ACR Innovationsradar 2017 Werkstoffe by ACR Österreich

ACR INNOVATIONSRADAR 2017

Inhalt 1.

Vorwort .................................................................................................................................................. 4

Digitalisierung und Automatisierung ................................................................................................ 5

2.1.

Agilität durch Konstruktionsautomatisierung ............................................................................ 5

2.2.

Automatisierung eines Arbeitsplanungsprozesses für die Bearbeitung von Metallblechen mittels CAD-Add-Ons ......................................................................................... 6

2.2.1

Entwicklung des CAPP Prototype ....................................................................................... 8

2.2.2

Resümee und Auswirkungen ............................................................................................... 9

2.3.

Multikriterielle Optimierungsansätze und -werkzeuge für die Entwicklung kundenspezifischer Krane ............................................................................................................. 9

2.3.1

Ziel, Herausforderung und Resultate ................................................................................ 10

2.3.2

Entwicklung Optimierungsprototyp .................................................................................. 11

2.3.3

Resümee und Auswirkungen ............................................................................................. 12

Prozess- und Verfahrensoptimierung ............................................................................................. 13

3.1.

Prozessentwicklung des Gießens von bandförmigen Aluminium- Verbundwerkstoffen 13

3.1.1

Einleitung ................................................................................................................................ 13

3.1.2

Verbundgussanlage ............................................................................................................ 14

3.1.3

Simulation............................................................................................................................... 15

3.1.4

Metallographische Untersuchungen ................................................................................ 17

3.2.

Reinigung und Desinfektion von Oberflächen – Erkenntnisse für Anwender und Hersteller ......................................................................................................................................... 17

3.3.

Neue zerstörungsfreie Verfahren zur Sicherstellung der Dichtheit von Verpackungen im Pharmabereich (Container & Closure System Integrity Testing -CCI)................................ 19

3.3.1 4.

Laser Head Space – Technologie ..................................................................................... 20

Produkte .............................................................................................................................................. 21

4.1.

Hochfester Beton als dauerhafte Lösung für Aufbetone ..................................................... 21

4.1.1

Genaue Charakterisierung der Oberflächeneigenschaften mit herkömmlichen und alternativen Methoden............................................................................................... 22

4.1.2 4.2.

Charakterisierung der Verbundeigenschaften .............................................................. 23

Die Korbwand – Neues System für Fertigteilwände ohne Gitterträger .............................. 24

4.2.1

Die Entstehung einer Idee .................................................................................................. 25

4.2.2

Schneller, günstiger, leichter und stabiler ........................................................................ 26

4.2.3

Die Korbwand in der Praxis ................................................................................................. 26 2

4.2.4

Das Einsparungspotenzial ................................................................................................... 27

4.3.

Schmierstofffreie Teleskopgleitlager fĂźr Megasonnenschirm .............................................. 27

4.4.

Verbessertes Langzeitverhalten von PV-Modulen durch optimierte Bauteile ................. 28

Vorwort

Um im stetigen Kampf um Marktanteile bestehen zu können, ist es für produzierende Unternehmen unumgänglich, deren Produkte zu verbessern, Produktionsprozesse zu optimieren und die verwendeten Grundwerkstoffe schonend einzusetzen oder mit alternativen Konzepten zu ergänzen. Gleichzeitig wird das dafür notwendige Know-how immer umfangreicher, die Zusammenhänge komplexer. Hier haben es sich die führenden Forschungseinrichtungen in Österreich unter dem Dachverband der ACR zur Aufgabe gemacht, den KMU unterstützend zur Seite zu stehen. Das ACR-Innovationsradar 2017 berichtet über aktuelle Forschungsthemen der ACRMitglieder im Schwerpunkt Produkte, Prozesse, Werkstoffe. BTI Bautechnisches Institut Linz (www.bti.at) HFA Holzforschung Austria (www.holzforschung.at) IBS Institut für Brandschutztechnik und Sicherheitsforschung (www.ibs-austria.at) OFI (www.ofi.at) ÖGI Österreichisches Gießerei-Institut (www.ogi.at) SZA Schweißtechnische Zentralanstalt (www.sza.at) VÖZ Vereinigung der Österreichischen Zementindustrie (www.zement.at) V-Research (www.v-research.at) ZFE Zentrum für Elektronenmikroskopie (www.felmi-zfe.at)

Informationen über weitere Projekte der ACR Institute des Bereichs Produkte, Prozesse, Werkstoffe sind direkt bei den einzelnen Institutionen und auf der Website von ACR (www.acr.ac.at) zu finden. Viel Spaß beim Lesen des Innovationsradars 2017 wünscht Ihnen Alexander Diem, V-Research (Leitung Themenschwerpunkt Produkte, Prozesse, Werkstoffe) www.v-research.at

Digitalisierung und Automatisierung 2.1.

Agilität durch Konstruktionsautomatisierung

Produzierende Unternehmen sind mit einer steigenden Nachfrage nach kundenindividuellen sowie segmentspezifischen Produkten konfrontiert. Die Individualisierung führt in Verbindung mit den ständig kürzer werdenden Innovationszyklen zu einem erheblichen Anstieg des Entwicklungs- und Konstruktionsaufwands für Firmen, die in gesättigten Märkten tätig sind. Dieser Trend wird von großem Preisdruck und dem Mangel an qualifizierten Ingenieuren begleitet.

Abbildung 1: Agilität durch Konstruktionsautomatisierung

Projektspezifische Konstruktionsarbeiten zur Individualisierung von Baugruppen und Produkten bestehen in der überwiegenden Mehrzahl der Fälle aus Aufgaben, die in sehr ähnlicher Form wiederholt durchgeführt werden müssen. Diese repetitiven Tätigkeiten bieten im Allgemeinen einen sehr geringen Innovationsbeitrag, binden aber beachtliche Kapazitäten in den Konstruktionsabteilungen. Daher haben die Systematisierung, Digitalisierung und Automatisierung der Prozesse in der Produktentwicklung große Potentiale für produzierende Unternehmen. Die Chancen bestehen nicht nur im signifikanten Geschwindigkeits- und Effizienzgewinn in der Leistungserbringung, sondern vor allem in der neuartigen Gestaltung der Geschäftsprozesse und Geschäftsmodelle. V-Research beschäftigt sich intensiv mit der Automatisierung der Wissensarbeit im Produktentwicklungsprozess und konnte im Rahmen von Industrieprojekten zeigen, dass für Firmen, die komplexe, kundenindividuelle Produkte herstellen, durch die Automatisierung der Konstruktionsarbeit große Wettbewerbsvorteile erzielbar sind. Einige dieser Vorteile sind eine wesentlich schnellere Angebotslegung, eine massive Kostenreduktion durch Zeitersparnis in der Konstruktion, Reduktion von Fehlerquellen durch die Systematisierung des Informationsflusses und Vereinfachung der Kommunikation sowie die Sicherung des Konstruktionswissens. 5

In zahlreichen Marktsegmenten entscheidet die rasche Vermarktung von Innovationen über den wirtschaftlichen Erfolg von Projekten, Geschäftsmodellen und ganzen Unternehmen. Mit der Automatisierung wiederholter Konstruktionstätigkeiten können Firmen vor allem zwei wichtige Effekte erzielen: Der Konstruktionsprozess wird signifikant beschleunigt. Gleichzeitig wird Ingenieuren durch den Wegfall repetitiver Aufgaben ein wesentlich größerer Freiraum für die Bearbeitung kreativer Entwicklungsaufgaben mit hohem Innovationspotential gesichert. Um den maximalen Nutzen aus den Vorteilen der Konstruktionsautomatisierung zu ziehen und eine möglichst große Rentabilität der getätigten Investition zu erzielen, müssen Spezifikation, Auswahl und Integration der Softwarelösung in die Prozesslandschaft des Unternehmens sehr sorgsam erfolgen. V-Research verfügt auf diesem Gebiet über Erfahrung aus erfolgreich abgeschlossenen Industrieprojekten und der Begleitung der Kunden bei der Integration, Einführung und Anwendung der erarbeiteten Lösungen. Unsere Erfahrung und unser Knowhow stellen wir Firmen, die in der Digitalisierung und Automatisierung eine Chance zur Stärkung ihrer Wettbewerbsfähigkeit sehen, zur Verfügung. Typische Dienstleistungen von VResearch auf diesem Gebiet sind: Potentialanalyse: Erfassung des IST-Standes der Prozesslandschaft in der Produktentwicklung, Identifizierung der Verbesserungspotentiale, Ausarbeitung von Verbesserungsmaßnahmen, methodische Unterstützung bei deren Kosten-Nutzen-Bewertung sowie Priorisierung. Umsetzung von Automatisierungslösungen in der Prozesskette, beginnend mit der Anlagenprojektierung über die Computer Aided Design- (CAD) Modellgenerierung und Erstellung der technischen Zeichnungen für den Vertrieb bzw. für die Fertigung bis zur Arbeitsplanung. Integration der Softwarelösungen: Schnittstellen zu Product Data Management- (PDM), Product Lifecycle Management- (PLM) Systemen und Datenbanken, Schulung der Anwender, Begleitung der Einführungsphase.

