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Wissenschaft und Beratung






Polyamides from a waste stream of the wood industry

Fraunhofer researchers have developed a process for the manufacturing of high-quality plastics from terpenes, a waste stream of the cellulose production. They will present their new bioplastic and its possible applications from October 19 – 26 at the K 2016 trade fair in Düsseldorf. Visitors can find the joint Fraunhofer booth in Hall 7, Booth SC01. 

Even if fossil resources got much cheaper in the last years there are big efforts to replace standard plastics by substances made from renewable resources. A reduced consumption of fossil resources is especially important because of the climate change caused by the release of carbon dioxide. Apart from the production of biodegradable polymers, for example for packaging applications, there is a big interest in high performance materials made from renewable resources.

The synthesis of polyamides from terpenes was developed at BioCat – Bio, Electro and Chemocataysis, the Straubing branch of Fraunhofer IGB. BioCat, headed by Professor Volker Sieber works on techniques for converting terpenes – a side stream of the cellulose production from wood – into biosurfactants, biobased epoxides or monomers for biobased polyamides with new properties (see also the boxes “What are terpenes?” and “Polyamides made of 3-carene”). “Because of the special chemical structure of terpenes, polyamides from 3-carene based lactams are highly transparent,” explains project manager Dr. Harald Strittmatter. ”This gives the possibility of new applications, like ski goggles or visors of helmets.” It will be possible to manufacture products like coatings, textiles and adhesives from the biobased polyamides.

Enzymes and harmless reagents instead of toxic chemicals

Why are the Fraunhofer researchers working with terpenes? “It’s a renewable resource that is generated in large quantities as a side stream of the pulp production as well as in the fruit industry. As a waste stream the application of terpenes for the production of new bio-plastics is in no conflict with the need of food production for humans and animals” explains Dr. Strittmatter. Today big amounts of the terpenes available are not used as a valuable biobased raw material but incinerated for the energy supply of the pulp mills. Because of the complex structure of the terpenes, a much higher value application is desirable. ”Similar compounds are only accessible from fossil resources with great effort,” Dr. Strittmatter says. The structure of terpenes allows polyamides with special characteristics, such as high transparency. For the synthesis of polyamides, terpenes have to be modified. By an oxidation step, a so called carbonyl group is introduced, which can be converted into a lactam, a monomer building block of polyamides. The benefits of the process: The synthetic route for the production of terpene-based lactams is shorter and – even more important – combines bio- and chemocatalytic reaction steps which allow avoidance of harmful reagents.

Up to now, these biobased plastics have been manufactured only in the laboratory; although the plan is to develop a synthetic route which allows a future production in industrial scale. However, Dr. Strittmatter and his team intend to make a contribution to the replacement of fossil based chemicals with renewable resources.

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New antireflective coating reduces stray light and reflections

Transparent plastic optical lenses can be manufactured cheaply and in any shape. However, a downside is that they reflect light just as much as glass does. At the K trade fair in Düsseldorf, Fraunhofer researchers are exhibiting a new type of antireflective coating that significantly reduces stray light and reflections from plastic lenses. Not only does this improve the performance of cameras and headlights, it’s also good news for virtual reality technologies and Industrie 4.0.

Optical lenses’ main task is to focus light. They enable cameras to take sharply focused photos, and LED headlamps to shine brightly and flexibly adjust their beam. For optimum control over the path of a ray of light, complex lens systems are necessary. These consist of several differently shaped lenses. Today, the preferred material for lenses is transparent plastic, as the inexpensive process of plastic injection molding can be used to produce lenses in any shape. However, one problem remains: the fact that light reflects from the lenses’ surface. Plastic has a refractive index (a measure of how much light is reflected) of approximately 1.5. In contrast, the refractive index of air is 1; this means plastic lenses reflect roughly 8 percent of incoming light. “Curved surfaces intensify this effect when light strikes them at an oblique angle of incidence,” explains Dr. Ulrike Schulz from the Plastic Optics department at the Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF in Jena.

