Jahresbericht 2024 des Fraunhofer IAP

Im Zuge der wachsenden Nachfrage nach umweltfreundlichen Materialien gewinnt die Entwicklung nachhaltiger polymerer Rohstoffe zunehmend an Bedeutung – auch für Beschichtungen von Folien.

Im Rahmen des Projekts B-OxStar wurde ein biokatalytisches Verfahren zur Herstellung reaktiver Stärken entwickelt, die mit Aldehydgruppen modifiziert sind. Im Fokus stand die Untersuchung polymeranaloger Reaktionen zur weiteren chemischen Funktionalisierung der modifizierten Stärke. Der gesamte Prozess wird ohne den Einsatz toxischer Chemikalien durchgeführt und schafft die Grundlage für neuartige Polymerstrukturen.  

Im Projekt BeBIO2 untersucht das Fraunhofer IAP gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung den Einsatz von Biokunststoffen und Bioverbundwerkstoffen in langlebigen Produkten. Ziel ist es, die Umsetzung einer nachhaltigen Kunststoffwirtschaft zu beschleunigen sowie die Beständigkeit und Eignung dieser Materialien für langlebige Anwendungen wie Elektrowerkzeuggehäuse, Tiefbauprodukte oder Consumerartikel zu verbessern.

Im Rahmen des Projekts entwickelte und untersuchte das Fraunhofer IAP leistungsfähige Biowerkstoffe wie naturfaserverstärkte ligninbasierte Epoxidharze, vollständig biobasierte Lignin/Polyethylen-Komposite, cellulosefaserverstärkte PHBV*-Komposite sowie weitere faserverstärkte Komposite und Polymilchsäure/Stärke-Blends. Die Werkstoffe wurden zum Teil gezielt modifiziert und unter realen Bedingungen hinsichtlich ihrer Beständigkeit getestet.

*PHBV = Poly(3-hydroxybutyrat-co-3-hydroxyvalerat)

Mehr Info

BIOMAT war ein hochinnovatives, europäisches Projekt mit dem Ziel, ein offenes Innovations-Testfeld (BIOMAT-TB) zu etablieren. Dieses Testfeld sollte eine Vielzahl europäischer Industrien und kleine sowie mittlere Unternehmen (KMU) dabei unterstützen, Innovationen im Bereich nanobasierter zellulärer Materialien schneller und effizienter zu entwickeln und in die Anwendung zu bringen. Der Forschungsbereich PYCO des Fraunhofer IAP fungierte im Rahmen des Projekts als Technologietransferstelle für das Scale-up innovativer chemischer und chemo-enzymatischer Recyclingverfahren für neue Dämmstoffe sowie für das Ökodesign.

Mehr Info

Synthesekautschuk ist mit einer weltweiten Produktion von rund 14,2 Millionen Tonnen pro Jahr (2023) ein wichtiger polymerer Werkstoff. Im Zuge des Klimawandels und der damit verbundenen erforderlichen Reduzierung von CO₂-Emissionen sowie aufgrund steigender Energiekosten besteht die dringende Notwendigkeit der Entwicklung neuer, energie- und ressourcensparender Produktionsverfahren. Im Rahmen des Projekts wurde ein kontinuierliches und lösungsmittelfreies Verfahren zur Herstellung von Synthesekautschuk entwickelt, bei dem Butadien unter kontrollierten Bedingungen in der Masse polymerisiert wird.

Mehr Info

Im Projekt IntAFo wurde eine bioabbaubare Agrarfolie entwickelt, die auf Feuchtigkeitsänderungen reagiert. Basis ist ein proteinreicher Luzerne-Extrakt, kombiniert mit einem bioabbaubaren Hydrogel. Die Folie lässt bei Regen Wasser versickern und reduziert bei Trockenheit die Verdunstung. Ein funktionsfähiger Prototyp wurde erfolgreich gefertigt und erprobt. Auch die Bioabbaubarkeit wurde geprüft, da die Folie nach ihrer Nutzung auf dem Feld untergepflügt werden soll. Zudem wurde ein digitales Konzept für eine Rolle-zu-Rolle-Fertigung entwickelt. Die Materialentwicklung – sowohl der Folie als auch des Hydrogels – erfolgte durch das Fraunhofer IAP.

Das Projekt wurde im Rahmen des WIR!-Bündnisses »Land-Innovation-Lausitz« (LIL) durchgeführt und durch das Bündnis durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Programms »Wandel durch Innovation in der Region« (WIR!) gefördert. Mit diesem Programm möchte das BMBF themenoffen Innovationen und Strukturwandel in strukturschwachen Regionen fördern. 