2.2.

Automatisierung eines Arbeitsplanungsprozesses für die Bearbeitung von Metallblechen mittels CAD-Add-Ons

Die Arbeitsplanerstellung von Metallblechen beim Liebherr-Werk Nenzing, d.h. die Auswahl von Schneideigenschaften und -werkzeugen, die Bestimmung der Bearbeitungsbedingungen etc., erfordern viel Erfahrung und Wissen. Dieses Wissen muss so strukturiert werden, dass es ein leichteres Vorgehen bei der Arbeitsplanerstellung ermöglicht. Während dieses Projekts wurden Automatisierungswerkzeuge entwickelt, um zunächst die Vollständigkeit und die Übereinstimmung von CAD-Modellen und Produktkonfigurationsdaten zu überprüfen und um sogenannte Schweißkanten-Eigenschaften aus diesen Modellen zu extrahieren. Ein Computer-Aided Production Planning (CAPP) Anwendungsprototyp wurde basierend auf einer Wissensbasis entwickelt. Diese Wissensbasis erlaubt es, die geometrischen Bearbeitungsfeatures, die Fertigungseinschränkungen und die Planungsregeln zu formalisieren und zu verwalten, um den Arbeitsplan dieser Teile zu berechnen. 6

Ziel dieses Projektes war die Entwicklung von Mechanismen zur automatischen, nahtlosen Erstellung des Arbeitsplans innerhalb des aktuellen Konstruktionsprozesses (Abbildung 2). Vorbereitende Schritte dazu umfassen die Extraktion von CAD-Features und Normprüfungen. Das finale Ziel ist die vollständige digitale Integration von CAD/PDM/CAPP/ERP (Enterprise Resource Planning)-Anwendungen und -modellen, bei denen geometrische Bearbeitungsfeatures (z. B. Schweißkanten) verwendet werden, um diese Information zur automatischen Erstellung des Arbeitsplans von CAD- und PDM-Modellen in CAPP Systeme zu übertragen. Der Arbeitsplan kann dann automatisch in die ERP-Systemdatenbank integriert werden. Die Ergebnisse dieses Projektes sind: 

Ein entwickelter CAD-Add-On zur Extraktion der relevanten CAD-Bearbeitungsfeatures und die Integration zusätzlicher Konfigurationsdaten aus der PDM-Datenbank.



Ein weiteres CAD-Add-On für die automatische Normkonformitätsprüfung von CADModellen.



Ein wissensbasierter CAPP-Anwendungsprototyp, der die automatische Generierung des Arbeitsplans und deren Integration in die ERP-Datenbank über ein entwickeltes Web-Service ermöglicht.

Abbildung 2: Integrierter Arbeitsplanungprozess

2.2.1 Entwicklung des CAPP Prototype Die Bearbeitungsfeatures werden durch das entwickelte CAD-Add-On in Creo automatisch extrahiert und in ein neutrales XML-Dokument umgewandelt. Um diesen Teil des Prozesses vollständig zu automatisieren, wurde eine automatische Konformitätsprüfung des CADModells entwickelt. Das Extensible Markup Language (XML)-Dokument wird dann automatisch mit Konfigurationsdaten und Informationen aus den Stücklisten der PDMDatenbank angereichert. Zudem wurde eine Wissensbasis entwickelt, um diese CAD-Features und Konfigurationsdaten auf dem aktuellen Stand zu halten, zu verwalten, zu pflegen, und um die extrahierten CAD-Features den entsprechenden Bearbeitungsvorgängen, Maschinen und Bearbeitungszeiten sowie dem Bearbeitungsablauf zuzuordnen. Des Weiteren wurde eine Inferenzmaschine entwickelt, um die Planungsregeln zu interpretieren und den entsprechende Arbeitsplan zu berechnen. Die Architektur und der Workflow des Prototyps sind in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3: Architektur und Workflow des Prototyps

Die Integration der Anwendungen wurde zunächst durch ein extern angefügtes Skript erreicht, welches die Verbindung zwischen diesen Anwendungen erleichtert. In einer zweiten Phase wurden standardisierte Webdienste implementiert, um den erzeugten Arbeitsplan automatisch und konsistent in die ERP-Datenbank zu importieren (siehe Abbildung 4).

Abbildung 4: Automatisch generierte Produktionsplanung und Import in Baan

Die ursprünglich betrachteten Teile umfassen aus Metallblechen hergestellte Komponenten, jedoch sollen zukünftig auch andere Topologien, wie z. B. Rohre, betrachtet werden.

2.2.2 Resümee und Auswirkungen Innerhalb dieses Projektes wurde durch die entwickelten Prototypen die Möglichkeit aufgezeigt, drei zeitabhängige und redundante Konstruktionsaufgaben beim Liebherr-Werk Nenzing zu automatisieren: 1. Die Prüfung der Normkonformität von CAD-Modellen und Zeichnungen 2. Die Extraktion von CAD-Bearbeitungs-Features und verwandten Produktkonfigurationsdaten 3. Die Berechnung des Arbeitsplans für Teile aus Metallblech Im Hinblick auf die Auswirkungen auf die Geschäftsprozesse fördert eine solche generative CAPP-Anwendung folgende Aspekte: 

Rationalisierung und Standardisierung von Prozessen



Gesteigerte Produktivität der Prozessplaner



Reduzierte Vorlaufzeit für die Prozessplanung

2.3.

Multikriterielle Optimierungsansätze und -werkzeuge für die Entwicklung kundenspezifischer Krane

Um den anspruchsvollen Kundenanforderungen gerecht zu werden, bietet die Liebherr-Werk Nenzing GmbH (LWN) individuelle Kranvarianten an. Für jedes Anwendungsszenario sind diese Krane auf die Kundenvorgaben, wie z. B. Lastfälle, räumliche Randbedingungen sowie Vorschriften und Normen, abgestimmt. Im Mittelpunkt des hier präsentierten Projektes stand die Massen- und Kostenoptimierung der Dimensionierungsparameter des Mittelteils eines Kastenauslegers. Ein Optimierungsalgorithmus und ein Softwareprototyp wurden entwickelt, implementiert und getestet. Auf den von LWN zur Verfügung gestellten Referenz-Testfällen konnte eine Reduktion von 5 bis 10% der Masse und Kosten erreicht werden.

2.3.1 Ziel, Herausforderung und Resultate Ziel dieses Projektes war es, die Machbarkeit und das Potenzial von multikriteriellen Optimierungsansätzen und -werkzeugen für die Entwicklung kundenspezifischer Krane bei LWN zu demonstrieren. Der Schwerpunkt lag auf der massen- und kostenorientierten Optimierung der Dimensionierungsparameter des Mittelteils eines Kastenauslegers. Es wurden zwei Arten der Kostenoptimierung in Betracht gezogen: zum einen hinsichtlich der Materialkosten und des Verschweißens von Versteifungen, zum anderen unter Berücksichtigung der Kosten beim Schweißen von Blechen entlang des Auslegers.

