Forschungsnachwuchs erhält Auszeichnung

Im Februar vergaben das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie (StMWi) und die Fraunhofer-Gesellschaft den Hugo-Geiger-Preis für die besten Doktorarbeiten in der angewandten Forschung. Drei Nachwuchsforscherinnen aus Freising, München und Aachen erhielten den Preis für ihre innovativen Ideen und anwendungsorientierten Promotionsarbeiten, die in enger Kooperation mit einem Fraunhofer-Institut entstanden. Ebenfalls verliehen wurde der Fraunhofer Gründerpreis für eine am Markt aktive und erfolgreiche Ausgründung.

Platz 1: Thermisch verformbare Plastikalternative aus Cellulose

414 Millionen Tonnen Plastik wurden 2023 weltweit produziert – über 90 Prozent davon aus fossilen Rohstoffen. Kunststoff ist praktisch, flexibel verformbar und universell einsetzbar. Aber eben auch umweltschädlich, nicht abbaubar und abhängig vom endlichen Erdölnachschub. Dennoch machen biobasierte Kunststoffe aus Pflanzen wie Mais oder Holz bislang lediglich 0,7 Prozent der gesamten Plastikproduktion aus. Denn sie sind in ihren Eigenschaften längst nicht so flexibel. Bisherige chemische Ansätze, sie ähnlich verformbar zu machen, gehen mit dem Verlust der natürlichen Struktur der Cellulose und damit ihrer Eigenschaften wie der biologischen Abbaubarkeit einher. Zudem sind chemische Verfahren oft aufwändig und mit hohen Kosten verbunden.

Einen physikalischen Ansatz, um aus Pflanzen-Cellulose thermoplastisch verarbeitbaren Kunststoff zu gewinnen, hat Dr. Kerstin Müller vom Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV in ihrer Doktorarbeit gefunden. Sie nutzt kompatible Polymilchsäuremoleküle als Abstandshalter, um zwischen den engen langkettigen Cellulose-Molekülen aus Holz, Baumwolle oder anderen Pflanzen mehr Platz und Flexibilität zu schaffen. Dafür löst sie die Cellulose in einer ionischen Flüssigkeit, einem speziellen Lösemittel, und verbindet die Moleküle mit denen der Polymilchsäure. Das Resultat ist ein neuartiges und bioabbaubares Material, das auch thermisch verformt werden kann.

In ihrer Arbeit hat die Forscherin jedoch nicht nur die Thermoplastizität von Cellulose im Labormaßstab optimiert, sondern das Material auch in einen industriellen Prozess überführt. In einem herkömmlichen Extruder lässt sich die entwickelte Mischung im großen Maßstab herstellen und steht als Granulat für eine weitere Verarbeitung bereit. So kann das Material vielseitig verwendet werden, etwa im Agrarbereich für ökologisch abbaubare Baumwuchshüllen, Töpfe oder Clips für Pflanzen. Auch Möbel und andere Formteile sind für die Innenanwendung denkbar. Für ihre wegweisende, praxisnahe Doktorarbeit wird Dr. Kerstin Müller mit dem 1. Platz des Hugo-Geiger-Preises geehrt.

Platz 2: Schlickerbasierter 3D-Druck keramischer Gießkerne

Die Gießereitechnik ist ein jahrtausendealtes Verfahren, mit dem heute immer komplexere Bauteile gefertigt werden – im Automobilbau, der Luft- und Raumfahrt oder der Medizintechnik. Der 3D-Druck von Sandkernen ist daher bereits Bestandteil der Serienfertigung. Die Gießkerne bilden beim Umgießen mit Metallschmelze die innenliegenden Hohlräume in Gussbauteilen ab und werden nach dem Guss wieder mechanisch entfernt. Angesichts wachsender technischer Anforderungen an die Komplexität von Bauteilen müssen immer filigranere Gießkerne den hohen mechanischen und thermischen Belastungen im Gießprozess standhalten.

Dr. Patricia Erhard vom Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV hat in ihrer Promotion das Verfahren des 3D-Drucks von Gießkernen weiterentwickelt: Anstelle von Sand trägt sie schichtweise eine keramische Suspension auf, die sie nach dem Trocknen mit Binder bedruckt. Dies ermöglicht feinere Oberflächenstrukturen, eine größere Temperaturstabilität und eine hohe Festigkeit, die im nachgelagerten Sinterprozess eingestellt werden kann. Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten für die Gestaltung filigraner Innenstrukturen in Gussbauteilen.

Eine Herausforderung war es, die hochfesten Kerne am Ende aus dem Bauteil zu entfernen. Oft werden keramische Kerne konventionell in einem umweltbelastenden Prozess chemisch ausgelaugt. Die Forscherin nutzte hingegen die Gestaltungsfreiheit des 3D-Drucks, um Sollbruchstellen im Inneren der Gießkerne zu integrieren. Sie fand ein geeignetes Gießkerndesign zur Umsetzung filigraner Kühlstrukturen in Elektromotorengehäusen, das den hohen Belastungen beim Gießen standhält, jedoch beim Aufschrumpfen des Metalls kontrolliert versagt. Dieser neue Ansatz ermöglicht einen nachhaltigen Gesamtprozess und einen Transfer in weitere Industrien wie die Luft- und Raumfahrt oder Medizintechnik.