Mehr Info

Ziel des Projekts ReSpan war die Entwicklung eines innovativen Recyclingverfahrens für verschiedene Holzwerkstoffe wie MDF, OSB, Flachpressplatten und Palettenklötze. Dabei wurden sämtliche Bestandteile der Werkstoffe einer hochwertigen Wiederverwertung zugeführt. Durch den gezielten Einsatz von Recyclingreagenzien wurde das Bindemittel gelöst, ohne die Holzfasern zu beschädigen. Im Rahmen dieses Prozesses wurde ein Trennverfahren entwickelt, das unterschiedliche Partikelgeometrien, Inhaltsstoffe, Beschichtungen und Störstoffe effizient separiert.

Die Kombination von Stofftrennung (z. B. Fremd- und Störstoffe sowie Holzpartikel) und Partikelfraktionierung wurde in einen vorindustriellen Prozess überführt. Auf dieser Basis wurden neue Holzspan- und Holzfaserwerkstoffe entwickelt, die sich durch hohe mechanische Eigenschaften auszeichnen und in unterschiedlichen Fertigungsverfahren weiterverarbeitet werden können.

mehr Info

Unternehmen und Forschungseinrichtungen, verwurzelt im mitteldeutschen Chemiedreieck, haben sich zu einem regionalen Bündnis RUBIO zusammengeschlossen. Das Netzwerk deckt die gesamte Wertschöpfungskette des biobasierten und nachhaltigen Polymers Polybutylensuccinat (PBS) ab – von der Biotechnologie über die industrielle Verarbeitung bis hin zum Recycling. Mit dem Bündnisvorhaben wird der Strukturwandel in Mitteldeutschland mitgestaltet: Das heutige Braunkohlerevier wird mit dem Projekt zur »Region der nachwachsenden Kunststoffe«!

Das RUBIO-Konsortium entwickelte nachhaltige Ansätze zur Herstellung und Nutzung von PBS und schaffte damit die Grundlage für dessen erfolgreichen Eintritt in den Markt. In einem integrierten Verbund wurden zentrale Verarbeitungstechnologien für Thermoplaste zusammengeführt – darunter Blas- und Flachfolienextrusion, Spritzgießen, Thermoformen, Extrusionsblasformen sowie die Herstellung von Fasern und Filamenten. Im Rahmen des Projekts entwickelte das Fraunhofer IAP neuartige Varianten des Biokunststoffs PBS, um dessen Anwendungsspektrum deutlich zu erweitern. Dazu wurden umfassende Kompetenzen in den Bereichen Polymersynthese, Verfahrensentwicklung und -optimierung, Polymerverarbeitung sowie Scale-up gebündelt.

Mehr Info

Polyhydroxybutyrat (PHB) ist ein umweltfreundlicher Biokunststoff, der von bestimmten Bakterien produziert wird. Er ist vollständig biologisch abbaubar, biokompatibel und eignet sich als nachhaltige Alternative zu erdölbasierten Kunststoffen – etwa für Verpackungen wie Folien und Becher, für Mulchfolien in der Landwirtschaft oder auch im 3D-Druck und Spritzgussverfahren.

In einer Machbarkeitsstudie wurde geprüft, ob sich schwer recycelbare Textilabfälle als Rohstoffquelle für die Herstellung von PHB eignen. Das Beneficial Design Institute identifizierte dafür geeignete Textilströme. Der Projektpartner Rittec 8.0 Umwelttechnik GmbH verarbeitete ausgewählte, sortenrein getrennte Proben im chemischen Recycling weiter, um daraus Monoethylenglykol (MEG) zu gewinnen – einen wichtigen Grundstoff. Am Fraunhofer IAP wurde dieses MEG zusammen mit seinen Umwandlungsprodukten als Nährmedium für Bakterien eingesetzt, die PHB produzieren. Die so gewonnenen Biopolymere zeigten in Laboranalysen vielversprechende Eigenschaften – sowohl hinsichtlich ihrer inneren Struktur als auch ihrer industriellen Verarbeitbarkeit.

Während Folien, Fasern und Vliesstoffe auf Cellulosebasis weitgehend etabliert sind, existieren bislang keine bekannten Anwendungen für Formkörper mit größeren oder komplexeren Geometrien. In dem Projekt hat das Fraunhofer IAP ein neuartiges Verfahren zur Herstellung hochfester, maßhaltiger und biokompatibler 3D-Formkörper aus Regeneratcellulose entwickelt, umfassend charakterisiert und dessen Anwendbarkeit auf verschiedene Geometrien demonstriert. Damit lässt sich das Einsatzspektrum des Biopolymers Cellulose erheblich erweitern.