Abbildung 5: CAD Model eines Auslegers und Skizze des Mittelteils

Der Ausleger ist in Segmente unterteilt, die jeweils zwischen zwei Schottblechen oder einem Schottblech und dem Anlenk- bzw. Kopfstück liegen (siehe Abbildung 5). Um einen funktionierenden Ausleger zu entwerfen, muss innerhalb jedes Segments ein statischer Nachweis in Bezug auf Spannung, Ermüdung und Beulung erfolgen. Abbildung 6 zeigt den entwickelten Konstruktionsablauf von Kastenauslegern, welcher die Optimierungsschleife integriert. Der entwickelte Prototyp übernimmt als Eingabe die geometrischen und Konfigurationsparameter sowie die Lastfälle, die anfänglich aufgrund von Kundenanforderungen (z. B. gefahrlose Belastung, Min/Max-Radien) berechnet wurden. Der Optimierer enthält eine Benutzerschnittstelle, die es dem Konstrukteur ermöglicht, diese Parameter und Bedingungen zu initialisieren und die Stoppkriterien des Algorithmus zu definieren. Eine erste Strukturanalyse wird basierend auf diesen Anfangsparametern durchgeführt. Die Ergebnisse werden durch den Optimierer gelesen und verifiziert, um die geometrischen und Konfigurationsparameter des Auslegers anzupassen und die Analyse mit den verfeinerten Parametern erneut zu starten. Diese Schleife wird durchgeführt, bis die Stoppkriterien und die multikriterielle Konvergenz erreicht sind.

Abbildung 6: Workflow der Optimierung

2.3.2 Entwicklung Optimierungsprototyp Um optimierte Konstruktionen des Kastenauslegers zu erreichen, wurde ein dreistufiges Verfahren, dargestellt in Abbildung 7, verfolgt. Die Optimierung startet mit der leichtesten Konfiguration als Ausgangspunkt, d. h. ohne Versteifungen und mit minimalen Blechdicken. Im ersten Schritt werden die Blechdicken sukzessive erhöht, so dass Einschränkungen in Bezug auf Spannung und Ermüdung erfüllt sind.

Abbildung 7: 3-Schritt Heuristik zur Auslegeroptimierung

Im zweiten Schritt wird die Blechdicke weiter erhöht, sodass die Beulbedingungen für jedes Segment erfüllt werden. Dies wird mit jenen Ergebnissen verglichen, denen zur Erfüllung der Beulbedingungen Versteifungen hinzugefügt wurden. Je nach Zielfunktion wird die 11

leichtere/günstigere Variante ausgewählt und für weitere Berechnungen verwendet. Das Beulproblem kann separat betrachtet werden, da die Zugabe von Versteifungen keine Auswirkung auf den Nachweis in Bezug auf Spannung und Ermüdung hat. Zusätzlich wird im zweiten Schritt der Typ der Versteifung ausgewählt, um die Konfigurationsbedingungen zu erfüllen. Im dritten Schritt werden Dicken und Längen der Bleche modifiziert, um die Kosten beim Schweißen zwischen den Blechen zu minimieren. Der Algorithmus wurde in MATLAB® R2015a implementiert.

2.3.3 Resümee und Auswirkungen Innerhalb dieses Projektes wurde die Optimierung eines Kastenauslegers in Bezug auf mehrere Zielfunktionen erfolgreich durchgeführt. Der entwickelte Prototyp hat es ermöglicht, die Anwendung einer heuristischen Optimierung zu demonstrieren und die Verfeinerung von Dimensionierungsparametern gemäß der multiplen Zielfunktionen (Masse- und Kostensenkung) zu automatisieren. Im Hinblick auf die Auswirkungen auf die Geschäftsprozesse haben solche Optimierungsmethoden und -werkzeuge folgende Auswirkungen: 

Erhöhte Produktivität und verkürzte Vorlaufzeiten bei der Dimensionierung von Kastenauslegern



Globale Gewichtsreduktion des Krans



Reduktion der Produktionskosten

Prozess- und Verfahrensoptimierung 3.1.

Prozessentwicklung des Gießens von bandförmigen AluminiumVerbundwerkstoffen 3.1.1 Einleitung

Aluminium-Verbundwerkstoffe sind in den verschiedensten technischen Anwendungen zu finden, wie zum Beispiel in Produkten der Luft- und Fahrzeugindustrie oder im industriellen Kühlerbau [1, 2]. Die Vorteile der Verbindung verschiedener Aluminiumlegierungen mit unterschiedlichen Eigenschaften, wie zum Beispiel ein Verbund aus hochfestem Kernmaterial und hochkorrosionsbeständiger Plattierschicht, sind vielfältig [3, 4, 5]. Üblicherweise werden diese Verbundmaterialien durch eine Kombination aus Kalt- und Warmwalzprozessen hergestellt [6, 7]. Der gewünschte Übergang von klassischen Verbundlegierungen zu immer höherfesteren und leistungsfähigeren Legierungen stellt stetig steigende Anforderungen an den Walzplattierprozess, was zu Bestrebungen führt, die verschiedenen Schichten in einem einzigen Prozessschritt im Verbund zu gießen. Durch das Gießen von bandförmigem Verbundmaterial in einem Prozessschritt können die Produktion vereinfacht, Produktionskosten gespart und vor allem neue Kombinationen von Aluminiumlegierungen realisiert werden [8]. Ziel eines seit mehreren Jahren am ÖGI durchgeführten und von der Österreichischen Forschungsfördergesellschaft (FFG) geförderten Projektes ist die Herstellung plattenförmiger Verbundgussstücke aus unterschiedlichen Aluminiumlegierungen und Reinaluminium in einem quasikontinuierlichen Gießprozess. Im Zuge dessen wurde eine Kleinanlage zur Durchführung von Verbundgussversuchen entwickelt, gefertigt und aufgebaut. Die Anlage ist so ausgelegt, dass sie die Erprobung von verschiedenen Materialpaarungen unterschiedlicher Dicke bei vorgewählter Substrat- und Schmelzetemperatur und unter definierten Gießgeschwindigkeiten ermöglicht. Um die thermischen Verhältnisse in der Verbundzone sowie den Schmelzefluss während des Verbundgießens besser beschreiben und verstehen zu können, wurde ein dreidimensionales Finite-Elemente-Modell dieser Kleinanlage mit der kommerziellen Simulationssoftware FLOW-3D entwickelt und das Modell mit im Versuch gemessenen Temperaturen kalibriert.

3.1.2 Verbundgussanlage

Abbildung 8: Übersicht der Gießanlage mit Gießeinheit (1), Steuereinheit (2), Datenaufzeichung (3) und Schmelzofen (4)

Mit der am Österreichischen Gießerei-Institut entwickelten Kleinanlage (Abbildung 8) können Verbundplatten mit einer Gesamtabmessung von 230 mm x 200 mm x 20 mm gegossen werden. Die Anlage besteht aus einer Gießeinheit (1), einer Steuereinheit (2) sowie einer Datenaufzeichnungseinheit (3) mit 16 Messkanälen. Als Schmelzeinheit für das Reinaluminium wird ein Elektrowiderstandsofen (4) mit einem Schmelzevolumen von 5 l verwendet. Das Herzstück der Anlage ist die Gießeinheit (1), in der die Verbundgussplatten abgegossen werden. Abbildung 9 zeigt diese Gießeinheit in einem Mittelschnitt in Explosionsansicht. Sie besteht aus einem mit Heizpatronen auf eine gewählte Temperatur aufgeheizten Kupferblock, der gegen die Umgebung thermisch isoliert ist. Auf diese Kupferplatte wird die Substratplatte gelegt, die somit ebenfalls auf die gewählte Temperatur gebracht wird. Mit einer Dichtplatte, Grafitplatte, Gusseisenplatte und einer Gießlippe wird ein Hohlraum veränderlicher Größe über der Substratplatte gebildet. Auf die Gusseisenplatte wird eine mit Reinaluminium gefüllte Gießbox positioniert. Die darin enthaltene Schmelze kann mit einem Schieber freigegeben werden. Sie läuft auf die Substratplatte auf, während der auf zwei Grafitschienen gelagerte Oberteil der Anlage mit einem elektrischen Spindelantrieb bis zur Endposition gezogen wird.

