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Werkstoffplattform Hybride Materialien – Neue Möglichkeiten, Neue Marktpotenziale – (HyMat2), Einreichungsfrist: 15.01.2020

Die Förderung ist darauf ausgerichtet, mit werkstoffbasierten Innovationen entscheidende Voraussetzungen für die Entwicklung wettbewerbsfähiger Produkte in wichtigen Industriezweigen zu schaffen. Gefördert werden industriegeführte vorwettbewerbliche Verbundprojekte.

In Hybridwerkstoffen werden Materialien unterschiedlicher Werkstoffklassen zu einem neuen Werkstoffsystem so kombiniert, dass sich die Vorteile aller Komponenten ergänzen und/oder neue Eigenschaften möglich werden. In der Werkstoffplattform HyMat werden ausschließlich solche Hybridmaterialien betrachtet, die bereits einen gewissen technologischen Reifegrad (Technology Readiness Level, TRL 4) erreicht haben und deren breites Anwendungspotenzial bereits nachgewiesen ist.

• Projektideen, bei denen der Fokus auf der Weiterentwicklung des Hybridmaterials mit TRL ≥ 4 liegt, müssen insbesondere den Mehrwert im Vergleich zu existierenden Marktlösungen aufzeigen und das Industrieinteresse an der Materialentwicklung darlegen.
• Sofern im Projekt ein Verfahren weiterentwickelt wird, das TRL ≥ 4 aufweist, muss auch das adressierte Hybridmaterial einen industrierelevanten technologischen Reifegrad von mindestens TRL 4 besitzen. Ziel muss es sein, die adressierten Verfahren auf andere Hybridmaterialien zu adaptieren. Im Rahmen dieser Verfahrensentwicklung können am Markt etablierte Hybridmaterialien ausschließlich dann berücksichtigt werden, sofern sie die Marktfähigkeit verschiedener Materialkombinationen verbessern.

Um das Ziel der Werkstoffplattform – die Marktfähigkeit von hybriden Materialien – zu erreichen, werden die Themenfelder „Werkstoffeigenschaften und Lebensdauer“ sowie „Recycling und Ressourceneffizienz“ adressiert. Die Defizite werden nachfolgend detailliert:

Werkstoffeigenschaften und Lebensdauer

Als Innovationshemmnis auf dem Weg zur Marktfähigkeit hybrider Materialien wurde eine fehlende solide Vorhersagefähigkeit des Material- und Bauteilverhaltens (Werkstoffeigenschaften, Langzeitverhalten etc.) identifiziert. Dazu ist auch die Entwicklung geeigneter und standardisierter Prüfverfahren zur Bestimmung der entsprechenden Materialdaten wichtig. Weitere Probleme bestehen bei der Skalierung von Produktionsprozessen vom Labormaßstab in die industrielle Fertigung hinsichtlich gleichbleibender Materialeigenschaften und -qualitäten. Die Detektion von Schäden sowie die Durchführung einer Reparatur an Bauteilen aus hybriden Werkstoffsystemen sind meist aufwändiger als die an einer metallischen Struktur. Vergleichbare Eigenschaften der Originalstruktur (z. B. Festigkeit) sind für einen breiten Einsatz relevant.

Erfolgsfaktor für einen erfolgreichen Produktentwicklungsprozess ist die Digitalisierung. Der Ansatz des „Digital Prototypings“ verkürzt – im Sinne der Werkstoffplattform – die Entwicklungs- und die Produkteinführungszeit (time to market). Das Digital Prototyping soll übergreifend im Schwerpunkt „Werkstoffeigenschaften und Lebensdauer“ berücksichtigt werden. Projektvorschläge, die schwerpunktmäßig den Themengebieten Digitalisierung oder Materialmodell zuzuordnen sind, werden nicht berücksichtigt.

Im Bereich des Schwerpunkts „Werkstoffeigenschaften und Lebensdauer“ können zu nachfolgend aufgeführten Themenfeldern Projektvorschläge eingereicht werden:

a) Werkstoffeigenschaften

• Untersuchung der Änderung von Materialeigenschaften bei der Kombination zu hybriden Materialien im
• Optimierung von Werkstoffeigenschaften und Steuerung gezielter Werkstoffcharakteristika,
• Optimierung der Materialverbindung,
• Untersuchung des Alterungsverhaltens, Entwicklung von Vorhersagetheorien für die Lebensdauer von Materialien,
• Funktionsintegration durch Anpassung einzelner Komponenten.

b) Prüfstandards

• geeignete und standardisierte Prüfverfahren zur Bestimmung von Materialdaten,
• Prüfverfahren zur Ermittlung des Alterungs- und des Langzeitverhaltens der Werkstoffeigenschaften
• Erarbeitung einer allgemeingültigen Nomenklatur

c) Upscaling von Produktionsprozessen

• Skalierung der Produktionsprozesse von Laboranlagen auf Großserienanlagen,
• Untersuchung von Materialqualitäten und -eigenschaften bei der Skalierung der Produktionsprozesse.

d) Entwicklung von Reparaturkonzepten

• geeignete Analyseverfahren zur Detektion von Schäden,
• Optimierung bestehender Reparaturlösungen sowie neue Reparaturverfahren.