Refractive index greatly reduced

Fraunhofer IOF scientists will be attending the K 2016 trade fair in Düsseldorf, the most important trade fair for the plastics and rubber industry worldwide, from October 19-26 (Hall 7, Booth SC01) to exhibit a new type of antireflective coating for curved plastic lenses. The coating reduces the refractive index at the surface of plastic optics almost to 1.1, offering a near-perfect transition to air. Fraunhofer IOF has recently tested prototypes of the coating in different lens systems, in close cooperation with industry partners. The results show that the technique noticeably reduces what is known as stray light: reflected light that scatters through the lens systems, for example in cameras, and interferes with how they focus rays of light. Moreover, the researchers’ experiments proved that lenses treated with the antireflective coating developed at Fraunhofer IOF let through significantly more light than conventional lenses.
This new technology will be of benefit not only in camera optics and car headlamps but also to several growth areas such as virtual reality or gesture controlled devices for Industrie 4.0. “Imaging systems are growing ever more important as a data gathering tool – and they will need ever more powerful optical lenses,” Dr. Schulz predicts.

New multilayer nanomaterial

The antireflection system developed by the Fraunhofer IOF researchers in Jena sandwiches several innovative nanostructured film layers with conventional homogeneous oxide layers. In successive layers, the researchers dilute the plastic with more air, until the refractive index at the surface is almost equal to that of air. They accomplish this using new nanomaterials that can be applied to lenses with complex shapes. The stacking of multiple layers allows them to double the thickness of the antireflective coating relative to previous solutions. Conventional antireflective coatings can only be distributed unevenly on curved lenses – such that the coating is always thinner at the edge than on the convex center. “This physical thinness translates into optical thinness: the thinner layer only prevents reflections of short-wave light. By contrast, several layers of nanostructured film can cover a wider wavelength spectrum, while at the same time reducing reflections of light at oblique angles,” Dr. Schulz explains. Plastic optics are particularly suited to this process. The bottom layer of the antireflective coating can be directly incorporated into the plastic using plasma etching. “In this way, we can apply antireflective coating to a wide range of plastics,” Dr. Schulz says.

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Lightweight rotor blades made from plastic foams for offshore wind turbines

Offshore wind turbines are becoming ever larger, and the transportation, installation, disassembly and disposal of their gigantic rotor blades are presenting operators with new challenges. Fraunhofer researchers have partnered with industry experts to develop highly durable thermoplastic foams and composites that make the blades lighter and recyclable. Thanks to their special properties, the new materials are also suitable for other lightweight structures, for instance in the automotive sector. The first demonstrators will be on display at the K 2016 trade fair in Düsseldorf from October 19 to 26.

The trend toward ever larger offshore wind farms continues unabated. Wind turbines with rotor blades measuring up to 80 meters in length and a rotor diameter of over 160 meters are designed to maximize energy yields. Since the length of the blades is limited by their weight, it is essential to develop lightweight systems with high material strength. The lower weight makes the wind turbines easier to assemble and disassemble, and also improves their stability at sea. In the EU’s WALiD (Wind Blade Using Cost-Effective Advanced Lightweight Design) project, scientists at the Fraunhofer Institute for Chemical Technology ICT in Pfinztal are working closely with ten industry and research partners on the lightweight design of rotor blades (see box). By improving the design and materials used, they hope to reduce the weight of the blades and thus increase their service life.

Thermoplastics are replacing thermoset-based materials

These days, rotor blades for wind turbines are largely made by hand from thermosetting resin systems. These, however, don’t permit melting, and they aren’t suitable for material recycling. At best, granulated thermoset plastic waste is recycled as filler in simple applications. “In the WALiD project, we’re pursuing a completely new blade design. We’re switching the material class and using thermoplastics in rotor blades for the first time. These are meltable plastics that we can process efficiently in automated production facilities,” says Florian Rapp, the project coordinator at Fraunhofer ICT. Their goal is to separate the glass and carbon fibers and to reuse the thermoplastic matrix material.

For the outer shell of the rotor blade, as well as for segments of the inner supporting structure, the project partners use sandwich materials made from thermoplastic foams and fiber-reinforced plastics. In general, carbon-fiber-reinforced thermoplastics are used for the areas of the rotor blade that bear the greatest load, while glass fibers reinforce the less stressed areas. For the sandwich core, Rapp and his team are developing thermoplastic foams that are bonded with cover layers made of fiber-reinforced thermoplastics in sandwich design. This combination improves the mechanical strength, efficiency, durability and longevity of the rotor blade. “We’re breaking new ground with our thermoplastic foams,” says Rapp.