Abbildung 9: Schnitt durch die Gießeinheit in Explosionsansicht

3.1.3 Simulation Das makroskopische, dreidimensionale Finite-Elemente-Modell der Gießeinheit ermöglicht es, die thermischen Verhältnisse in der Verbundzone von Substratplatte und Aufgusslegierung sowie den Schmelzefluss während des Verbundgießprozesses beschreiben zu können. Die Abbildung 10, 11 und 12 zeigen den simulierten Gießprozess bei 2,5 s, 10,0 s und zu Gießende bei 22,5 s. Die heiße Schmelze der Gießbox trifft auf die Oberfläche der Substratplatte und erwärmt diese soweit, dass es zu einem lokalen Aufschmelzen der Substratlegierung kommt. Erst dieses gezielte lokale Aufschmelzen ermöglicht eine Verbundbildung der beiden Schichten; bei zu geringer Temperatur in der Verbundzone findet keine Verbundbildung statt. Mithilfe der Simulation können nun Gießparameter gefunden werden, die zu diesem oberflächlichen Aufschmelzen der Substratplatte und zu einer Verbundbildung führen, ohne dass es zu einem vollständigen Durchschmelzen der Platte kommt.

Abbildung 10: Temperatur 2,5 s nach GieĂ&#x;start

Abbildung 11: Temperatur 10,0 s nach GieĂ&#x;start

Abbildung 12: Temperatur zu GieĂ&#x;ende nach 22,5 s

3.1.4 Metallographische Untersuchungen Die Qualität der abgegossenen Verbundgussplatten lässt sich nur anhand von mikroskopischen Schliffbildern beurteilen. Wesentlich für eine gute Verbundbildung zwischen der Substratlegierung und der Aufgusslegierung ist die lokale Temperatur, die sich während des Gießvorganges zwischen den Verbundpartnern einstellt. Abbildung 13 zeigt in mikroskopischen Schliffbildern der Verbundschicht, wie sich unterschiedliche Temperaturen in der Verbundzone auf die Verbundbildung auswirken. Wenn die Temperatur zu niedrig ist, kommt es zu keinem oberflächlich lokalen Anschmelzen der Substratplatte und es bildet sich nur eine ungenügende Bindung aus (Abbildung 13 (a)). Ist die Temperatur zu hoch, kommt es zu einem starken Aufschmelzen der Substratlegierung und dadurch zu einem starken Durchmischen und Verwirbeln zwischen Substrat- und Aufgusslegierung (Abbildung 13(c)). Unter geeigneten Bedingungen wird die Substratlegierung oberflächlich lokal aufgeschmolzen und vermischt sich geringfügig auch mit der Substratlegierung, ohne dass es zu einem starken Verwirbeln der einzelnen Legierungen kommt (Abbildung 13(b)).

(a)

(b)

(c)

Abbildung 13: mikroskopische Schliffbilder der Verbundzone (unten: Substratlegierung / oben: Aufgusslegierung)

3.2.

Reinigung und Desinfektion von Oberflächen – Erkenntnisse für Anwender und Hersteller

Zum Schutz von Medikamenten, Medizinprodukten und in letzter Instanz natürlich auch von PatientInnen, dürfen Keime in Krankenhäusern und Produktionsstätten keine Chance zur Vermehrung bekommen. Die regelmäßige Reinigung und Desinfektion von Oberflächen ist in diesen Bereichen daher unumgänglich. Um eine sichere Ausführung gewährleisten zu können, müssen allerdings einige Herausforderungen bewältigt werden.

Abbildung 14: Analyse biologischer und potenziell allergener Partikel (Fotolia)

Reinigung und Desinfektion stehen bei Pharma- und Medizinprodukteherstellern im Spannungsfeld von Anforderungen der Produktion einerseits und jenen der Hygieneteams andererseits: Es soll schnell gehen, alles soll partikelfrei sein und darüber hinaus sollen möglichst nur Reinigungs- und Desinfektionsmittel verwendet werden, die Mensch und Maschine schonen. Ganz ähnliche Probleme zeigen sich auch in medizinischen Gesundheitseinrichtungen: Auch hier steht eine Vielzahl von Medizinprodukten im Einsatz – oft in hochsensiblen Bereichen, wie Intensivstationen oder Operationssälen – die besonders gut gereinigt und desinfiziert werden müssen. Letzteres ist allerdings oft nicht so einfach, bestehen doch teure Medizinprodukte oft aus vielen unterschiedlichen Materialien, wie Kunststoffen und/oder Metallen. Um Wege zu finden, mit diesen speziellen Herausforderungen umzugehen, hat das Österreichische Forschungsinstitut für Chemie und Technik (OFI) gemeinsam mit den Unternehmen Happy Plating, HYGline®, Mediserv-Gheorghe Zsigmond und ÖTI (Institut für Ökologie, Technik und Innovation GmbH) sowie der FH Oberösterreich das Forschungsprojekt „HygO“ ins Leben gerufen: Bei dem von der FFG im Rahmen der COIN-Programmlinie "Kooperation & Netzwerke" geförderten Projekt wurden die genannten Themenstellungen wissenschaftlich eingehend beleuchtet – mit den dabei erhaltenen Ergebnissen kann man nun den Hygieneteams aus Gesundheitseinrichtungen sowie Produktion mit Rat und Tat zur Seite stehen. Die wichtigsten Erkenntnisse, die im Rahmen des Forschungsprojektes für Anwender und Hersteller gewonnen werden konnten, lassen sich wie folgt zusammenfassen: Interdisziplinäres Team: Um zu gewährleisten, dass bereits zu Beginn baulicher Maßnahmen die optimale Materialauswahl für später zu desinfizierende Oberflächen getroffen werden kann, hat es sich als äußerst vorteilhaft erwiesen, in interdisziplinären Teams zu arbeiten: Hygienefachkräfte, WerkstoffspezialistInnen, InnenraumarchitektInnen sowie EinrichtungsexpertInnen sollten dabei genauso eingebunden werden, wie die späteren Anwender und Nutzer der jeweiligen Bereiche. Mit der richtigen Auswahl von Oberflächenmaterialien sowie Reinigungs- und Desinfektionsmitteln können (spätere) Schäden vermieden werden. 18

Wissensmanagement: Die genaue Dokumentation von Informationen über eingesetzte Materialien – sowohl was Innenraum-Oberflächen als auch Medizinprodukte betrifft – hilft Hygieneteams bei der richtigen Auswahl der Reinigungs- und Desinfektionsmittel. Durch eine derartige Dokumentation können auch Schäden vermieden werden, die aus einem zeitversetzten Einsatz von Reinigungs- und Desinfektionsmitteln resultieren: Die einzelnen Mittel können nämlich in ihrer Kombination sowohl eine mindernde Wirkung (Antagonismus) als auch eine verstärkende Wirkung (Synergismus) aufweisen. Initiativen wie die vom European Interdisciplinary Committee for Hygiene & Compatibility Testing of Medical Devices (EICHY) veröffentlichte Materialverträglichkeitsdatenbank sind in diesem Kontext für Hersteller und Anwender ein hilfreiches Tool. Überprüfung von Materialverträglichkeiten: Die Kompatibilität von Materialien mit Reinigungsund Desinfektionsmitteln sollte von Beginn an überprüft und in den Gebrauchsanweisungen dokumentiert werden. Unter kontrollierten, beschleunigten Alterungsbedingungen kann oft schon mit relativ einfachen Methoden eine Simulation der langfristigen Kompatibilität von Materialien und Reinigungs- bzw. Desinfektionsmittel vorgenommen werden. Leider werden derartige Untersuchungen oft erst in Angriff genommen, wenn bereits Schäden aufgetreten sind – infolge falscher Materialauswahl oder einer nicht-kompatiblen Anwendung von Reinigungs- und Desinfektionsmitten. Hier kann dann nur mehr im Nachhinein die Fehlerursache eruiert werden.

