EXZELLENTE FORSCHUNG

CHASE ist ein Kompetenzzentrum im nationalen Förderprogramm COMET, das von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) verwaltet wird.

Es ist die Programmlinie der mittelgroßen Kompetenzzentren mit etwa 50–100 Forschenden. Das Kompetenzzentrum steht für Spitzenforschung in Österreich und stärkt die Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie.

COMET-Kompetenzzentren forschen in Bereichen, die für die österreichische Wirtschaft strategisch wichtig sind, und entwickeln Lösungen für zentrale Zukunftsthemen wie Klimaschutz, Digitalisierung, Mobilität und Gesundheit.

ERFOLGSGESCHICHTEN

Hier präsentieren wir ausgewählte COMET-Projekte, bei denen die Forschung von CHASE messbare Ergebnisse für Industriepartner sowie wissenschaftliche Fortschritte in den Bereichen Prozessdigitalisierung, Prozessoptimierung und kreislauforientierte Prozessströme erzielt hat:

Numerische Untersuchung der Elastomerextrusion ↗

Dieses Projekt entwickelte ein physikbasiertes Simulationsframework für die Elastomerextrusion mit OpenFOAM®. Konventionelle Modelle hatten oft Schwierigkeiten, das komplexe nichtlineare Verhalten von Gummi abzubilden, einschließlich Scherverdünnung, temperaturabhängiger Viskosität und Wandgleiteffekten. Das neue Framework koppelt Temperatur, Scherrate und Viskosität über den gesamten Extruder hinweg und ermöglicht so die präzise Vorhersage von Druck, Strömung und Temperatur. Ein neuartiges implizites Viskositätsmodell verbessert die numerische Stabilität und reduziert den Rechenaufwand. Die Validierung mit experimentellen Daten bestätigte die hohe Genauigkeit. Dieser Ansatz bietet ein robustes, kosteneffizientes Werkzeug für virtuelle Prozessoptimierung, Designverbesserungen und Qualitätssteigerung, wobei die weitere Verfeinerung für die industrielle Umsetzung in Arbeit ist.

Zwangsförderung von Faserrovings mittels gerillter Walze ↗

Dieses Projekt entwickelte eine innovative Methode zur Ausbreitung unidirektionaler faserverstärkter Kunststoffbänder mit einer Rillwalze, die in Segment- und Relaxationszonen unterteilt ist. Konventionelle mechanische, elektrostatische oder pneumatische Verfahren führten oft zu ungleichmäßiger Ausbreitung und hohen Faserspannungen. Der neue Ansatz leitet die Filamente entlang präziser Spiralrillen auf einer einzelnen Walze, wodurch eine schonende und gleichmäßige Verteilung ermöglicht wird. Tests mit Kohlefaserbändern zeigten eine Verringerung der relativen Standardabweichung von 8,86 % auf 2,38 % und eine Reduktion der Faserkräfte um über eine Größenordnung. Dieses Verfahren bietet eine robuste und kosteneffiziente Alternative für konsistente Faserverteilung, und die industrielle Umsetzung ist in Arbeit.

Solvent-based Recycling of High-density Polyethylene ↗

(Lösungsmittelbasiertes Recycling von high-density Polyethylen)

Dieses Projekt untersuchte das lösungsmittelbasierte Recycling von hochdichtem Polyethylen (HDPE) unter Anwendung eines statistischen Design-of-Experiments-Ansatzes zur Optimierung der Dekontamination. Künstlich verunreinigte Verpackungsabfälle wurden mittels Auflösung und anschließender Fällung unter variierenden Prozessbedingungen behandelt. Die eingesetzte Lösungsmittelmenge erwies sich als einflussreichster Faktor, während die Temperatur moderate Effekte zeigte und die Prozessdauer nur geringe Auswirkungen hatte. Unter optimierten Bedingungen konnten mehrere Modellkontaminanten vollständig entfernt und die Gesamtverunreinigung um bis zu 81 % reduziert werden. Die Studie unterstreicht das Potenzial eines maßgeschneiderten lösungsmittelbasierten Recyclings zur Herstellung hochreiner HDPE-Rezyklate für anspruchsvolle Anwendungen.

