch größere Kleinerer CO2-Fußabdruck Eisen, Nichteisenmetallen und Kunst-
Mengen werden entstehen, wenn die von Produkten stoffen geeignet. Die Miniaturisierung
heute produzierten Fahrzeuge eines Ta- Das Recycling von Metallen spart darü- der Elektronik stellt zunehmende An-
ges stillgelegt werden. ber hinaus erhebliche Mengen an Ener- forderungen an den Aufschlussgrad
gie und verringert den Ausstoß von CO2 der Verbundstoffe und an die Sortier-
Es ist wichtig, elektronische Komponen- gegenüber der Metallgewinnung aus techniken, die das Material nach der
ten aus Kraftfahrzeugen zu sammeln nativen Rohstoffen. Dieser Vorteil ist Zerkleinerung durchläuft.
und zu recyceln. Die elektronischen auch bei der Rückgewinnung von Eisen,
Fotos: ELPRO
Komponenten enthalten seltene Me- Aluminium und Buntmetallen auf die Großstückige Teile mit Kunststoffgehäu-
talle, die nicht nur teuer sind, sondern Habenseite zu buchen. Wer bei der EL- sen – wie z.B. Scheinwerfer und Klima-
auch unter dem Gesichtspunkt der Ver- PRO Elektronik-Produkt Recycling GmbH anlagen – werden zunächst in einem
sorgungssicherheit zum Teil als kritisch in Braunschweig Rohstoffe zurückge- langsam laufenden ZweiwellenbrecheriQ-Journal 4/2014 11
titel
aussortierten Leiterplatten Gold, Silber
und Palladium.
Recycling von Tantal
Eisen, Aluminium, Kupfer und Messing
werden bereits in der Shredderanlage
separiert und an Schmelzwerke gelie-
fert. In einem Forschungsprojekt wird
derzeit auch die Rückgewinnung von
Tantal untersucht.
Nicht zuletzt sind auch die Sicherheits-
Autos, hier Kfz-Elektronik, bergen eine Menge Rohstoffe. Die ELPRO gewinnt interessen der Zulieferer und Kraftfahr-
die Materialien wieder – darunter wie auf unserer Collage Kupfer, Leiterplatten zeughersteller von Bedeutung. Produk-
und Aluminium. tionsausschuss oder Kraftfahrzeugteile
aus dem Testbetrieb sollen nicht in den
vorzerkleinert. Gehäuseteile aus Kunststoff werden Eisen durch Magnetscheider, Verkehr gebracht, sondern nachweis-
werden separiert und zu Ballen gepresst. leitfähige Metalle durch einen Wirbel- lich vernichtet werden.
stromscheider und Leiterplatten durch
Die Metalle werden anschließend in computergesteuerte Sortierautomaten Dr. Dirk Schöps, Geschäftsführer ELPRO
einem schnell laufenden Prallzerkleine- getrennt. Hüttenwerke gewinnen aus Elektronik-Produkt Recycling GmbH,
rer aufgeschlossen. Nach einer Siebung dem abgesiebten Feingut und aus den www.elektronikschrottaufbereitung.de12 iQ-Journal 4/2014
titel
Unsere Mission: die gegensätzlichen
Über Materialeffizienz beim Bau von Schienenfahrzeugen
Schienenfahrzeuge sind langlebige Wirt- notwendig. Materialeffizienz ist für Bau-
schaftsgüter mit einem Lebenszyklus teile, die in größerer Anzahl im Fahr-
von bis zu 45 Jahren. Es werden sowohl zeug verbaut werden, von besonderer
die Konstruktion als auch die Material- Bedeutung, wie etwa Sitze, Isolierung,
auswahl von diversen nationalen und Fußboden, Verkleidungsteile, Fenster.
internationalen Normen sowie gesetz- Da die Systeme hauptsächlich von ex-
lichen und Kundenanforderungen sehr ternen Lieferanten produziert werden,
stark beeinflusst. Beispielhaft wird an verschiebt sich auch die Verantwortung
dieser Stelle der konstruktive und werk- einer materialeffizienten Produktion. Die
stoffliche Brandschutz genannt, der oft- Umsetzung der Isolierung wird nun nä-
mals gegensätzlich zu Anforderungen her betrachtet.
an die Umwelt ist. Hinzu kommt, dass
Schienenfahrzeuge keine Massengüter Um Anforderungen an eine Isolierung
sind, sondern individuell gestaltete Wirt- zu erfüllen, müssen zunächst die As-
schaftsgüter mit Alleinstellungsmerkma- pekte der Klimatechnik, der Geräusch-
len, um sich vom Markt abzuheben. isolierung, des Brandschutzes, der
Umwelt und des Einsatzbereiches des
Früher war der Anschaffungspreis des Fahrzeuges betrachtet werden.