3.3.

Neue zerstörungsfreie Verfahren zur Sicherstellung der Dichtheit von Verpackungen im Pharmabereich (Container & Closure System Integrity Testing -CCI)

Immer mehr Medikamente basieren auf biotechnologischen Verfahren, die durch komplexe molekulare Strukturen besonders empfindlich auf Umwelteinflüsse reagieren. Hersteller suchen deshalb vermehrt nach neuen Möglichkeiten, ihre Produkte zu schützen und bis zur Anwendung zu konservieren. Im Bereich der pharmazeutischen Industrie stellt die Stabilität von Wirkstoffen und deren Zubereitungen ein wesentliches Anforderungskriterium dar: Speziell Arzneimittel, die auf biotechnologischen Verfahren basieren, reagieren auf Grund ihrer komplexen Struktur oft besonders empfindlich auf äußere Einflüsse. Durch den Prozess der Gefriertrocknung (Lyophilisierung) konnten diesbezüglich entscheidende Fortschritte erzielt werden: Sowohl die Bioaktivität als auch die Stabilität der Wirkstoffe bleiben dadurch über deutlich längere Zeiträume erhalten. Neben den verschiedenen Qualitätsstandards für das Arzneimittel selbst werden dabei aber auch an die Produktverpackungen sehr hohe Ansprüche gestellt: Besonders den sogenannten ´Leak-Defekten´ ist dabei hohes Augenmerk zu schenken, damit die verpackten Füllgüter steril und vor unerwünschtem Kontakt mit Luftsauerstoff geschützt bleiben. Mikroskopisch kleine Löcher, Risse, Kratzer oder aber auch nicht fest sitzende Stopfen 19

werden bei rein visueller Inspektion nicht immer erkannt – ihre Abwesenheit muss daher durch spezielle Prüfverfahren sichergestellt werden. Container & Closure System Integrity Testing (kurz: CCI-Testing) spielt in diesem Zusammenhang eine wichtige Rolle, um die Sterilität & Stabilität von lyophilisierten Produkten zu gewährleisten. Schon 2008 hat die amerikanische Food and Drug Administration (FDA) eine diesbezügliche Leitlinie veröffentlicht, deren wesentliche Forderungen auch Eingang in die US-amerikanische Pharmacopeia (USP) gefunden haben; durch ein entsprechendes Amendment im Jahre 2016 unterliegen nunmehr alle klassischen Vials, Phiolen, Ampullen, Spritzen sowie Verpackungen / Beutel aus Glas, Kunststoff und Metall diesen Bestimmungen. Auch innerhalb Europas ist die CCI Inspektion von sterilen Produkten in einer entsprechenden GMP Guideline verankert.

3.3.1 Laser Head Space – Technologie Eine relativ neue Technologie im Zusammenhang mit CCI Testing stellt das sogenannten Laser Head Space Verfahren dar: Das Licht eines NIR-Diodenlasers durchstrahlt dabei den über dem eigentlichen Produkt befindlichen Gasraum einer pharmazeutischen Verpackung und wird durch anwesende Spuren von Sauerstoff, Kohlendioxid u/o Wasserdampf absorbiert. Über die Höhe der Absorption kann auf den Gehalt der genannten Gase rückgeschlossen werden. Laser Head Space Analyseverfahren werden heute auf Grund ihrer hervorragenden Detektionsqualität in der pharmazeutischen Industrie für viele Bereiche eingesetzt – nicht nur für die Optimierung von Verpackungen sondern auch in der Produktion als 100% Chargenkontrolle. Auch am Österreichischen Forschungsinstitut für Chemie und Technik (OFI) steht seit kurzem eine derartige Prüfeinrichtung im Einsatz: Der „FMS-Oxygen Headspace Analyzer“ (Hersteller: Lighthouse) zielt auf die zerstörungsfreie Detektion von Luftsauerstoff ab, der durch minimale Undichtheiten in die Verpackung (z.B. Glas-Vials) eingetragen wurde. Die Untersuchungen werden sowohl im FEI-Bereich im Rahmen von Verpackungsentwicklungsprojekten als auch im Bereich der GMP-gerechten Überprüfung von verpackten Pharmazeutika eingesetzt.

Produkte 4.1.

Hochfester Beton als dauerhafte Lösung für Aufbetone

Aufgrund der stetigen Zunahme von Verkehrslasten ist es notwendig, das Lastmodell von Brückentragwerken nach aktuellen Normenstandards anzupassen. Eine wirtschaftliche Lösungsvariante dafür ist die Instandsetzungsmaßnahme mit geringen Gesamthöhen mittels Aufbetonschichten. Hierfür eignen sich Betone mit höherer Festigkeit besonders gut, da diese eine höhere Dauerhaftigkeit und eine bessere mechanische Widerstandsfähigkeit aufweisen. In einem von der FFG geförderten Forschungsprojekt soll für Verstärkungsschichten im Bestand der bestmögliche Verbund in der Fuge experimentell nachgewiesen und in weiterer Folge auch in der Bemessung verankert werden, um so zur Umsetzung von wirtschaftlichen Bauweisen beizutragen. Die spezifischen Betoneigenschaften, wie vor allem bei hochfesten Betonen vorhanden ist, sind förderlich für das Zustandekommen besonders guter Verbundeigenschaften. Dies zeigen jüngste Untersuchungen wie jene von Lenz [9] an der TU München. Beim Aufbringen einer Betonschicht im Verbund ist es wesentlich, dass der Untergrund so ausgeführt und behandelt wird, dass sich möglichst gute Verbundeigenschaften einstellen. Die Rauheit der Oberfläche ist hierbei ausschlaggebend, da sie entscheidenden Einfluss auf die Kraftübertragung der Verbundfuge durch Adhäsion und Reibung hat. Zur Analyse dieser Themenstellung wurden Probekörper mit einem typischen Beton für Brückentragwerke hergestellt (C30/37/B5) und nach unterschiedlicher, baustellentypischer Oberflächenbehandlung mit glatter, rauer und verzahnter Verbundfuge mit einer Aufbetonschicht aus Hochleistungsbeton versehen. Anhand von digitalen Oberflächenmodellen für die unterschiedlichen Oberflächengüter und Verbundkennwerte mit unterschiedlichen Belastungsansätzen von reinem Zug (Haftzug- und Keilspaltversuche) bis zur Scherbeanspruchung konnte eine entsprechende Datengrundlage zur Adaptierung der Bemessungsgrundlage geschaffen werden. Um die Verbundwirkung von zwei Schichten auch betontechnologisch besser zu verstehen, ist die Kenntnis der Komponenten Adhäsion, Reibung sowie einer Verbundwirkung durch Dübeloder Klemmwirkung erforderlich. Der Haftverbund zufolge Adhäsion, welche im Fokus des Projektes steht, resultiert aus chemischen und physikalischen Bindungskräften zwischen den angrenzenden Schichten. Dies sind sowohl physikalische Kräfte, die während der Hydratation von Zement entstehen, als auch chemische Bindungen zwischen den einzelnen Bestandteilen des Betons durch interatomare und molekulare Kräfte. Die experimentellen Studien zum Haftverbund beinhalten zwei wesentliche Untersuchungen:

4.1.1 Genaue Charakterisierung der Oberflächeneigenschaften mit herkömmlichen und alternativen Methoden Zur Gewährleistung einer ausreichenden Verbundwirkung werden die Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit im österreichischen nationalen Anhang zu Eurocode 2 (ÖNORM 1992-1-1 [10]) sowie in RVS 15.02.23 [11] zur Bemessung und Ausführung von Aufbeton auf Fahrbahnplatten definiert. Die Oberfläche muss eine mittlere Rautiefe ≥ 3,0 mm, bestimmt mit dem Sandflächenverfahren gemäß EN 1766 [12], aufweisen. Bei dieser Prüfung wird eine definierte Menge von Normensand auf die Oberfläche aufgeschüttet und mit einer runden Scheibe durch Drehbewegungen verteilt. Die Rautiefe wird schließlich als Höhe des gedachten zylindrischen Körpers mit dem so gemessenen Kreisdurchmesser und dem Volumen des aufgetragenen Stoffes (Abbildung links) definiert. Allerdings lässt dieses sehr einfache Prüfverfahren nur eine sehr grobe Charakterisierung der Oberflächeneigenschaften zu.