Adjustment of Component Color in the Injection Molding of Recycled Plastics ↗

(Anpassung der Bauteilfarbe im Spritzgießen von Recyclingkunststoffen)

Dieses Projekt entwickelte ein Inline-Farbmesssystem mit modellbasierter Masterbatch-Regelung für das Spritzgießen von Recyclingkunststoffen, um Farbabweichungen in heterogenen Rezyklatströmen auszugleichen. Ein mathematisches Modell berechnet auf Basis von Echtzeit-Farbsensordaten die optimale Masterbatch-Zugabe und ermöglicht so eine automatisierte Anpassung der Bauteilfarbe bei schwankenden Eingangsmaterialien. Die Lösung reduziert Ausschuss und Materialeinsatz bei gleichzeitig konstant hoher Farbqualität der Produkte und wurde bereits erfolgreich mit verschiedenen industriellen Post-Industrial- und Post-Consumer-Abfallströmen in Zusammenarbeit mit JKU Linz und ENGEL getestet.

Multiphysics Simulation Framework for Pyrolysis Optimization ↗

(Multiphysikalisches Simulationsframework zur Optimierung der Pyrolyse)

Dieses Projekt entwickelte ein umfassendes multiphysikalisches Simulationsframework zur präzisen Abbildung zentraler physikalischer und chemischer Phänomene in der industriellen Biomasse-Pyrolyse. Dadurch werden Strömung, Reaktionskinetik und Wärmeübertragung unter realistischen Betriebsbedingungen detailliert analysierbar. Basierend auf der Open-Source-CFD-Software OpenFOAM® integriert das Framework komplexe Mehrkomponententransport- und Verbrennungsmodelle mit kinetischen Pyrolyseeffekten und überwindet damit Vereinfachungen traditioneller Modelle. Das anpassbare Simulationswerkzeug wird derzeit auf Schneckenreaktordesigns angewendet und verbessert Leistungsprognosen sowie Optimierungsmöglichkeiten in unterschiedlichen Pyrolyseanwendungen in Zusammenarbeit mit Next Generation Elements GmbH und TU Wien.

Hydrogenation of CO2 to Methanol over High Entropic Oxide Catalysts ↗

(Hydrierung von CO₂ zu Methanol über hochentropische Oxidkatalysatoren)

Dieses Projekt konzentrierte sich auf die Umwandlung von (Bio-)CO₂ in Methanol mittels hochentropischer Oxidkatalysatoren, um eine zirkuläre Kohlenstoffwirtschaft zu ermöglichen und Abfall-CO₂ in geschlossene Stoffkreisläufe zurückzuführen. Es wurden heterogene Katalysatoren auf Basis erdreichlich verfügbarer Materialien entwickelt und optimiert, um Aktivität und Stabilität zu verbessern und die Grundlage für eine skalierbare, nachhaltige Methanolsynthese zu schaffen. Die Ergebnisse unterstützen die industrielle Nutzung von grünem Wasserstoff und CO₂-basierter Chemieproduktion in Zusammenarbeit mit JKU Linz und OMV.

Building a Digital Twin for Industrial Bioprocesses ↗

(Aufbau eines Digitalen Zwillings für industrielle Bioprozesse)

In diesem Projekt entwickelten CHASE und seine Partner, darunter Festo SE & Co. KG und TU Wien, einen Prototyp eines digitalen Zwillings zur Echtzeitüberwachung und -regelung von Fermentationsprozessen in Bioreaktoren. Durch die Integration mechanistischer Modelle mit Softsensoren konnten Biomasse, Substrataufnahme und Produktbildung geschätzt werden. Die Lösung kombiniert Bayes’sche Zustandsschätzung mit Echtzeitdaten und ermöglicht wissensbasierte, prädiktive Entscheidungsfindung für eine fortschrittliche Bioprozessoptimierung und Online-Regelung im industriellen Umfeld.