Lightweight construction material for new applications

The ICT foams provide better properties than existing material systems, thus enabling completely new applications – for instance in the automotive, aviation and shipping industries. In vehicles, manufacturers have been using foam materials in visors and seating, for example, but not for load-bearing structures. The current foams have some limitations, for instance with regard to temperature stability, so they can’t be installed as insulation near the engine. “Our meltable plastic foams, by contrast, are temperature stable and therefore suitable as insulation material in areas close to the engine. They can permanently withstand higher temperatures than, for example, expanded polystyrene foam (EPS) or expanded polypropylene (EPP). Their enhanced mechanical properties also make them conceivable for use in door modules or as stiffening elements in the sandwich composite,” reports Rapp. They can be processed quickly and they save material. Yet another advantage is that thermoplastic foams are more easily available than renewable sandwich core materials such as balsa wood. These innovative materials are manufactured in the institute’s own foam extrusion plant in Pfinztal. Rapp explains the process: “We melt the plastic granules, mix a blowing agent into the polymer melt and foam the material. The foamed, stabilized particles and semi-finished products can then be shaped and cut as desired.” In the area of foamed polymers, the ICT foam technologies research group covers the entire thermoplastic foams production chain, from material development and manufacture of extrusion-foamed particles and semi-finished products to process media and finished components.

The researchers will be presenting a miniature wind turbine made from the new foams and composites at the K 2016 trade fair in Düsseldorf from October 19 to 26. Visitors can see the demonstrator at the joint Fraunhofer booth, SC01, in Hall 7.0.

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Polyamide aus Holzabfällen

Aus Abfällen der Papierproduktion lassen sich hochwertige Kunststoffe herstellen. Wie das geht, haben Fraunhofer-Forscher herausgefunden. Die Funktionsweise ihres umweltfreundlichen Produktionsverfahrens demonstrieren sie vom 19. bis 26. Oktober auf der Messe K in Düsseldorf am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand in Halle 7, Stand SC01.

Auch wenn sich die Ölpreise im Sinkflug befinden, sind fossile Grundstoffe in der Kunststoffherstellung kein zukunftsweisender Weg. Zumal es in Zeiten des Klimawandels darum gehen muss, so wenig Kohlendioxid wie möglich freizusetzen und das Wirtschaften nachhaltiger zu gestalten – etwa, indem vermehrt nachwachsende Roh-
stoffe genutzt werden. Dabei lassen sich aus pflanzlicher Biomasse aufgrund der Vielfalt an chemischen Strukturen auch neue Chemikalien und Polymere mit herausragenden Eigenschaften gewinnen, wie das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB zeigt.

Den Straubinger Forschern geht es nicht um kompostierbare Plastiktüten, sondern um stabile High-Performance-Kunststoffe für spezielle Anwendungen, die sich umweltfreundlich herstellen lassen. An dem Straubinger Institutsteil BioCat des IGB, das Professor Volker Sieber leitet, wurden Verfahren für die Umwandlung von Terpenen, sprich Reststoffen der Cellulosegewinnung aus Holz, zu Biotensiden, biobasierten Epoxiden oder Monomeren für besonders schlagfeste, kältestabile Polyamide entwickelt (siehe auch Kasten »Was sind Terpene?« und »Polyamide aus 3-Caren«). »Diese Hochleistungspolyamide der terpenbasierten Monomere Campherlactam und Caranlactam weisen aufgrund ihrer amorphen Eigenschaften eine hohe Transparenz auf«, erklärt Projektleiter Dr. Harald Strittmatter. »So werden neue Anwendungen, etwa für Skibrillen oder Visiere von Helmen, möglich.« Aus den biobasierten Polyamiden lassen sich aber auch Produkte wie Folien, Textilien oder Klebstoffe herstellen.