Abbildung 15: Bestimmung der Oberflächenrauigkeit mit dem Sandflächenverfahren links und dem stereoskopischen Verfahren rechts [13]

Um vertiefende Aussagen über die Oberflächeneigenschaften zu erhalten, werden diese mit einem stereoskopischen Verfahren analysiert (Abbildung rechts). Dabei wird anhand von mehreren, in unterschiedlichen Kippwinkeln aufgenommenen Bildern ein digitales Oberflächenmodell (DOM) generiert (Abbildung ), auf dessen Basis unterschiedliche Oberflächenkenngrößen ausgewertet werden können.

Abbildung 16: Digitales Oberflächenmodell der verschiedenen Rauigkeitskategorien (glatt ≤ 1,5mm, rau ≤ 3,0mm, verzahnt ≥ 3,0mm)

4.1.2 Charakterisierung der Verbundeigenschaften Nach Aufbringen des Aufbetons werden Probekörper entnommen und die Verbundeigenschaften ermittelt. Bei der Prüfung der Haftzugfestigkeit gemäß ONR 23303 [14] wird mit einem Kernbohrgerät (Innendurchmesser 50 mm) über die gesamte Dicke der Aufbetonschicht und darüber hinaus etwa 2 cm in die Unterbetonschicht gebohrt. Es erfolgt das Aufkleben von Stahlstempeln und die Bestimmung der Haftzugfestigkeit durch zentrisches Abziehen des Stahlstempels unter konstanter Belastungsgeschwindigkeit. Dieses Verfahren, obwohl seit vielen Jahrzehnten verbreitet, liefert aber nur ungenügende Aussagen über Versagensmechanismen und Verbundverhalten. Daher wurden die bruchmechanischen Kennwerte zur besseren Charakterisierung mit der Keilspaltmethode gemäß ÖNORM B 3592 [15] ermittelt. Hierzu werden Proben mit einer Seitenlänge von 10 cm aus den Versuchsplatten geschnitten. Nach der Probenvorbereitung (Schneiden der Starterkerbe, Aufkleben der Lasteinleitungsplatten) werden die Probekörper in einer Prüfvorrichtung belastet. Im Zuge der Prüfung erfolgt die Aufzeichnung eines Last-Verschiebungsdiagramms bis zum vollkommenen Aufspalten der Probe. Abbildung zeigt schematisch die Prüfung der Haftzugfestigkeit sowie die Bestimmung der bruchmechanischen Kennwerte an einer gekerbten Probe.

Abbildung 17: Bestimmung der Haftzugfestigkeit (links) sowie der bruchmechanischen Kennwerte (rechts)

In Abbildung sind Zusammenhänge zwischen der Bruchenergie GF (entspricht der Gesamtenergie zum Aufspalten der Probe) und den Oberflächenzuständen glatt, rau und verzahnt grafisch dargestellt. Anhand der ermittelten Kennwerte ist zu sehen, dass die höchsten Prüfwerte bei der aufgerauten und verzahnten Verbundfuge festgestellt wurden. Bei diesen Oberflächen können etwa 80 % der Festigkeitswerte von homogenem Beton erreicht werden. Der Einbau nass in nass lieferte deutlich geringere Verbundfestigkeit als jene Probekörper, die durch Hochdruckwasserstrahlen aufgeraut wurden, da der Beton erst etwa zwei Stunden später eingebracht wurde und kein Vernähen der Schichten erfolgte. Weiters zeigen die Versuchsergebnisse, dass ausgewählte Parameter der Flächenanalyse sehr gut mit den bruchmechanischen Kennwerten Kerb-Spaltzugfestigkeit und spezifische Bruchenergie korrelieren.

Abbildung 18: Spezifische Bruchenergie der unterschiedlichen Oberflächenzustände

Die höchsten Haftzugfestigkeiten konnten bei der rauen Verbundfuge erreicht werden, die höchsten bruchmechanischen Kennwerte mit dem Keilspaltversuch bei der aufgerauten und verzahnten Verbundfuge, das belegen die Ergebnisse der ersten Untersuchungen. Ähnliche Ergebnisse brachten auch die sogenannten Push-Out und Slant Shear Tests, die an der Fachhochschule Kärnten durchgeführten wurden. Es zeigt sich, dass die Verbundfestigkeiten je nach Rauheitkategorie schwanken. Des Weiteren wurde festgestellt, dass zumindest eine mittlere Rauheit mit Rautiefen von mind. 1,5 mm zielführend sein dürfte, um ansprechende Verbundfestigkeiten zu erreichen. Gleichzeitig scheint die Realisierung großer Rautiefen (verzahnte Oberfläche, Rautiefe ≥ 3 mm) im Zusammenhang mit dem verwendeten höherwertigen Beton als nicht zwingend erforderlich. Das Forschungsprojekt wird 2017 abgeschlossen. Bis dahin sollen weitere ergänzende Versuche einerseits die Grundlage für eine verbesserte Bemessung liefern, andererseits werden auch die Auswirkungen von Erschütterungsbeanspruchungen (z.B. Verkehrsschwingung während der Bauausführung) näher untersucht.

4.2.

Die Korbwand – Neues System für Fertigteilwände ohne Gitterträger

Der oberösterreichische Unternehmer Hubert Rapperstorfer entwickelte ein neues System für Fertigteilwände aus Stahlbeton ohne Gitterträger – die Korbwand. Dank dieser neuartigen Fertigungsmethode wird der Produktionsprozess im Fertigteilwerk wesentlich vereinfacht. Demgegenüber steht eine klare Verbesserung der Qualität, da gleichzeitig die Fehleranfälligkeit verringert und der Materialverbrauch sowie der Stahlabfall wesentlich reduziert werden. Die Innovation und der technische Fortschritt bestehen darin, die 24

Herstellung eines weltweit etablierten Produkts stark zu vereinfachen und damit zu beschleunigen.

4.2.1 Die Entstehung einer Idee Stahlbeton ist weltweit mit Abstand der wichtigste Baustoff. Die klassische Lieferform sind Stäbe, die manuell verlegt und mit Bindedrähten durch Eisenbieger zu Bewehrungskörben verbunden werden. Zur Arbeitserleichterung wurden vorgefertigte Produkte wie Matten und Gitterträger auf den Markt gebracht. Mit der Lieferung des Stahls in Form von Ringen in den 1980er Jahren startete hier die Automatisierung, indem die Stähle automatisch in die erforderliche Form gebracht wurden. Das Verlegen und der Zusammenbau zu den erforderlichen räumlichen Geflechten geschieht aber noch immer weitgehend per Hand oder automatenunterstützt wie in den Fertigteilwerken. Dass ausgerechnet diese Tätigkeit nicht vollautomatisch geht, machte Hubert Rapperstorfer stutzig. Sein Ziel war die Entwicklung einer vollautomatischen Fertigungsanlage zur Herstellung von dreidimensionalen Bewehrungskörben, deren Einzelteile durch Schweißung verbunden werden. Praktisch als Zugabe wollte er auch die Produktion in Losgröße 1 ermöglichen, so dass jeder automatisch hergestellte Korb anders aussehen kann. Dazu entwickelt Rapperstorfer Automation eine mit fünf Robotern ausgestattete, computergesteuerte Fertigungsanlage für dreidimensionale Bewehrungskörbe, deren Herzstück die Schweißroboter zum Verbinden der Einzelstäbe sind. An der Maschine selbst werden die einzuschweißenden Verbindungen berechnet und dimensioniert. Abstandhalterstäbe werden gleich mit eingeschweißt. Diese Entwicklungstätigkeiten wurden federführend von Rapperstorfer Automation in Zusammenarbeit mit verschiedenen Spezialisten, wie dem Bautechnischen Institut (BTI) oder der Maba Betonfertigteilindustrie, durchgeführt.