Recycling und Ressourceneffizienz

Zur Entwicklung ökonomisch und ökologisch günstiger Recyclinglösungen für Hybridmaterialien ist es wichtig, die gesamte Recyclingkette – von der Demontage über die Aufbereitung bis hin zur Bereitstellung von verarbeitungsfähigen Sekundärrohstoffen – zu betrachten. Es müssen Technologien und Verfahren entwickelt werden, um das Potenzial von Hybridmaterialien und -bauteilen in einem zweiten Lebenszyklus nutzen zu können.

Eine recyclinggerechte Konstruktion sowie die Entwicklung eindeutiger Kennzeichnungs-möglichkeiten als Informationsquelle für Recyclingunternehmen sind für die Marktfähigkeit hybrider Materialien essenziell.

Die funktionalisierte Struktur von Hybridmaterialien und -bauteilen kann durch geringe Bestandteile an Füll- oder Verstärkungsmaterialien wie z. B. durch Fasern oder Partikel erreicht werden. Auch werden Hybridbauteile häufig unlösbar gefügt. Sowohl die Verstärkung als auch derartige Fügeverbindungen erschweren oft die stoffliche Verwertung der Bauteile. Im Bereich der Werkstofftrennung ist es daher ausschlaggebend, geeignete Techniken zu entwickeln, sodass bereits an der Demontagestelle die Materialien in verschiedene Stoffströme getrennt werden können. Dafür müssen lösbare Füge- und Klebeverbindungen erarbeitet sowie die Entwicklung von wirtschaftlichen Verfahren für die Werkstofftrennung und Sortierung von hybriden Materialien im industriellen Maßstab vorangetrieben werden.

Herausforderungen neben der Gestaltung einer bestmöglichen Demontage der Hybridmaterialien bestehen in der materialspezifischen Aufbereitung der Materialverbünde, die Wirtschaftlichkeit und Effizienz des Verwertungsverfahrens steigern würde. Die qualitativ hochwertige Rückgewinnung der Einzelkomponenten muss derart erfolgen, dass sie wieder in eine Produktion zurückgeführt werden können, um später am Markt erneut Anwendung zu finden. Hier sind Eigenschaften wie z. B. Reinheit, Faserlänge und Agglomerationsneigung sowie die Schwankungsbreite dieser Eigenschaften von großer Bedeutung.

Die Projektideen sollen durch beispielhafte Anwendungsszenarien und die Zusammenstellung des Projektkonsortiums (beispielsweise durch Einbindung von Zulieferer und Anwender) darlegen, dass die Materialkombination relevant bzw. die Technologie zukunftsfähig ist. Angaben zu zukünftigen Produktionsmengen sowie zu erwarteten Recyclingmengen pro Jahr müssen nachgewiesen werden. Projektvorschläge zu folgenden Schwerpunkten sind möglich:

a) Design for Recycling (oder recyclinggerechte Konstruktion)

• Konzeptionierung hybrider Materialien unter Berücksichtigung der Recyclingfähigkeit von Produkten, beispielsweise Verringerung der Anzahl von Einzelkomponenten, Auswahl leicht entsorgbarer Werkstoffe, Vermeiden von Schadstoffen etc.,
• Definition von Konstruktionskriterien,
• systematische Auswahl der einzelnen Komponenten mit optimaler Anpassung an das Gesamtsystem inklusive Komponentenanordnung und -design,
• effiziente Demontage, bspw. kontrolliert lösbare Füge- und Klebeverbindungen,
• Erarbeitung von eindeutigen Kennzeichnungsmöglichkeiten.

b) Recyclingverfahren

• Entwicklung wirtschaftlicher Verfahren für die Werkstofftrennung und Sortierung von hybriden Materialien sowie anschließender Aufbereitung der Einzelkomponenten, um Mischfraktionen zu vermeiden,
• Entwicklung automatisierter und kostengünstiger Demontageprozessen von hybriden Materialien,
• Optimierung der Recyclingverfahren,
• Upscaling von Recyclingverfahren.

 c) Entwicklung von Second Use Konzepten

• Rückgewinnung hochwertiger Sekundärrohstoffe,
• Bestimmung der Materialeigenschaften von Sekundärrohstoffen,
• Erarbeitung von Standards und Normen für die Qualitätsmerkmale von Sekundärrohstoffen,
• Erstellung von Materialkarten für Sekundärrohstoffe,
• systematische Betrachtung hybrider Werkstoffe im Hinblick auf Lebenszyklusanalyse

d) Entwicklung leicht recyclingfähiger hybrider Materialien

• Verarbeitung nachwachsender Rohstoffe und deren Produkte.

Projektvorschläge, die inhaltlich dem Themengebiet Batterie­recycling zuzuordnen oder den Fokus auf Recyclingverfahren von Kunststoffen sowie auf das Design zukunftsfähiger Kunststoffe legen, werden nicht berücksichtigt.

Antragsberechtigt sind Hochschulen, Forschungseinrichtungen sowie ­Unternehmen der gewerblichen Wirtschaft. Die Erstnutzung der Ergebnisse der geförderten Vorhaben darf nur in Deutschland oder im EWR und der Schweiz erfolgen. Die Förderung wird je nach projektspezifischem Bedarf in der Regel für einen Zeitraum von bis zu 2,5 Jahren gewährt.

Die Förderquote für Unternehmen beträgt bis zu 50 % der zuwendungsfähigen Kosten. Die Förderquote für Machbarkeitsstudien oder die Erstellung eines Prototyps beträgt in der Regel 25 % .

Projektträger: Projektträger Jülich (PtJ).In der ersten Verfahrensstufe ist dem Projektträger eine Projektskizze bis spätestens zum 15. Januar 2020 einzureichen.