Mehr Info

Das Projekt AURORA zielte darauf ab, die Energieeffizienz herkömmlicher Flüssigkristall-Displays (LCDs) um bis zu 60 Prozent zu steigern. Dafür wurde am Fraunhofer IAP ein innovativer Konverterfilm aus ausgerichteten Nanostäbchen entwickelt, der als großflächige, polarisierte Lichtquelle fungiert. Durch die signifikante Reduzierung des Energieverbrauchs leistet die Entwicklung einen wichtigen Beitrag zu nachhaltiger Elektronik und Ressourcenschonung. Damit unterstützt das Projekt aktiv die Erreichung des UN-Nachhaltigkeitsziels SDG 12 (»Nachhaltige/r Konsum und Produktion«).

Im Projekt ElchFen wurden neuartige elektrochrome Materialien sowie deren Verarbeitung mit Blick auf einen kosteneffizienten Einsatz im energieoptimierten Bauen entwickelt und erprobt. Ziel war die Schaffung marktfähiger, farbneutral schaltender Alternativen zu den bisher verbreiteten blau schaltenden elektrochromen Gläsern. Am Fraunhofer IAP wurden industrierelevante Prozessierungstechniken wie Slot-Die-Coating und Rolle-zu-Rolle-Prozesse eingesetzt, um die elektrochromen Polymere sowie den Elektrolyten auf das leitfähige Substrat zu bringen. Zudem wurden elektrochrome Polymere synthetisiert, die einen breiten Spektralbereich absorbieren und damit zu einer grauen bis schwarz-schaltenden Verbindung führen. Die erzeugten Folien wurden abschließend zu Glaslaminaten weiterverarbeitet.

mehr Info

Im Fraunhofer-Leitprojekt ElKaWe arbeiten sechs Fraunhofer-Institute an der Entwicklung elektrokalorischer Wärmepumpen zum Heizen und Kühlen auf Basis keramischer und polymerbasierter elektrokalorischer Materialien. Mögliche Anwendungsbereiche finden sich in Gebäuden, Haushalts- und Industriekühlgeräten sowie Klimaanlagen in Autos. Elektrokalorische Wärmepumpen versprechen einen hohen Wirkungsgrad und kommen ohne schädliche Kältemittel aus. Am Fraunhofer IAP wurden wichtige grundlegende Bausteine für derartige Wärmepumpen entwickelt: elektrokalorische, polymere Materialien sowie Mehrschichtkomponenten.

mehr Info

Ziel des Projekts war die gezielte Entwicklung neuartiger lumineszenter Materialien für optoelektronische Anwendungen wie OLEDs und Farbkonverter. Im Fokus standen funktionalisierte, strukturell flexible Phosphanoxide und deren Metallkomplexe, die sich durch hohe Stabilität, kostengünstige Synthese und vielseitige Modifizierbarkeit auszeichnen. Durch die enge Verknüpfung von Synthese, Theorie und Anwendung wurde ein tieferes Verständnis der Struktur-Lumineszenz-Beziehungen erlangt und eine planvolle Materialentwicklung ermöglicht. Die am Fraunhofer IAP entwickelten Verbindungen wurden charakterisiert und als Emitter in optoelektronischen Bauelementen getestet. Mittels druckbarer Tinten wurden maßgeschneiderte OLEDs und Farbkonverter realisiert. Das Projekt lieferte grundlegende Erkenntnisse zur Emission und eröffnet neue Wege für das Design effizienter Leuchtstoffe.

mehr Info

Im Projekt wurden quantenpunktbasierte Leuchtdioden (QD-LEDs) weiterentwickelt, bei denen mittels Tintenstrahldruck und Resist-Technologie frei programmierbare Emissionsmuster realisiert werden können. Durch diese Verfahren wurde eine kosteneffiziente und anwendungsnahe Herstellung individueller Leuchtanzeigen vorangetrieben, die als Informationsanzeige, Werbung oder in einem Display Anwendung finden können. Am Fraunhofer IAP wurden neuartige strukturierbare Ladungstransportmaterialien, hocheffiziente Quantenpunkte sowie innovative Herstellungsverfahren entwickelt. Darüber hinaus entwarf das Institut das Layout der Demonstratoren und setzte deren Realisierung mittels Drucktechnologien um.