Abbildung 19: Vergleich zwischen einer klassischen Doppelwand und einer Korbwand 25

4.2.2 Schneller, günstiger, leichter und stabiler Gleich mehrere wesentliche Vorteile gegenüber konventionellen Wandsystemen konnten in die Praxis umgesetzt werden: 

Durch die fixe Verschweißung der Verbindungselemente erhält die Korbwand nicht nur eine höhere Stabilität, sondern benötigt auch wesentlich weniger Stahlstäbe. Das spart Rohstoffe und Gewicht.



Die Stäbe in der Korbwand sind so intelligent positioniert, dass alle geplanten Verbindungen exakt verschweißt und somit ideal auf die individuellen Bedürfnisse angepasst werden.



Klassische Fertigbauelemente können sich bei der Montage mit Anschlusseisen verhaken und auf diese Weise ausgedehnte Verzögerungen auslösen. Die Korbwand ist dank ihrer stahlsparenden Konstruktion beim Versetzen durch den Kran und auch beim Einführen und Entfernen der Rüttelflasche viel weniger verzögerungsanfällig.

4.2.3 Die Korbwand in der Praxis Der Prototyp der innovativen Fertigungsanlage wurde von der MABA Fertigteilindustrie gekauft und erprobt und anschließend in Gerasdorf bei Wien montiert. Erste Korbwände wurden bereits in extremen Situationen hergestellt und auf der Baustelle vor Ort verbaut. So konnten beispielsweise 15 cm starke, mit extrem dicker Bewehrung versehene Hohlwände, wie sie für Liftschächte Verwendung finden, produziert werden. Diese Wände sind mit Gitterträgern als Fertigteil sehr schwer realisierbar, da der Stahlkorb 11 cm Stärke hat und die vielen 14 mm dicken Stäbe in den Tragschalen den Einbau von Gitterträgern mit 8 cm Breite und 6 cm Höhe kaum mehr zulassen. Viele Gitterträgermaschinen stellen minimal 6,5 cm hohe Gitterträger her. Die Korbwand ist prädestiniert für solche Einsätze. Ein weiteres Beispiel ist der dünne Steg in einer Fertigteilwand neben einer Tür. Stege mit 10 bis 20 cm Breite lassen kaum Spielraum für einen 8 cm breiten Gitterträger und für den eventuellen Einbau von Elektrodosen. In der neuen Korbwand ist ausreichend Platz für Verbindungsstäbe und Elektroeinbauten. Die Korbwand ermöglicht durch die flexible Anordnung der Verbindungselemente auf Wunsch auch höhere Füllgeschwindigkeiten, da Hohlwände beim Ausbetonieren immer mit begrenzter Steiggeschwindigkeit gefüllt werden müssen, um Beschädigungen durch Betondruck zu vermeiden. In der Korbwand ist kein Einsatz von Raketen und Abstandshaltern erforderlich. Damit wird der Anteil an Kunststoffen in der Wand um bis zu 90 % reduziert und eine natürlichere Bauweise ermöglicht. Die Länge der Druckstäbe kann in der Produktion der Stahlkörbe individuell definiert werden. Somit ist die Wandstärke ganz auf den Bedarf des Kunden abstimmbar. Die Korbwand ist beidseitig schalungsglatt, lässt ein Gebäude aus einem Guss entstehen (monolithische Bauweise), hat ein leichtes Transportgewicht und ermöglicht schnelle Baufortschritte.

4.2.4 Das Einsparungspotenzial Etwa 10 % der Herstellkosten der Doppelwand können mit dem neuen Verfahren eingespart werden. Bei optimierter Produktivität erhöht sich dieser Wert dank Materialeinsparungen weiter. Konventionelle Doppelwände sind außerdem an 44 Punkten/m² mit Stäben verbunden und je zweimal verschweißt. Die Korbwand kommt mit sieben Stäben und 14 Schweißpunkten aus, was wesentliche Energieeinsparungen mit sich bringt. 90 % weniger Kunststoff im Betonelement bedeuten eine Energieersparnis beim Heizvorgang für das Spritzen der Kunststoffabstandhalter. Abstandshalter für die Einhaltung der Betondeckung werden ebenso durch die Druckstäbe ersetzt, weil der Stahlkorb ein Fachwerk mit hoher Eigenstabilität bildet. „Somit wird das Bauwerk auch nachhaltiger, da weniger Kunststoffe verbaut werden müssen“, nennt Rapperstorfer einen weiteren positiven Nebeneffekt seiner Innovation. Durch die Produktion in Losgröße 1 werden auf der Baustelle auch Lärmbelästigungen und die Erzeugung von Abfällen auf ein Minimum reduziert. In Summe ergibt sich somit ein erhebliches Einsparungspotenzial, was zur schnellen Amortisierung der Anlage beiträgt.

4.3.

Schmierstofffreie Teleskopgleitlager für Megasonnenschirm

Gleitlager für Teleskoparme, wie sie beispielsweise für Mobilkrane verwendet werden, müssen in der Regel regelmäßig geschmiert werden, um im täglichen Gebrauch verlässlich funktionieren zu können. Für eine ganz spezielle Anwendung, dem Aus- und Einklappmechanismus eines Mega-Sonnenschirms ist der Einsatz von Schmierfett nicht möglich, da dieses Gefahr läuft, auf die unter den Teleskoparmen befindliche schattenspendende Membran zu tropfen und diese dadurch sichtbar zu verschmutzen - Eine schmierstofffreie Lösung für das Gleitlager musste her.

Abbildung 20: Funktionstests des Mega-Sonnenschirms für Mekka mit einer Spannweite von 53 m. 27

Der Hersteller dieses Mega-Sonnenschirm, Liebherr-Werk Ehingen, hat sich dazu Know-how von ACR-Mitglied V-Research geholt. Im Rahmen des von der Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) unterstützten gemeinsamen Projekts analysierte VResearch die für das Reibungs- und Verschleißverhalten wichtigen SystemRahmenbedingungen und entwickelte entsprechende Arbeitshypothesen. In eigens für die Anwendung entwickelten tribologischen Versuchen wurden dann die Arbeitshypothesen verifiziert und verfeinert. Darauf aufbauend konnten wiederum die Lösungskonzepte erarbeitet werden. Durch diese bewährte, systematische Vorgehensweise konnten die Mitarbeiter von VResearch eine Werkstoff- bzw. Beschichtungspaarung identifizieren, die den nicht ganz trivialen Anforderungen entsprechen. Der Sonnenschirm ist für die Pilgerstätte in Mekka entwickelt, um den vielen Besuchern Schutz vor Sonne und Hitze zu bieten. Daher muss sichergestellt sein, dass der Schirmmechanismus unter extremen Temperaturschwankungen, unter Einfluss von Sand oder verschiedensten Lastszenarien einwandfrei funktioniert.

Abbildung 14: Teleskoparm für den Ein- und Ausklappmechanismus des Sonnenschirms bei der Funktionsüberprüfung

4.4.

Verbessertes Langzeitverhalten von PV-Modulen durch optimierte Bauteile

Zuverlässigkeit und Langzeitstabiliät von Photovoltaik-Modulen sind für die verstärkte Nutzung von Photovoltaik entscheidend. Der Markt entwickelt sich rasant und die Produktionsverfahren werden laufend optimiert. Basis für diese Entwicklung sind Ergebnisse der Forschung. Seit Jahren bringt das OFI seine Expertise in interdisziplinären Projekten ein.