Fahrzeugs das wichtigste und oft das
einzige Auswahlkriterium. Heute wer- Tests an Fahrzeugen
den zusätzlich zum Anschaffungspreis Um die klimatechnischen Anforderun-
auch die Kosten über den Fahrzeugle- gen erfüllen zu können, muss der In-
benszyklus betrachtet. Dabei sind vor nenraum des Fahrzeugs gegenüber der
allem die Wartungs- und die Energieko- Umgebung isoliert werden. Die Wirk-
sten von Bedeutung. samkeit der Isolierung gegenüber ho-
hen und niedrigen Temperaturen wird in
Das Streben nach einer höheren Materi- einem Klimawindkanaltest nachgewie-
aleffizienz unterstützt die Verbesserung sen (www.rta.eu/de/). Die Anforderun-
der Hauptauswahlkriterien. Einerseits gen der Geräuschisolierung werden in Innenausbau der DB-Baureihe 430,
kann das Fahrzeug vermutlich kosten- der TSI Noise (Technical Specification of nachdem die Wärmeisolation ange-
günstiger produziert werden, denn etwa Interoperability; 2011/229/EU) geregelt. bracht wurde.
60 Prozent der Kosten des Fahrzeugs In der TSI wird u.a. die Lautstärke, die in-
sind Materialkosten, und andererseits nerhalb und außerhalb des Fahrzeuges
sinkt auch der Energieverbrauch im entstehen darf, definiert. Der konstruk- Fahrzeug nicht zugelassen. Zuzüglich
Betrieb für das leichtere Fahrzeug. Das tive und werkstoffliche Brandschutz sind gesetzliche Anforderungen an den
Gewicht ist einer der wichtigsten Ein- muss die Anforderungen der TSI Safety Umweltschutz zu erfüllen. Hierbei ist
flussfaktoren für die benötigte Antriebs- in Eisenbahntunneln (2008/163/EG) er- insbesondere die europäische Chemi-
energie und die wiederum macht etwa füllen und wird sowohl auf Komponen- kalienverordnung REACH zu berück-
65 bis 75 Prozent des gesamten Energie- ten- als auch auf Zugebene betrachtet. sichtigen. Die REACH regelt den Einsatz
verbrauchs des Fahrzeugs aus. Hier werden der Brandverlauf sowie die gefährlicher Substanzen und Zuberei-
Foto: Alstom Transport
Toxizität eines Materials begutachtet. In tungen in Stoffen. Die Recyclingquote
Dieser Artikel bezieht sich primär darauf, einem Gutachten werden alle Anforde- wird durch den Kunden vorgegeben
wie das Produkt als solches materialeffi- rungen geprüft und bescheinigt. und muss durch eine geeignete Auswahl
zient gestaltet werden kann. Alternativ an Werkstoffen umgesetzt werden.
lässt sich Materialeffizienz auch in der Alle genannten Anforderungen sind
Produktion betrachten. Dies ist sowohl zulassungsrelevant, d.h. bei Nichter- In der Schienenfahrzeugindustrie wer-
ökologisch sinnvoll als auch ökonomisch füllung der Anforderungen wird das den, trotz der unterschiedlichen An-iQ-Journal 4/2014 13
titel
Anforderungen in Einklang bringen
zusehen wäre – aber das gibt es nicht! mit der das Produkt materialeffizienter
Einige der gewünschten Eigenschaften gestaltet wird. Doch durch die Verwen-
des Werkstoffes sind sogar in sich wider- dung von standardisierten Teilen werden
sprüchlich. durchdachte Lösungen zum Regelfall.