Ziel des Projekts war die Entwicklung konditionierender Rohstoffe für Haarpflegeprodukte, die aus nachhaltigen Quellen gewonnen werden und zugleich eine hohe biologische Abbaubarkeit aufweisen – ohne dabei die kosmetischen Eigenschaften zu beeinträchtigen. Zu diesem Zweck wurden hochmolekulare Polysaccharide auf Stärkebasis mit kationischen Gruppen modifiziert, um eine effektive Anlagerung an die Haaroberfläche zu ermöglichen.

Ziel des Projekts war die Entwicklung eines neuartigen chemischen Sensors zur Detektion von Kohlenstoffdioxid (CO₂). Der Sensor verwendet CuOx-Nanostrukturen für direkte elektrische Messungen, während herkömmliche CO₂-Sensoren auf optischen Detektionsprinzipien basieren, was die minimale Gerätegröße auf mehrere Zentimeter beschränkt. Der CO₂-Sensor, ein stark miniaturisiertes Gerät von wenigen Millimetern, soll völlig neue Anwendungen ermöglichen, wie die Integration in Wearables oder IoT-fähige intelligente Systeme. Am Fraunhofer IAP wurden im Rahmen des Projekts Nanopartikel für die Funktionalisierung von CuO-Sensorschichten und die weitere Optimierung der Sensorreaktion synthetisiert.

Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Verbundprojekt »food4future« (f4f) ist Teil des Programms »Agrarsysteme der Zukunft«. Seit 2019 widmet sich das Projekt der Entwicklung innovativer Ansätze für eine nachhaltige und gesunde Lebensmittelversorgung. Im Rahmen von »food4future« entwickelte das Fraunhofer IAP faserverstärkte Leichtbaumaterialien und Konstruktionen, die speziell für den Einsatz im Vertical Farming konzipiert wurden – einer platzsparenden Anbaumethode, die eine ressourcenschonende Nahrungsmittelproduktion in urbanen Räumen ermöglicht.

Mehr Info

Ziel dieses industriellen Forschungsvorhabens war die teilautomatisierte Herstellung einer umweltfreundlichen und innovativen Lederalternative auf Basis von Pilzverbundmaterialien im Labormaßstab. Im Projektverlauf wurde eine Bandanlage zur Herstellung myzelbasierter Materialien konzipiert, aufgebaut und in Betrieb genommen. Als Substrate kamen verschiedene biogene Reststoffe wie Rapsstroh und Grünschnitt zum Einsatz. Ergänzend dazu wurden unterschiedliche Vorbehandlungen hinsichtlich ihrer Wirksamkeit zur Keimreduktion geprüft. In Zusammenarbeit mit einem Unternehmen der Lederindustrie stand die industriegerechte Nachbehandlung des Pilzmaterials im Fokus, um daraus hochwertige, marktfähige Lederalternativen zu gewinnen. Die Optimierung der Anlage und die Materialentwicklung werden auch künftig weiter vorangetrieben.

mehr Info

Im Rahmen des Projekts wurde der Einfluss unterschiedlich modifizierter Stärken auf ihre biologische Abbaubarkeit untersucht. Der Schwerpunkt lag dabei auf industriell relevanten Stoffklassen wie Stärkeestern, Stärkeethern sowie anionischen und kationischen Derivaten. Sowohl kommerzielle Produkte als auch Forschungsproben wurden in die Analyse einbezogen.

Die Ergebnisse waren die Grundlage für eine umfassende Potenzialanalyse, in der modifizierte Stärken als nachhaltige Alternativen zu synthetischen Polymeren bewertet wurden. Eine Weiterverwertung der Erkenntnisse ist in nachfolgenden Projekten geplant. Anwendungstests zum Einsatz modifizierter Stärken (Carboxymethylstärken) als Verdicker in Duschcremes zeigten für bestimmte Muster eine gute Anwendbarkeit mit hohen Löslichkeiten und Transmissionswerten.

mehr Info

Die Potenziale des Quantencomputings für die Industrie nutzbar zu machen, erfordert eine frühzeitige Erforschung, Entwicklung und Einführung quantenbasierter Lösungen für Produkte, Materialien und Prozesse – ein Aspekt, der zunehmend an Bedeutung gewinnt. Vor diesem Hintergrund haben sich vier Fraunhofer-Institute zum Fraunhofer Industrial Application Center Quantum Computing Hamburg (IQHH) zusammengeschlossen. Im Rahmen des IQHH wurden vier industrielle Anwendungsfelder ausgewählt, systematisch beschrieben und mit passenden Quantenalgorithmen bearbeitet. Diese Algorithmen wurden erfolgreich auf Quanten-Simulatoren und echten Quantencomputern getestet. Am Fraunhofer IAP lag der Schwerpunkt auf der quantengestützten Prozessvorhersage und der Entwicklung digitaler Zwillinge für Katalysatoren – mit Blick auf deren Einsatz in der Wasserstoffwirtschaft.

