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Projekt EMProBio

Thüringens Wegbereiter für eine nachhaltige Kunststoffproduktion

Wenn heute über die Transformation der Industrie gesprochen wird, geht es in vielen Fällen um Energieeffizienz, Ressourcenschonung und nachhaltige Materialien. Ein Bereich, der dabei stark im Fokus steht, ist die Kunststoffproduktion: Sie ist unverzichtbar für technische Anwendungen, aber zugleich energieintensiv und bislang überwiegend fossil geprägt.

Teilnehmer des ersten EMProBio Workshops in Jena im Mai 2025 | Foto: TU Ilmenau, GFE Schmalkalden

Mit der Forschungsgruppe EMProBio („Energie- und materialeffiziente Produktionsprozesse für biogene Kunststoffe“) setzt das Thüringer Zentrum für Maschinenbau (ThZM) genau dort an – und zeigt, wie wissenschaftliche Expertise und industrielle Anforderungen im Freistaat erfolgreich zusammengeführt werden können. Das Anfang 2025 gestartete Projekt entwickelt sich bereits zu einem Vorzeigevorhaben, das beispielhaft demonstriert, wie Thüringen Kompetenzen bündelt, Innovationen vorantreibt und den Produktionsstandort stärkt.

Ein Projekt zur richtigen Zeit

Kunststoffe bleiben zentrale Werkstoffe moderner Industrien – vom Fahrzeug- und Maschinenbau über die Medizintechnik bis hin zu Verpackungen. Doch die ökologischen und regulatorischen Anforderungen steigen, ebenso die Erwartungen an Ressourceneffizienz. Die Thüringer Kunststoffverarbeitung, eine wichtige Säule der regionalen Wertschöpfung, ist damit besonders gefordert.

„EMProBio greift die aktuellen Fragestellungen in der Kunststoffindustrie gezielt auf. Unser Ziel ist es, biogene Kunststoffe für die Thüringer Industrie nutzbar zu machen – nicht nur als nachhaltige Werkstoffalternative, sondern auch unter energie- und materialeffizienten Verarbeitungsbedingungen“, erläutert Prof. Stephan Husung, Projektkoordinator der Forschungsgruppe. „Die zentrale Frage lautet für uns: Wie lassen sich biogene Kunststoffe mit Fasern aus nachwachsenden Rohstoffen so herstellen und verarbeiten, dass sie ökologische Vorteile bieten und zugleich wirtschaftlich konkurrenzfähig sind? Die Antwort darauf entsteht in einem Netzwerk, das in dieser Form in Thüringen einzigartig ist.“

Fünf Partner – ein gemeinsamer Ansatz

EMProBio vereint alle fünf Partner des ThZM-Netzwerks: die Technische Universität Ilmenau, die Hochschule Schmalkalden, die Ernst-Abbe-Hochschule Jena, die GFE – Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden e. V. sowie das ifw Jena | Günter-Köhler-Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung GmbH. Gemeinsam decken sie relevante Phasen der Wertschöpfungskette ab – von der Herstellung der biogenen Bauteile und der Fügetechnik bis hin zur Qualitätssicherung und Effizienzbewertung.

Ein Industriebeirat mit regionalen Unternehmen begleitet das Projekt von Beginn an. Diese frühe Einbindung stellt sicher, dass die Forschung nicht im Labor endet, sondern praxisnahe Lösungen für kleine und mittelständische Betriebe entwickelt werden. Genau diese enge Verzahnung von Wissenschaft und Wirtschaft ist ein Markenzeichen des ThZM.

Woran arbeitet EMProBio?

Die Forschungsgruppe EMProBio entwickelt innovative Ansätze für biobasierte Kunststoffe, bei denen die einzelnen Projektbausteine eng miteinander verknüpft sind. Erkenntnisse aus jedem Teilprojekt fließen in die anderen ein, sodass ein durchgängiges Wissen über Materialverhalten, Fertigungstechnologien und Effizienz entsteht.