Die Autoren sehen in der Standardisie-
Eine Isolierung aus beispielsweise Stein- rung ein großes Potential für die Materi-
wolle besitzt gute Dämmeigenschaften, aleffizienz. Ob dieses Potential auch eine
ist praktisch nicht brennbar, einfach zu Kosteneinsparung bringen wird, bleibt
handhaben und erfordert übliche Vor- abzuwarten.
sichtsmaßnahmen beim Einbau. Die Her-
stellung von Steinwolle ist aber sehr ener- Für das oben genannte Beispiel der
gieintensiv und nach End-of-life wird sie Wärmeisolierung kann zwar kein An-
größtenteils deponiert. Recyclingverfah- satz standardisiert werden; dazu sind
ren stehen noch nicht flächendeckend die gesetzlichen Anforderungen der
zur Verfügung. Ein weiterer Werkstoff, Länder und die Kundenwünsche zu un-
der in der Gebäudetechnik häufig ver- terschiedlich. Aber es können hervorra-
wendet wird, ist extrudierter Polystyrol- gende Lösungen gesammelt werden, die
Hartschaum, weil er sehr günstig und eine bestimmte Kombination von Anfor-
besonders leicht ist. Aufgrund seiner derungen besonders gut erfüllen.
leichten Brennbarkeit ist eine Verwen-
dung bei Schienenfahrzeugen jedoch Um abschließend die Frage aus dem Titel
ausgeschlossen. Besonders die hohen zu beantworten, wird folgende Aussage
Anforderungen an den werkstofflichen getroffen. In produzierenden Unterneh-
Brandschutz verhindern häufig, dass Lö- men wie der Alstom Transport Deutsch-
sungen aus anderen Industriezweigen land GmbH kann Materialeffizienz durch
übernommen werden können. zwei Arten erreicht werden. Einerseits
durch eine materialeffiziente Produkt-
Beim Flugzeugbau werden Multi-Mate- gestaltung und andererseits durch eine
forderungen und Randbedingungen, rial-Bauteile umfassend eingesetzt, im materialeffiziente Produktion.
oft Lösungen aus angrenzenden Indus- Schienenfahrzeugbereich jedoch nur in
triezweigen übernommen, wie aus der einigen Anwendungen, wie z.B. Fuß- Materialeffizienz ist in der Produktion
Automobil- oder Gebäudeindustrie. boden oder Verkleidungsteile. Faserver- eine ökonomische Notwendigkeit und
Ein perfektes Isolationsmaterial für bundwerkstoffe sind optimale Konstruk- wird bereits angewendet, auch wenn es
Schienenfahrzeuge hätte folgende Ei- tionswerkstoffe, aber absolut konträr nach wie vor Verbesserungspotentiale
genschaften: Es würde einen geringen zum Recycling. gibt. Materialeffizienz im Produkt umzu-
Wärmeübergangskoeffizienten besitzen, setzen, ist in der Schienenfahrzeugindu-
kostengünstig sein, hätte ein geringes Mit Standardisierung strie eine Herausforderung, da von vielen
Gewicht und gute Schalldämmungs- zu mehr Effizienz Seiten – häufig sogar widersprüchliche –
eigenschaften. Zusätzlich hätte es nur Aus den oben angeführten Beispielen Anforderungen an das Produkt gestellt
eine geringe oder keine Brandlast, wäre sollte ersichtlich sein, dass die derzei- werden. Standardisierung, so weit sie
ökologisch unbedenklich und könnte tigen Ansätze, um ein materialeffizientes möglich ist, ist sicherlich nur eine Lö-
gut recycelt werden. Selbstverständlich Schienenfahrzeug zu erhalten, in Um- sung, um eine Materialeffizienz in der
wäre es auch gut handhabbar und ein- setzung sind. Allerdings gibt es mehrere Schienenfahrzeugbranche zu etablieren.
fach zu verarbeiten. Hervorragend wäre Einzelmaßnahmen, durch die Material-
auch, wenn das Material aus einem effizienz im Produkt begünstigt werden Dipl.-Ing. Nathalie Eysoldt und
nachwachsenden Rohstoff hergestellt können. Die Standardisierung von Bau- Dipl.-Ing. Raphael N. Hofstädter,
werden würde und als klimaneutral an- teilen ist an sich noch keine Maßnahme, Alstom Transport Deutschland GmbH14 iQ-Journal 4/2014
titel
Zugabe mit großem Potenzial:
nanoskalige Matrixadditive
Wie sich die Leistungsfähigkeit von CFK verbessern lässt
Materialeffizienz für die Mobilität be- verstärkter Nanokomposite sowie die
deutet vor allem eine Steigerung der Notwendigkeit eines tieferen Verständ-
spezifischen Materialeigenschaften, nisses für die Wirkprinzipien und Mecha-
also gewichtsbezogenen mechanischen nismen in Abhängigkeit des Materials,
Kennwerte. Hier etablieren sich gegen- der Oberflächenfunktionalisierung und
wärtig stürmisch die kohlenstofffaser- der dispersen Eigenschaften in der Ma-
verstärkten Kunststoffe (CFK) wegen trix.