Enzyme und unbedenkliche Stoffe ersetzen Chemikalien

Warum greifen die Fraunhofer-Forscher ausgerechnet zu Terpenen? »Sie sind ein nachwachsender Rohstoff, der als Abfallstoff der Zellstoffproduktion, aber auch in der Fruchtsaftindustrie in großen Mengen anfällt. Damit gibt es keine Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion, wodurch sich die Teller-Tank-Diskussion erübrigt«, erläutert Strittmatter. Bislang werden diese Abfälle meist verbrannt. Das ist auch insofern un-
befriedigend, als die chemische Struktur von Terpenen in ihrer Komplexität äußerst interessant ist. »Entsprechende Verbindungen können aus fossilen Grundstoffen nur sehr aufwändig hergestellt werden«, sagt der Projektleiter. Die besondere Terpen-Struktur ermöglicht Polyamide mit speziellen Eigenschaften, wie der hohen Durchsichtigkeit, herzustellen. Hierfür müssen die Terpene chemisch modifiziert werden. Durch Oxidation wird eine sogenannte Carbonylgruppe eingeführt, die in einer weiteren Reaktionsstufe zu einem Lactam, dem Monomerbaustein für Polyamide, umgesetzt werden kann. Auch hier zeigt das Fraunhofer-Verfahren Vorteile: Es sind weniger Syntheseschritte als üblicherweise erforderlich. Vor allem aber: »Wir verwenden statt heikler Chemikalien Enzyme und andere unbedenkliche Stoffe«, betont Strittmatter.

Bislang werden die biobasierten Kunststoffe noch im Labormaßstab hergestellt. Ziel ist es, das Verfahren in den Produktionsmaßstab zu überführen. Strittmatter und sein Team verfolgen aber noch eine weit größere Absicht: »Wir wollen einen Beitrag zur Biologisierung der Wirtschaft leisten.«

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Neue Entspiegelung verringert Falschlichter und Reflexionen

Optische Linsen aus transparentem Kunststoff lassen sich günstig und in beliebigen Formen herstellen. Doch sie reflektieren Licht genauso stark wie Glas. Auf der Messe K in Düsseldorf stellen Fraunhofer-Forscher eine neuartige Entspiegelung vor, die Falschlichter und Reflexionen von Kunststofflinsen deutlich reduziert. Das macht nicht nur Kameras und Autoscheinwerfer leistungsfähiger, auch optische Technologien für Virtual Reality und Industrie 4.0 profitieren.

Optische Linsen haben die Aufgabe, Licht zu bündeln. In Kameras entstehen so scharfe Bilder, LED-Autoscheinwerfer strahlen hell und lassen sich flexibel steuern. Um den Weg der Lichtstrahlen optimal zu leiten, sind komplexe Linsensysteme notwendig. Sie bestehen aus mehreren Linsen in unterschiedlichen Formen. Bevorzugtes Material der Linsen ist mittlerweile transparenter Kunststoff. Das günstige Spritzgussverfahren lässt beliebige Formen zu. Ein Problem bleibt: Die Lichtreflexion an der Oberfläche der Linsen. Die Brechzahl – ein Maß dafür, wie stark Licht reflektiert wird – liegt für Kunststoff bei etwa 1,5. Zum Vergleich: Luft hat die Brechzahl 1, sodass eine Linse rund 8 Prozent des einfallenden Lichts reflektiert. »Gekrümmte Oberflächen verstärken diesen Effekt, wenn das Licht in schrägem Einfallswinkel auftrifft«, erklärt Dr. Ulrike Schulz aus der Abteilung »Optische Schichten« des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena.

Brechzahl deutlich reduziert

Auf der Messe K (Halle 7.0, Stand SC01), der weltweit bedeutendsten Messe der Kunststoff- und Kautschukindustrie, stellen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Thüringen vom 19. bis 26. Oktober 2016 in Düsseldorf eine neuartige Entspiegelungsschicht für gekrümmte Kunststofflinsen vor. Sie reduziert die Brechzahl an den Oberflächen der Kunststoffoptiken auf fast 1,1 und bietet damit einen nahezu perfekten Übergang zur Luft. Das Jenaer Fraunhofer-Institut hat in enger Kooperation mit Industriepartnern bereits Prototypen der Schicht auf verschiedenen Linsensystemen getestet. Das Ergebnis: Die Technologie reduziert sogenanntes Falschlicht deutlich. Falschlichter sind Reflexionen, die zum Beispiel in Linsensystemen von Kameras herumgeistern und das Bündeln der Lichtstrahlen stören. Außerdem konnten die Forscher in ihren Versuchen nachweisen: Linsen die mit der IOF-Entspiegelung beschichtet sind, lassen deutlich mehr Licht durch als herkömmliche Linsen.