Material- und energieeffiziente Spritzgießprozesse

Im Fachgebiet Angewandte Kunststofftechnik der Hochschule Schmalkalden steht das Spritzgießen biogener Kunststoffe im Fokus. Die Materialien werden zunächst umfassend charakterisiert und anschließend der Herstellungsprozess unter Nutzung statistischer Versuchsplanung analysiert. Während der Produktion werden Prozess- und Energiedaten systematisch erfasst. Computertomografische Untersuchungen prüfen die Maßhaltigkeit der Bauteile. Auf dieser Datenbasis entstehen KI-gestützte Modelle, die eine gleichbleibend hohe Bauteilqualität bei möglichst geringem Energieeinsatz ermöglichen sollen.

Additive Fertigung mit Naturfaseranteil

Die Arbeitsgruppe Fertigungstechnik und Fertigungsautomatisierung der Ernst-Abbe-Hochschule Jena untersucht die additive Fertigung biogener Kunststoffe. In der großvolumigen Materialextrusion wird ein Teil des thermoplastischen Kunststoffs gezielt durch Holzfasern ersetzt – mit Anteilen von bis zu 30 Gewichtsprozent. So entstehen neue Möglichkeiten für großformatige Bauteile, etwa im Fahrzeuginterieur oder in der Innenarchitektur, die sich gut mit konventionell gefertigten Komponenten kombinieren lassen.

Fügen, Kleben und Recyclingfähigkeit

In der klebtechnischen Forschung am ifw Jena stehen stoffschlüssige Bauteilverbünde aus Kunststoffen, Holz- und Pflanzenfasern sowie Metallen im Mittelpunkt. Untersucht werden unter anderem Klebfestigkeit und Alterungsbeständigkeit. Ein besonderer Fokus liegt auf biobasierten Klebstoffen und deren Vergleich mit konventionellen Lösungen. Gleichzeitig wird mitbedacht, wie sich solche Verbindungen später wieder trennen lassen, um Materialien möglichst umweltschonend in den Wertstoffkreislauf zurückzuführen.

Mechanische Belastbarkeit im Praxistest

Die GFE Schmalkalden analysiert die Einsatzgrenzen biogener Kunststoffe anhand definierter Belastungs- und Festigkeitsuntersuchungen. Untersucht werden unter anderem Gewindeausreißfestigkeiten und das Verhalten unterschiedlicher Schraubentypen. Erste Ergebnisse zeigen: Während PLA-basierte Werkstoffe (PLA = Polylactide / Polymilchsäuren) mit zunehmendem Holzfaseranteil spröder werden, erweist sich die Kombination aus Polypropylen und Holzfasern als besonders vielversprechend für industrielle Anwendungen.

Qualitätssicherung durch intelligente Sensorik

Für die Prozesssicherheit additiver Fertigung entwickelt die TU Ilmenau, Fachgebiet Qualitätssicherung und Industrielle Bildverarbeitung, eine 3D-Sensortechnologie zur Überwachung direkt während des Druckprozesses. KI-Modelle erkennen Fehler frühzeitig und setzen sie in Beziehung zu den Prozessparametern. Damit lassen sich Qualitätsschwankungen reduzieren und Prozesse stabiler gestalten.

Bewertung von Material- und Energieeffizienz

Ein weiterer Schwerpunkt an der TU Ilmenau ist die systematische Bewertung der Material- und Energieeffizienz additiv gefertigter Bauteile. Das Fachgebiet Produkt- und Systementwicklung betrachtet dabei Einflussgrößen aus Entwicklung, Fertigungsvorbereitung und Fertigung. Ziel ist es, praxisnahe Richtlinien zu entwickeln, die Unternehmen bei der Gestaltung und Fertigungsvorbereitung unterstützen.

Bereits sichtbare Fortschritte nach einem Jahr Projektlaufzeit

Direktverschraubung | Foto: TU Ilmenau, GFE Schmalkalden