der überragenden spezifischen mecha-
nischen Eigenschaften der Kohlenstoff- In den nächsten drei Jahren hat sich die
faser. Der Kunststoff ist dabei formge- Forschergruppe als Ziele gesetzt:
bend, jedoch mechanisch gesehen das
schwächste Glied in der Kette. Erarbeitung eines vertieften Verständ-
nisses der Wirkmechanismen von na-
Die Steigerung der Leistungsfähigkeit noskaligen Zusätzen in duromeren
faserverstärkter Polymere mit dem Ziel, Matrices endlosfaserverstärkter Hoch-
das hohe Leichtbaupotenzial dieser leistungsverbundwerkstoffe im Hin-
Werkstoffklasse weiter zu erhöhen, ist blick auf verbesserte matrixdominierte
ein weltweit aktuelles Forschungsthe- Verbundeigenschaften und Schaden-
ma. Die Nanotechnologie zeigt dabei ein stoleranz bei unveränderter Prozessier-
hohes Potenzial, die makroskopischen barkeit; Nachweis dieser Wirkung bis
mechanischen Kennwerte von Faserver- auf Bauteilebene.
bundwerkstoffen weiter zu steigern. Ma-
trixdominierte Eigenschaften von end- Mitglied der neuen Forschergruppe, die Experimentelle Untersuchung der
losfaserverstärkten Polymeren lassen sich sich dem Faserverbundleichtbau funktionalen Zusammenhänge zwi-
wirkungsvoll mit nanoskaligen Matrixad- widmet: Doktorandin Alexandra Kühn schen den Partikeleigenschaften und
ditiven verbessern. im Labor. den resultierenden Eigenschaften der
zu verarbeitenden Epoxidharz-Suspen-
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft wird mit einem ersten Förderabschnitt sion sowie insbesondere den resultie-
(DFG) richtete in diesem Jahr eine neue in den kommenden drei Jahren mit rund renden Verbundkennwerten.
Forschergruppe an der Technischen Uni- 1,5 Millionen Euro gefördert.
versität Braunschweig mit Beteiligung des Skalenübergreifende Simulation ent-
DLR-Instituts für Faserverbundleichtbau Im Mittelpunkt der Forschung stehen lang der Prozesskette bis hin zur Bau-
und Adaptronik ein. Neben dem Institut sogenannte faserverstärkte Nanokom- teilebene. Durch die Kombination
für Adaptronik und Funktionsintegration posite, die zukünftig von großer Bedeu- experimenteller Untersuchungen und
und dem Institut für Partikeltechnik der tung für den Leichtbau sind und unter simulativer Methoden soll ein ganz-
Technischen Universität Braunschweig anderem beim Flugzeug- und Automo- heitliches Verständnis der Wirkprin-
sind auch das Institut für Statik und Dy- bilbau eingesetzt werden können. Die zipien und grundlegenden Mechanis-
namik der Leibniz-Universität Hannover, Studien im Rahmen von Vorarbeiten der men erhalten werden.
das Institut für Polymerwerkstoffe und Forschergruppe 2021 zeigen, dass signi-
Kunststofftechnik der TU Clausthal und fikante Steigerungen der faserparallelen
die Bundesanstalt für Materialprüfung Druckfestigkeit von Faserverbunden mit Prof. Dr.-Ing. Michael Sinapius,
in Berlin beteiligt. Die Forschergruppe nanopartikelverstärkten Matrices mög- TU Braunschweig und DLR Braun-
Foto: DLR
„Wirkprinzipien nanoskaliger Matrixad- lich sind. Die Ergebnisse zeigen deutlich schweig, und Dr.-Ing. Peter
ditive für den Faserverbundleichtbau“ das große Potenzial dieser endlosfaser- Wierach, DLR BraunschweigiQ-Journal 4/2014 15
Titel
Vorteil für Technik und Umwelt
Polymerschmierstoff: Lösung für mineralölfreie Produktion
Kühlschmierstoffe (KSS) werden in über die Carl Bechem GmbH aus Hagen von schmierstoff verglichen. Dabei konnte
eine Million Werkzeugmaschinen in 2005 bis 2011 in einem Forschungspro- gezeigt werden, dass die Substitution des
Deutschland verwendet und sind dort jekt gemeinsam an der Entwicklung eines Mineralöls eine erhebliche Verminderung
unverzichtbare Systemkomponenten, um polymerbasierten Kühlschmierstoffes ge- der potenziellen Umweltwirkungen zur
eine wirtschaftliche Fertigung von Pro- arbeitet. Folge hat.