Neben Kameraoptiken und Autoscheinwerfern profitieren von der neuen Technologie auch Wachstumsfelder wie Virtual Reality oder gestengesteuerte Maschinen für die Industrie 4.0. »Die Bedeutung von optischen Systemen zur Erfassung von Informationen nimmt weiter zu. Dafür werden immer leistungsstärkere Linsensysteme benötigt«, prognostiziert Dr. Schulz.

Neues mehrlagiges Nanomaterial

Das Antireflexionssystem der Jenaer Wissenschaftler kombiniert mehrere neue na-
nostrukturierte Schichten mit bisher üblichen homogenen Oxidschichten – in Lagen übereinander gestapelt. Mit jeder Schicht verdünnen die Forscher den Kunststoff stärker mit Luft. Solange, bis die Brechzahl der Oberfläche fast der der Luft entspricht. Das gelingt ihnen, indem sie neue Nanomaterialien verwenden, die sie auf komplex geformte Linsen aufbringen können. Das Stapeln mehrerer Lagen ermöglicht es ihnen, die Entspiegelungsschicht im Vergleich zu bisherigen Lösungen doppelt so dick zu machen. Herkömmliche Entspiegelungsschichten lassen sich nur ungleichmäßig auf gekrümmten Linsen verteilen: Am Rand wird die Schicht dünner als in der gewölbten Mitte. »Physikalisch dünn heißt auch optisch dünn: Die dünne Schicht entspiegelt nur kurzwelliges Licht. Mehrere Lagen von nanostrukturierten Schichten decken einen breiteren Wellenlängenbereich ab. Gleichzeitig sinkt auch die Reflexion bei schräger Beleuchtung«, erklärt Dr. Schulz. Besonders Kunststoffoptiken sind gut für diesen Prozess geeignet. Die unterste Schicht der Entspiegelung lässt sich direkt durch Plasmaätzen in den Kunststoff einarbeiten. »Wir können so unterschiedlichste Kunststoffarten entspiegeln«, sagt Dr. Schulz.

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Leichte Rotorblätter aus Kunststoffschäumen für Offshore-Windräder

Offshore-Windräder werden immer größer. Transport, Installation, Abbau und Entsorgung der gigantischen Rotorblätter stellen die Betreiber vor neue Herausforderungen. Fraunhofer-Forscher entwickeln gemeinsam mit Industriepartnern hochbelastbare thermoplastische Schäume und Verbundwerkstoffe, die die Blätter leichter und recycelbar machen. Dank ihrer besonderen Eigenschaften eignen sich die neuen Materialien auch für andere Leichtbaustrukturen, etwa im Automobilbereich. Erste Demonstratoren sind vom 19. bis 26. Oktober 2016 auf der K-Messe in Düsseldorf zu sehen.

Die Tendenz zu immer größeren Offshore-Windenergieanlagen ist ungebrochen. Windräder mit bis zu 80 Meter langen Rotorblättern und einem Rotordurchmesser von über 160 Metern sollen für maximale Energieausbeute sorgen. Da die Länge der Blätter durch ihr Gewicht begrenzt wird, müssen leichte Systeme mit großer Materialfestigkeit entwickelt werden. Die Reduktion von Gewicht erleichtert die Montage, den Abbau sowie die Stabilität der Anlagen auf See. Im EU-Projekt WALiD (Wind Blade Using Cost-Effective Advanced Lightweight Design) widmen sich Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie ICT in Pfinztal in enger Zusammenarbeit mit zehn Partnern aus Industrie und Forschung dem Leichtbaudesign von Rotorblättern (siehe Kasten). Durch eine Verbesserung von Design und Material soll das Gewicht reduziert und damit die Lebensdauer verlängert werden.