Mehr Info

Werkstoffinnovationen, insbesondere smarte Materialien wie piezoelektrische Keramiken, Formgedächtnislegierungen und dielektrische Elastomere, sind Treiber technologischer Entwicklungen. Aufgrund ihres komplexen, prozessabhängigen Verhaltens erfordert ihre zielgerichtete Entwicklung präzise Materialbeschreibungen und Prozessmodelle. Das Verbundvorhaben SmaDi konzentrierte sich auf die digitale Abbildung dieser Materialien und ihrer Herstellungsprozesse, um die Entwicklung zu beschleunigen. Durch ontologiebasierten Datenzugriff (OBDA) und dessen Erweiterung um mathematische Modellgleichungen (OBDMA) wurde ein einheitlicher Zugang zu verteilten, heterogenen materialwissenschaftlichen Daten geschaffen – mit dem Ziel, Materialauswahl und -einsatz in industriellen Anwendungen zu erleichtern. Der Fokus des Fraunhofer IAP lag dabei auf der Materialcharakterisierung und der Analyse der Verarbeitungsprozesse dielektrischer Elastomere.

mehr Info

SmartID nutzt die einzigartigen Eigenschaften der Produktoberfläche als zusätzliches Merkmal für die Generierung eines fälschungssicheren QR-Codes. Ähnlich wie der menschliche Fingerabdruck sind die Oberflächeneigenschaften jedes Produkts einzigartig. Die SmartID-Technologie integriert diese Eigenschaften in einen QR-Code. Dadurch ist man in der Lage, Produkte zu authentifizieren. Gängige Smartphones können mit dieser Technologie Produktidentitäten sicher überprüfen. Somit kann jede Person in der Lieferkette – vom Hersteller über den Zwischenhändler bis hin zum Endkonsument – überprüfen, ob das vorliegende Produkt tatsächlich echt ist oder ob es sich um eine Fälschung handelt. Am Fraunhofer IAP wurden im Rahmen des Projekts Quantenmaterialien entwickelt, die es möglich machen, dass auf kleinerer Fläche deutlich mehr Merkmale der Oberflächentextur detektiert werden können.

mehr Info

Konventionelle Roboter-Greifwerkzeuge stoßen beim sicheren Umgang mit empfindlichen, unregelmäßig geformten Objekten wie Lebensmitteln an ihre Grenzen. Das Projekt SoMaRo hatte daher zum Ziel, eine neuartige, adaptive Greiftechnik zu entwickeln, die auf weichen, regelbaren Soft-Kinematiken mit integrierten Soft-Aktuatoren, Sensoren und Elektronik aus smarten Materialien basiert. Diese lassen sich präzise durch elektrische Felder steuern und ermöglichen gemeinsam mit intelligenten Regelalgorithmen ein sensitives, flexibles Greifen – vergleichbar mit der Feinfühligkeit einer menschlichen Hand. Am Fraunhofer IAP wurden im Rahmen des Projekts Multischichtaktuatoren auf Basis elektroaktiver Polymere (EAP) entwickelt.

Im Projekt PolarGrit wurde die Entwicklung neuartiger Polarisationsgitter für Head-Up-Displays (HU-Displays) vorangetrieben. Im Fokus standen sowohl zirkulare als auch lineare Polarisationsgitter, die mittels Polarisationsholographie unter Verwendung sichtbarer Laserstrahlung (vis-Laser) hergestellt wurden. Dabei kamen neuartige, vis-sensitive, flüssigkristalline Photopolymere zum Einsatz, die eine präzise und stabile Gitterstruktur ermöglichen. Ergänzend dazu wurde ein industrietaugliches, nicht-holographisches Kopierverfahren entwickelt, das die serientaugliche Replikation der Gitterstrukturen erlaubt und so die Überführung in marktfähige Anwendungen unterstützt. Am Fraunhofer IAP wurden im Rahmen des Projekts neuartige Polarisationsgitter unter Einsatz von holographischen Verfahren entwickelt.