dukten zu ermöglichen. Sie übernehmen
die Aufgaben des Kühlens, des Spülens Forschung macht’s möglich Die Polymer-Lösung wird bereits erfolg-
und des Schmierens in der Kontaktzone Bei den verwendeten Polymeren handelte reich durch die Carl Bechem GmbH un-
zwischen Werkzeug und Werkstück. Hier- es sich um Biopolymere aus nachwachsen- ter der Produktbezeichnung BERUFLUID
durch wird unter anderem der Werkzeug- den Rohstoffen, die auch in der Lebens- vertrieben und in metallbearbeitenden
verschleiß gesenkt, welches sich positiv mittelindustrie zugelassen sind. Aufgrund Unternehmen für verschiedenste Zer-
auf die Werkzeugstandzeit auswirkt und der verdickenden Wirkung der Polymere spanungsoperationen mit geometrisch
die Oberflächengüte verbessert, so dass und des hohen Wasseranteils des KSS ge- bestimmter und unbestimmter Schneide
Ausschuss und Kosten minimiert werden. lang es zum ersten Mal im Rahmen des sowie Umformoperationen eingesetzt. Zu
Projektes, die positiven Eigenschaften von der Erfolgsgeschichte der Polymer-Lösung
Basis heutiger Kühlschmierstoffe ist auf- wassermischbaren und nichtwassermisch- gehört darüber hinaus auch die Auszeich-
grund seiner guten Schmiereigenschaften baren Schmierstoffen, also Kühlung und nung mit dem deutschen Rohstoffeffizi-
Mineralöl. Die deutsche Industrie und das Schmierung, miteinander zu verknüpfen. enzpreis 2011.
Handwerk setzen gemäß dem Bundes-
amt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle Die Funktionsweise der Polymere, die Vis- M. Sc. Nadine Madanchi, Dipl.-Wirtsch.-
jährlich rund 1,03 Millionen Tonnen Mine- kosität des Wassers zu erhöhen, kann sehr Ing. Marius Winter, Dr.-Ing. Tina Dett-
ralölprodukte ein, deren Beschaffung und treffend mit „dem Binden einer Soße mit mer, Prof. Dr.-Ing. Christoph Herrmann,
Beseitigung pro Jahr Kosten in Höhe von Mehl“ verglichen werden. Wasser und Po- Institut für Werkzeugmaschinen und
ca. 3,3 Milliarden Euro verursachen. lymer bilden dabei eine Lösung, welche Fertigungstechnik, TU Braunschweig
als Kühlschmierstoff zusätzlich biologisch
Schattenseite des Öls stabiler ist als die konventionelle Emulsion
Die Verwendung von Mineralöl, insbeson- zwischen Wasser und Öl. Technologische
dere als Basisfluid in nichtwassermisch- Untersuchungen haben gezeigt, dass die
baren Kühlschmierstoffen, ist zudem mit Polymer-Lösung auch über höhere Leis-
weiteren Nachteilen verbunden. Neben tungsgrenzen verfügt als mineralölbasier-
einer Kostenbelastung durch stetig stei- te Emulsionen. Trotz des im Vergleich zu
gende Mineralölpreise zählen hierzu die einer Emulsion höheren Einstandspreises
Notwendigkeit zur Einrichtung von Sicher- ist daher eine wirtschaftliche Fertigung
heits- und Brandschutzmaßnahmen, eine möglich, da bei gleicher Werkstückqua-
aufwendige und energieintensive Bauteil- lität ein verringerter Werkzeugverschleiß
reinigung sowie die gesundheitliche Be- und somit geringere Werkzeugkosten vor-
einträchtigung der Mitarbeiter. Darüber liegen.
hinaus ist Erdöl eine endliche Ressource.