Handelsübliche PV-Module sind von ihrem Aufbau her als Multimaterialverbunde anzusehen – gekennzeichnet durch einen vergleichsweise komplexen Aufbau aus unterschiedlichsten Komponenten – jede für sich mit einem ganz speziellen Eigenschaftsprofil, um ihre spezifische Aufgabe im Verbund erfüllen zu können. Herzstück ist in jedem Fall die PV-aktive Zelle aus sensitivem Halbleitermaterial samt ihren elektrischen Verbindungen aus metallischen Komponenten. Aufgrund der geringen Schichtdicke handelt es sich dabei um ein mechanisch nicht sehr stabiles System an stromführenden Teilen/Verbindungen, welche in ein polymeres Einkapselungsmaterial eingebettet werden, um ausreichenden mechanischen Schutz sowie elektrische Isolation zu gewährleisten. Zum Schutz gegen äußere Witterungseinflüsse und zur weiteren Erhöhung der Stabilität wird das Modul vorderseitig mit einer transparenten Schicht – meist Glas, manchmal auch Polymer – versehen. Rückseitig wird das PV-Modul standardmäßig durch polymere Backsheets abgeschlossen, manchmal auch durch Glas oder, speziell bei gebäudeintegrierten PV-Modulen, auch durch andere Komponenten, die als Baumaterialien Einsatz finden: Insbesondere Holzbasierende Kompaktplatten sowie Metall- oder Kunststoffplatten sind in diesem Zusammenhang zu erwähnen. Das Österreichische Forschungsinstitut für Chemie und Technik (OFI) beschäftigt sich schon seit mehreren Jahren gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft mit der Verbesserung der Langzeitstabilität von PV-Modulen – insbesondere was die Alterung der darin enthaltenen organischen Materialkomponenten sowie die Verträglichkeit dieser Komponenten untereinander betrifft. Im laufenden Projekt „PV@fassade“, einem vom Österreichischen Klima- und Energiefonds geförderten und über die FFG im Rahmen der Programmlinie "e!MISSION.at" abgewickelten Forschungsvorhaben (Projektlaufzeit bis Juni 2017) befasst sich z.B. ein interdisziplinäres Konsortium aus Industrie und Forschung unter der Projektleitung des OFI mit der Entwicklung von neuartigen Fassadenelementen mit PV-aktiven Schichten: Sehr rasch wurde dabei erkannt, dass speziell die Wechselwirkungen der einzelnen Komponenten untereinander, die Haftungseigenschaften von z.B. dem Einkapselungsmaterial zu Glas, Metall oder Polymer sowie die Barriereeigenschaften einzelner Schichten von entscheidender Bedeutung sind, um einen langzeitstabilen Materialverbund garantieren zu können. Häufig beobachtete Schadensbilder umfassen u.a. 

Delaminationen und Blasenbildung aufgrund fehlender Haftung bzw. dem Ausgasen einzelner Komponenten unter Temperatureinfluss



Verfärbungen des Einkapselungsmaterials, der Backsheets oder der Zell- bzw. Leiterbändchen durch unerwünschte Degradationsreaktionen



elektrische Leistungsverluste durch gebrochene Zellen oder Zellverbinder aufgrund mechanischer Spannungszustände

Abbildung 22: Exemplarische Abbildungen von Schadensbildern an PV-Modulen

Mit seiner Vielzahl an physikalischen und chemischen Charakterisierungsverfahren werden am OFI im Rahmen der Projektarbeiten die Ursachen für solche Schadensbilder ermittelt und damit die notwendigen Inputs für innovative Materialentwicklungen und verbesserte Modulaufbauten gegeben. Das im Energy Research Program abgewickelte Flagship Projekt „Infinity“ (Laufzeit bis Oktober 2018) befasst sich dagegen mit der Entwicklung von langzeitstabilen PV-Komponenten, Modulen und Systemen für unterschiedliche klimatische Umgebungsbedingungen. Die Forschungsarbeiten werden von CTR – Carinthian Tech Research AG koordiniert und gemeinsam mit 12 weiteren Partnern aus Industrie und Forschung durchgeführt. Am OFI werden insbesondere verschiedene innovative, teilweise auch zerstörungsfreie Charakterisierungsverfahren mit den vielfältigen Möglichkeiten der beschleunigten Umweltsimulation (d. h. Simulation von UV-Einstrahlung, extremen Temperaturschwankungen, Feuchte-, Schadgas- oder Salzeinwirkung) kombiniert, um auf diese Weise Alterungs- und Degradationsprozesse von PV-Materialien und Materialkombinationen zu erkennen und in der Folge durch Produktentwicklung für den Einsatz unter verschiedenen Umgebungsbedingungen zu entwickeln.

Literaturnachweis: 

[1] M. Poková, M. Cieslar, and J. Lacaze, “Enhanced AW3003 Aluminum Alloys for Heat Exchangers”, WDS2011 Proceedings of Contributed Papers, Band 3, J. Šafránková, J. Pavlů (Hrsg.), Matfyzpress, Prag, S. 141–146, 2011.



[2] J. S. Yoon, S. H. Lee, and M. S. Kim, “Fabrication and brazeability of a threelayer 4343/3003/4343 aluminum clad sheet by rolling”, Journal of Materials Processing Technology, Band 111 (1–3), S. 85–89, 2001.



[3] J. C. Williams and E. A. Starke, “Progress in structural materials for aerospace systems”, Acta Materialia, Band 51 (19), S. 5775–5799, 2003.



[4] D. Manesh and K. Taheri, “An investigation of deformation behavior and bonding strength of bimetal strip during rolling”, Mechanics of Materials, Band 37 (5), S. 531–542, 2005.



[5] A. Lange and A. Ißleib, „Verbundgiessen - Weg zur optimalen Werkstoffanpassung an den Verwendungszweck“, VDI Berichte 1324, S. 133–152, 1997.



[6] Z. Zhan, Y. He, D. Wang, and W. Gao, “Cladding inner surface of steel tubes with Al foils by ball attrition and heat treatment”, Surface and Coatings Technology, Band 201 (6), S. 2684–2689, 2006.



[7] X. P. Zhang, T. H. Yang, S. Castagne, C. F. Gu, and J. T. Wang, “Proposal of bond criterion for hot roll bonding and its application”, Materials & Design, Band 32 (4), S. 2239–2245, 2011.



[8] K. J. M. Papis, J. F. Loeffler, and P. J. Uggowitzer, “Light metal compound casting”, Science in China Series E: Technological Sciences, Band 52 (1), S. 46–51, 2009.



[9] P. Lenz, „Beton-Beton-Verbund Potenziale für Schubfugen“, Dissertation, Technische Universität München, 2012.



[10] ÖNORM EN 1992-1-1: 2004 + AC: 2008 (2009): Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken, Austrian Standards Institute/ Österreichisches Normungsinstitut (ON)



[11] RVS 15.02.34, Bemessung und Ausführung von Aufbeton auf Fahrbahnplatten, Österreichische Forschungsgemeinschaft Straße und Verkehr, 01.06.2011

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[12] ÖNORM EN 1766: Produkte und Systeme für den Schutz und die Instandsetzung von Betontragwerken – Prüfverfahren, Österreichisches Normungsinstitut 01.07.2000

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[13] M. Peyerl, „Bruchmechanische und stereoskopische Charakterisierung von Interfaces zementgebundener Werkstoffe“, Dissertation an der TU Wien, 2012

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[14] ONR 23303: Prüfverfahren Beton (PVB) – Nationale Anwendung der Prüfnormen für Beton und seiner Ausgangsstoffe, Österreichisches Normungsinstitut, 01.09.2010

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[15] ÖNORM B 3592: Bestimmung der Kerb-Spaltzugfestigkeit und der spezifischen Bruchenergie von Baustoffen, Baustoffverbindungen und Verbundwerkstoffen, Österreichisches Normungsinstitut 2011

Quellen: 

Die Korbwand Neues System für Fertigteilwände ohne Gitterträger: aus BFT International S.165-167, BetonTage Concrete Solutions, Ulm 2016

AutorInnen: Alexander Diem (V-Research) Dr. René Eckmann (BTI) Gabriele Eder (OFI) Gabriele Ettenberger-Bornberg (OFI) Gerald Frank (V-Research) Wolfgang Hauffe (OFI) Stefan Heugenhauser (ÖGI) Erhard Kaschnitz (ÖGI) Vaheh Khachatouri (V-Research) Martin Peyerl (Smart Minerals) Norbert Randl (FH Kärnten) Robert Schöch (V-Research) Peter Schumacher (MU Leoben) Martin Steiner (FH Kärnten) Nicole Steiner-Reischütz (OFI)