Modeling the Consolidation Process of Thermoplastic Composites ↗

(Modellierung des Konsolidierungsprozesses thermoplastischer Verbundwerkstoffe)

Dieses Projekt entwickelte und validierte einen physikbasierten Simulationsansatz zur Vorhersage des Konsolidierungsverhaltens thermoplastischer, kontinuierlich faserverstärkter Verbundwerkstoffe und verknüpfte kritische Prozessparameter mit der finalen Produktqualität. Durch Anpassung eines OpenFOAM®-Solvers zur Modellierung von Wärmeübertragung und Quetschströmung während Heiz-, Press- und Kühlphase konnten Temperaturverteilung, Dimensionsänderungen und Haftfestigkeit im Labor- und Industriemaßstab präzise prognostiziert werden. Die Simulation unterstützt eine verbesserte Prozessauslegung und -optimierung mit positiven Effekten auf Material-, Zeit- und Energieeffizienz in Zusammenarbeit mit JKU Linz, Covestro, ENGEL und FACC.

Closing the Loop in the Chemical Recovery of the Pulp and Paper Industry Using Raman Spectroscopy ↗

(Schließen von Stoffkreisläufen in der chemischen Rückgewinnung der Zellstoff- und Papierindustrie mittels Raman-Spektroskopie)

Dieses Projekt demonstrierte die Implementierung der Raman-Spektroskopie als nicht-invasive, onlinefähige Prozessanalysentechnologie (PAT) zur Überwachung und Optimierung der chemischen Rückgewinnung in der Zellstoff- und Papierindustrie. Durch die Kombination mit multivariaten Regressionsmodellen konnten kritische Prozessparameter wie SO₂-Konzentrationen in Echtzeit überwacht werden. Dadurch wurde die Prozessführung verbessert und Stillstandszeiten durch Ausfällung unlöslicher Salze reduziert. Erfolgreiche Tests im Werk Sappi Europe Gratkorn in Zusammenarbeit mit TU Wien zeigen das Potenzial für kontinuierliche industrielle Prozessüberwachung in anspruchsvollen chemischen Umgebungen.

Holistic Design of Experiments for Biopharmaceutical Control Strategies ↗

(Ganzheitliches Design of Experiments für biopharmazeutische Regelstrategien)

TDieses Projekt führte einen neuartigen ganzheitlichen Design-of-Experiments-Ansatz (hDoE) ein, der integrierte Prozessmodelle nutzt, um Versuchsreihen über miteinander verknüpfte Prozessschritte hinweg zu optimieren. Dadurch wurden Effizienz und Robustheit der Prozesscharakterisierung in der biopharmazeutischen Produktion gesteigert. Die Kombination aus multivariater Regression und modellbasierten Analysen reduzierte den experimentellen Aufwand deutlich und verbesserte die Vorhersage von Out-of-Specification-Ereignissen. Der Ansatz wurde in Simulationen validiert und mit Partnern wie Körber Pharma Austria und TU Wien getestet.

From Waste to High-Value Applications - A Step towards a Circual Economy for Plastics ↗

(Vom Abfall zur hochwertigen Anwendung – ein Schritt in Richtung Kreislaufwirtschaft für Kunststoffe)

Dieses Projekt entwickelte und implementierte eine fortschrittliche modellbasierte Regelstrategie für Gasphasenreaktoren zur Herstellung von niedrigdichtem Polyethylen (LDPE), um die Produktqualitätsstabilität zu verbessern und Off-Spec-Ereignisse zu reduzieren. Durch die Kombination mechanistischer Reaktormodellierung mit Echtzeit-Datenanalyse und Simulation wurden Betriebsbedingungen präziser vorhergesagt und angepasst. Die industrielle Validierung zeigte deutliche Verbesserungen in Konsistenz und Abfallreduktion und unterstützt eine effizientere und nachhaltigere LDPE-Produktion.