Neben den technischen Vorteilen wurden
Mit dem Ziel, sich von Mineralöl als Ba- auch vergleichsweise niedrige potenzielle
sisfluid unabhängig zu machen und so- Umweltwirkungen der neuen Lösung
mit auch den aufgeführten Nachteilen durch eine lebensphasenübergreifende
entgegenzuwirken, haben das Institut Ökobilanzierung ermittelt. In einer Ana-
für Werkzeugmaschinen und Fertigungs- lyse von der Rohstoffgewinnung über
Foto: IWF
technik (IWF) der TU Braunschweig, das den Einsatz in der industriellen Fertigung
Fraunhofer Institut für Verfahrenstechnik bis zur Entsorgung wurde die Polymer-
und Verpackung (IVV) aus Freising und Lösung mit einem mineralölhaltigen Kühl- Kühlschmierstoffeinsatz beim Schleifen.16 iQ-Journal 4/2014
Porträt
Ingenieure
… bewegen die Welt in vier Takten,
zum Beispiel Nikolaus Otto
Nikolaus August Otto wurde am 14. Juni torenfabrik der Welt. Sie erfanden ei-
1832 als jüngstes von sechs Kindern ei- nen funktionsfähigen atmosphärischen
ner Landwirtsfamilie in Holzhausen Gasmotor, der auf der Weltausstellung
a. d. Heide (Nassau/Taunus) geboren. Er 1867 in Paris als wirtschaftlichster An-
verlor seinen Vater noch im Geburtsjahr. trieb eine Goldmedaille erhielt, konn-
Nach Besuch von Volks- und Realschule te er doch mit Dampfmaschinen kon-
absolvierte er, obwohl eigentlich natur- kurrieren. Es war ein Flugkolbenmotor
wissenschaftlich interessiert, eine mit Zahnstange (statt Kurbeltrieb). Sein
Kaufmannslehre. Mit zwanzig Kraftstoffverbrauch betrug nur ein Drit-
Jahren ging er nach Frank- tel derzeit bekannter Triebwerke. Das
furt/Main, ein Jahr später war der Durchbruch. Als Serienprodukt
nach Köln und lernte als fand er großen Absatz in Gewerbe und
Handlungsreisender in Industrie. Um ökonomischer zu produ-
Kolonialwaren West- zieren, brachte der Hamburger L. A.
deutschland kennen. In Roosen-Runge frisches Kapital ins Un-
Köln, seiner neuen Hei- ternehmen. Es entstand die Firma Lan-
mat, fand er seine Ehe- gen, Otto & Roosen. Leider kam es in
frau Anni Gossi. Sie hei- den Folgejahren in der Firmenleitung zu
rateten 1868 und hatten Spannungen, auch weil sich der eigent-
sieben Kinder miteinander. liche, ingeniöse Leistungsträger Otto
von den Geschäftspartnern übervorteilt
… sind Technikpioniere: fühlte.
Die Kunde von einem neuar-
tigen Verbrennungsmotor des … sind mutige Unternehmer:
Franzosen Jean J. E. Lenoir im Jahre 1872 konnte ihre Motorenfabrik Deutz
1860 weckte Ottos Erfindergeist. Mit AG gegründet werden. Langen leitete
seinem Bruder Wilhelm begann er auto- das Werk, brachte drei seiner Brüder mit
didaktisch die Idee weiterzuentwickeln. ein. Otto übernahm das Kaufmännische.
Bereits 1861 meldeten sie ein Patent an. Einige Jahre wirkten hier, sich gegensei-
Es wurde abgelehnt. Deshalb zog sich tig befruchtend, auch Gottlieb Daimler
Motor Nr. 1, Flug- Wilhelm entmutigt zurück. Doch Ni- und Wilhelm Maybach mit. Die Leistung
kolbenmotor mit colaus Otto experimentierte weiter zu- ihres Motors konnte von zwei auf drei
Zahnstangentrieb sammen mit dem Mechaniker Michael PS gesteigert werden.