Thermoplaste ersetzen Materialien auf Duroplast-Basis

Heutzutage werden Rotorblätter für Windkraftanlagen größtenteils in Handarbeit aus duromeren, aushärtenden Harzsystemen hergestellt. Diese lassen sich nicht aufschmelzen und sind für werkstoffliches Recycling ungeeignet. Allenfalls werden Granulate aus duromeren Altkunststoffen als Füllstoffe in einfachen Anwendungen wiederverwertet. »Im WALiD-Projekt verfolgen wir ein völlig neues Blattkonzept. Wir wechseln die Materialklasse und verwenden für Rotorblätter erstmals thermoplastische, schmelzbare Kunststoffe, die wir mit Hilfe von automatisierten Fertigungsanlagen effizient verarbeiten können«, sagt Florian Rapp, Wissenschaftler am ICT. Ziel ist es, die enthaltenen Glas- und Kohlenstofffasern zu separieren und das thermoplastische Matrixmaterial wiederzuverwerten.

Für die Außenhülle des Rotorblatts sowie für Segmente der inneren Tragstruktur verwenden die Projektpartner Sandwichmaterialien aus thermoplastischen Schäumen und faserverstärkten Kunststoffen. Generell werden für die höchstbelasteten Bereiche des Rotorblatts kohlenstofffaserverstärkte Thermoplaste eingesetzt, wohingegen Glasfasern die weniger belasteten Bereiche verstärken. Für den Sandwichkern entwickeln Rapp und sein Team thermoplastische Schäume. Diese werden in Sandwichbauweise mit Decklagen aus faserverstärkten Thermoplasten miteinander verbunden – eine Kombination, die die mechanische Festigkeit, die Leistungs- und Widerstandsfähigkeit sowie die Langlebigkeit des Rotorblatts verbessert. »Mit unseren thermoplastischen Schäumen beschreiten wir neue Wege«, so der Forscher.

Leichtbaustoff für neue Anwendungen

Die Schäume des ICT bieten bessere Eigenschaften als bisherige Materialsysteme und ermöglichen so völlig neue Anwendungen – etwa im Automobilbereich sowie in der Luft- und Schifffahrt. Im Fahrzeug nutzen Hersteller geschäumte Stoffe bislang beispielsweise in der Sonnenblende oder im Sitzbereich, aber nicht für lasttragende Strukturen. Die aktuellen Schäume haben Limitationen, etwa was die Temperaturbeständigkeit anbelangt. Daher lassen sie sich beispielsweise nicht als Isolation näher an den Motor verbauen. »Unsere aufschmelzbaren Kunststoffschäume hingegen sind temperaturstabil und eignen sich etwa als Dämmmaterial motornaher Bereiche. Sie widerstehen dauerhaft höheren Temperaturen als beispielsweise expandierter Polysterolschaum (EPS) oder Polypropylen (EPP). Aufgrund der verbesserten mechanischen Eigenschaften sind sie auch als Türmodul vorstellbar oder als Versteifungselement im Sandwichverbund«, berichtet Rapp. Sie lassen sich zügig verarbeiten und sparen Material ein. Ein weiteres Plus: Im Vergleich zu nachwachsenden Sandwichkernmaterialien wie Balsaholz sind die thermoplastischen Schäume besser verfügbar. Die Herstellung der innovativen Materialien erfolgt in der institutseigenen Schaumextrusionsanlage in Pfinztal. Rapp erläutert den Prozess: »Wir schmelzen das Kunststoffgranulat auf, mischen in die Kunststoffschmelze ein Treibmittel und schäumen den Werkstoff auf. Die geschäumten, stabilisierten Halbzeuge und Partikeln lassen sich in der Folge beliebig formen und schneiden.« Im Bereich geschäumter Polymere deckt die Arbeitsgruppe Schäumtechnologien des ICT die komplette Fertigungskette für thermoplastische Schäume ab: von der Materialentwicklung und Herstellung extrusionsgeschäumter Partikel oder Halbzeuge bis hin zum Formteilprozess sowie dem fertigen Bauteil.

Vom 19. bis 26. Oktober 2016 präsentieren die Forscher ein aus den neuen Schäumen und Verbundwerkstoffen bestehendes Miniatur-Windrad auf der K-Messe in Düsseldorf: Der Demonstrator ist am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand in Halle 7.0, Stand SC01 zu sehen.

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