Modeling the Pumping Capability of Single-Screw Extruders ↗

(Modellierung der Förderleistung von Einschneckenextrudern)

Dieses Projekt entwickelte einen hybriden Modellierungsansatz zur Vorhersage der Förderleistung von Einschneckenextrudern durch Kopplung analytischer, numerischer und datenbasierter Modelle. Dadurch wurde das komplexe Strömungsverhalten von Polymerschmelzen unter industriellen Bedingungen erfasst. Die Methode liefert schnelle, robuste Regressionsmodelle mit der Genauigkeit detaillierter Simulationen bei deutlich reduziertem Rechenaufwand und eignet sich für digitale Zwillinge, Assistenzsysteme und Softsensoren. Validierungen über verschiedene Schneckengeometrien, Materialien und Prozessbedingungen hinweg bestätigten hohe Genauigkeit und praktische Anwendbarkeit.

Modeling of the Devolatilization Process in an Extruder ↗

(Modellierung des Entgasungsprozesses in einem Extruder)

Dieses Projekt entwickelte und verglich theoretische Modelle zur Vorhersage der Entgasungsleistung in entlüfteten Schneckenextrudern, einem entscheidenden Schritt für konstante Qualität im Kunststoffrecycling. Die Modelle wurden anhand experimenteller Extrusionsdaten validiert und liefern Einblicke in das Stofftransportverhalten in der Entgasungszone. Dadurch werden genauere Prognosen ermöglicht und die Auslegung sowie Regelung von Extrudern verbessert. Die Arbeiten erfolgten in Zusammenarbeit mit JKU Linz und EREMA GmbH.

Quantum Cascade Laser Sensor for Sulfur Species Detection in Petrochemical Process Streams ↗

(Quantenschkaskadenlaser-Sensor zur Detektion von Schwefelverbindungen in petrochemischen Prozessströmen)

Dieses Projekt zeigte einen modellbasierten Ansatz zur Steuerung der Proteinfaltungs-Kinetik durch Integration von Online-PAT und fortgeschrittener Prozessmodellierung. Durch die Kombination von Echtzeit-Analytik mit digitalem Zwilling und modellprädiktiver Regelung konnten Qualitäts- und Prozessparameter in einem automatisierten Refolding-System in Echtzeit überwacht und geregelt werden. Der Ansatz schafft eine kontrollierte, reproduzierbare Umgebung und verbessert Erträge sowie industrielle Anwendbarkeit.

Controlling of Refolding Kinetics by Combining Pat and Modeling ↗

(Regelung der Refolding-Kinetik durch Kombination von PAT und Modellierung)

Fundamental Investigations for the Optimization of Foaming Processes ↗

(Grundlagenuntersuchungen zur Optimierung von Schäumprozessen)

Dieses Projekt vertiefte das Verständnis des Schäum-Spritzgießens durch Entwicklung neuer Messmethoden und Simulationen zur Erfassung komplexer Wechselwirkungen zwischen Gas-Polymer-Gemischen und Prozessparametern. Mit der Einführung der Bulk-Modulus-Methode zur Inline-Bestimmung der dynamischen Löslichkeit sowie speziell entwickelten Rheologie-Düsen wurde eine präzisere Charakterisierung des Schäumverhaltens ermöglicht. Ziel ist eine energieeffiziente, nachhaltigere und zunehmend autonome Prozessführung im Sinne von Industrie 4.0 in Zusammenarbeit mit ENGEL und JKU Linz.

Lesen Sie mehr über das COMET-Kompetenzzentrum CHASE

FFG-Factsheet CHASE