J. Zons und gab dazu 1862 seine Han-
delstätigkeit auf. Otto, in seinem Inneren Erfinder und
Maschinenbauer, experimentierte stän-
Jetzt, ohne festes Einkommen, zehrten dig weiter. So entdeckte er 1876, dass
immer neue Modellkonstruktionen sein sich im Zylinder erheblich mehr Kraft
Erspartes auf. So wurde für ihn der entfaltete, wenn das Gas-Luft-Ge-
Ingenieur Eugen Langen, vermö- misch unmittelbar nach der vom Kol-
Fotos: Deutz AG
gender Sohn eines Zuckerfa- ben erzeugten Verdichtung, also zum
brikanten, zum Glücksfall. Zeitpunkt der höchsten Kompression,
Gemeinsam gründeten gezündet wurde, erreicht durch die Takt-
sie 1864 die N. A. Otto folge Ansaugen, Verdichten, Verbren-
& Cie. als erste Gasmo- nen, Ausschieben. Diese Erkenntnis wariQ-Journal 4/2014 17
porträt
ren bis zu hundert PS und wurde zum 59 Jahren erlag er am 26. Januar 1891
Vorbild für alle weiteren Antriebe. in Köln einem Herzleiden und wurde auf
dem Friedhof Melaten beigesetzt.
… erfahren Wertschätzung:
Für seine Pionierleistung verlieh die Philo- Höchste Ehrung erfuhr der Motorpionier.
sophische Fakultät Würzburg Otto 1882 1946 wurde sein Motor zur DIN-Norm:
die Ehrendoktorwürde. Er partizipierte Verbrennungsmotoren mit zeitlich gesteu-
auch am wirtschaftlichen Erfolg. Sein erter Fremdzündung heißen nun in der
Aktienanteil stieg 1883 auf 21 Prozent. ganzen Welt „Ottomotor“. Seit 1990 steht
Gleichberechtigt stand er neben Langen. sein Denkmal am Kölner Rathausturm, seit
Nicolaus Otto 1832-1891, Maschinen- 1884 konnte Otto die als Zündquelle 2005 ein Grabstein von ihm und seiner
bauer, Erfinder des Viertakt-Motors. benutzte Gasflamme, die sich eher für Frau auf oben genanntem Friedhof.
stationären Einsatz eignete, durch die
dynamoelektrische Niederspannungs- Dr.-Ing. Hans Sonnenberg VDI
eine Revolution: die vier Takte, die die magnetzündung ersetzen. Das Patent
Welt bewegen sollten, „der Ausgangs- wurde in England angemeldet. Jetzt war Schrifttum:
- Brockhaus Enzyklopädien 14, Wiesbaden
punkt für einen Viertakt-Gasmotor“, wie die Verwendung auch flüssiger Kraft- 1972, S. 80 und 83 sowie 10, 1970, S. 273
er später selbst bemerkte. 1877 wurde stoffe möglich und damit der weitaus - Eckart Pasche: Vier Takte bewegen die Welt.
VDI Nachrichten 20.6.2014, Nr. 25
der Deutz AG für seinen „Ottomotor“ bedeutendere mobile Einsatz, z.B. für - Walter Kaiser/Wolfgang König (Hrsg.): Geschichte
das Patent DRP 532 erteilt. Dieser Motor Straßenfahrzeuge. Zermürbende ge- des Ingenieurs. 2006 Carl Hanser Verlag, S. 200-201
- http://www.rheinische-geschichte.lvr.
mit verdichteter Ladung war entwick- richtliche Patent-Auseinandersetzungen de/persönlichkeiten/O/Seiten/NicolausAu-
lungsfähig. Er leistete in den 1880er Jah- beeinträchtigten Ottos Gesundheit. Mit gustOtto.aspx. Zugriff 11.8.2014
Ottos Viertakt-Motor aus der Deutz AG, drei PS, 180 U/min (1876).18 iQ-Journal 4/2014
Intern
Viel Erfolg mit Mathe – und kein
Sonnenbrand
Lob und Preise für die Sieger unseres Schreibwettbewerbs
57 Mädchen und Jungen im Alter von 8 relli, Jona Meyer, Paul Mousan, Nathalie Liam Schreckenberg, Nicolas Schulz/
bis 17 Jahren wussten mit Mathematik Opilo, Pauline Padberg, Janos Pankau, Härtel, Emma Marie Schwarz, Katery-
etwas anzufangen. Sie empfanden Ma- Luisa Plaetschke, Nina Poppitz, Diego na Senderova, Elisa Störmann, Caroli-
the durchaus nicht als unbeliebt. Das Poethke, Thomas Richter, Lana Ross, ne Tischer, Nele Voges, Nathan Wahlig,
bewiesen Sie mit ihrer Teilnahme an Marcel Sadrinna, Dyar Sarochan, Mau- Tom Luca Winter, Lars Wittneben, Sarah
unserem zum zweiten Mal gemeinsam reen Scharnhorst, Madlen Schiemenz, Wode.
mit der Industrie- und Handelskammer Sofia Schleiermacher, Sophie Scholz,
Braunschweig (IHK) und der Braun- Natürlich wurde die Aufgabe unter-
schweiger Zeitung (BZ) durchgeführten schiedlich aufgefasst und sehr indivi-
und von der Wolfsburg AG geförderten duell bewältigt. Aber es gab vielfältige
Wettbewerb „Erfolg mit Mathe“. Anwendungen und sehr schöne, origi-
Schüler dreier Altersgruppen sollten nelle und spannende Geschichten, alle
ein Erlebnis schildern, bei dem ihnen mit viel Phantasie und großer Erzähl-
die Anwendung ihrer mathematischen freude, mit Genuss zu lesen. Allen, die
Kenntnisse zu einem Erfolg verholfen mitgemacht haben, gilt unser Respekt.
hätte. Dafür winkten Geldpreise und Unser Anliegen ist, junge Menschen
ein Besuch des paläon in Schöningen für Naturwissenschaft und Technik zu
mit den Siegerklassen. begeistern. Jeder Teilnehmer, der sich
angestrengt hat, hat diesem Ziel ge-
Erfreuliche Resonanz dient und es zum Erfolg geführt. Des-
Nach Aufrufen der Braunschweiger Zei- halb danken wir jedem von ihnen ganz
tung, auch dank des freundlichen En- ausdrücklich.
gagements vieler Lehrkräfte der Grund-
schulen Destedt und Hondelage, der Dr. Wolf-Michael Schmid, Präsident Zur feierlichen, öffentlichen Preisverlei-
Gymnasien Am Bötschenberg, Helm- der IHK, bei der Begrüßung. hung am 27. Juni 2014 im Kongress-
stedt, Ratsgymnasium, Phoenix-Gym- saal der IHK konnten deren Präsident
nasium und Albert Schweitzer-Gym- Dr. Wolf-Michael Schmid und der
nasium, Wolfsburg sowie Gaußschule, VDI-Vorsitzende Prof. Dr.-Ing. Harald
Ricarda-Huch-Schule und Martino-Ka- Bachem ein interessiertes, hochrangi-
tharineum, Braunschweig, beteiligten ges Auditorium einführen. Eine anre-
sich folgende Schüler und Schülerinnen: gende Begrüßung hörten wir von Julius
von Ingelheim, Sprecher des Vorstands
Denise Arndt, Pia Bauer, Selin Bayar, der Wolfsburg AG, die das Vorhaben
Maarten-Connor Behne, Anna-Luisa sponsert – Vorstand Thomas Krause war
Biesterfeld, Ann-Kathrin Breier, Philipp leider verhindert. Ein einfühlsames, die
Dietze, Alida Eder, Theresa Erhorn, Me- Verbindung von Mathematik und Spra-
lina Florentin, Gabriel Gabbey, Emma che hervorhebendes, sehr persönliches
Gollmer, Sophia Görling, Paul Hahn, Grußwort unserer Schirmherrin, Bun-
Jana Hannibal, Dennis Naumann/Härtel, desministerin Prof. Dr. Johanna Wanka
Maxi Hartig, Thies Henningsen, Han- verlas Sabrina Pohl, Berufsbildung und
nah Hollenbach, Leon Hütter, Philipp Öffentlichkeitsarbeit der IHK. Und TU-
Karwacki, Jonas Krömer, Jasper Kühnel, Julius von Ingelheim, Vorstand der Professor Dr. Thomas Sonar erntete mit
Verena Kurzke, Tjark Langpap, Victoria Wolfsburg AG, Sponsor des Wett- seinem verblüffenden, launigen Vortrag
Regina Lempa, Rebecca Manske, Lucie bewerbs, ermunterte die Schüler, über „Mathematische Schweinereien“
May, Chris Mende, Alexandra Merco- ihr Talent zu nutzen. begeisterten Beifall.Sie können auch lesen
