Die InCamS@BI-Forschungsgruppe Technologieentwicklung beschäftigt sich mit Fragen zu Produkt-, Produktions- und Materialtechnologien von (Bio-)Kunststoffen unter Berücksichtigung der Anwendungstauglichkeit. In ihrer Zusammenarbeit verfolgen die drei Arbeitsgruppen, die auch Mitglieder im Bielefelder Institut für Angewandte Materialforschung (BIfAM) sind, einen systemischen Ansatz, der durch eine eng verzahnte experimentell-theoretische Untersuchungsmethodik charakterisiert ist.
Computerbasierten Materialmodellierung und -simulation
Die Arbeitsgruppe um Christian Schröder führt z. B. Computersimulationen durch, um besser zu verstehen, wie sich das Zusammenspiel von Atomen in einem Material auf dessen Eigenschaften auswirkt.
Die Expertise der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Christian Schröder liegt in den Methoden der computerbasierten Materialmodellierung und -simulation im Multiskalenbereich. Der Fokus richtet sich dabei auf die Erforschung magnetischer Nanostrukturen. Einen weiteren Schwerpunkt stellt der Bereich Modellierung und Simulation für anwendungsorientierte Fragestellungen im industriellen Umfeld dar.
Darüber hinaus beschäftigt sich die AG seit Jahren mit der Digitalisierung der Materialforschung, der Entwicklung neuer Paradigmen für wissenschaftliche Softwareentwicklung sowie dem Einsatz neuer Hardware- und Software-Systemarchitekturen für ressourceneffizientes beschleunigtes Rechnen.
Forschungsschwerpunkte
Methoden der Materialmodellierung und -simulation im Multiskalenbereich
Thermodynamik magnetischer Nano- und Mikrosysteme
Atomistische Untersuchung von Polymersystemen mittels (reaktiver) Molekulardynamik- und Monte Carlo-Methoden
Aufklärung des Korrosionsverhalten von Edelstahloberflächen mittels ab initio und (reaktiver) Molekulardynamik-Simulationen
Methoden und Ausstattung
Die AG verfügt über eigene, umfangreiche Hochleistungsrechnerressourcen. Zu den eingesetzten Methoden gehören unter anderem
Finite Elemente Methode
Spindynamik- und Monte Carlo Methoden
Ab initio und Molekulardynamik-Methoden
Hochleistungsrechnen auf der Basis von OpenMP und MPI
Einblick in das S1-Labor der AG Fermentation und Formulierung.
Fermentation und Formulierung
Im Fokus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Anant Patel stehen Fermentation sowie Formulierungsmaterialien, -methoden und -technologien. Die Wissenschaftler:innen sind fachlich gesehen sowohl in der Biologie, der Chemie, der Biochemie als auch der Verfahrenstechnik zuhause.
Hier wird getestet, wie schnell unterschiedliche Formulierungen den Wirkstoff freisetzen können. Ziel ist eine kontinuierliche Abgabe über einen längeren Zeitraum.
In der Fermentation arbeitet die AG in erster Linie mit Bioreaktoren, in denen Wirkstoffe von Bakterien und Mikroorganismen hergestellt werden. Das Ziel ist eine effiziente Produktion der Stoffe. Teilweise sind die Mikroorganismen auch selbst das „Produkt“. Damit Wirkstoffe und Mikroorganismen länger haltbar sind und gezielt freigesetzt werden können, werden sie „verpackt“, was in der Fachsprache als Formulierung bezeichnet wird.
Der Fokus des Teams liegt auf der Formulierung speziell von Pflanzenschutzmitteln. Die von den Forscher:innen oft selbst mittels Fermentation hergestellten Wirkstoffe sind teuer und sollten ohne Verluste eingesetzt werden. Hier kommt die Formulierung, also die Verpackung, ins Spiel: Wenn die Stoffe beispielsweise in bioabbaubaren Polymeren „verpackt“ sind, können sie besser auf Agrarflächen verteilt und ganz präzise zu bestimmten Zeitpunkten angewendet werden. Die Forscher:innen arbeiten unter anderem an einer Glyphosat-Alternative: ein umweltfreundlichen Herbizid auf Basis eines natürlichen Zuckers aus Blaualgen.
Das Labor für Biochemie und Mikrobiologie der Hochschule Bielefeld.
Für die Formulierung nutzt das Team biologisch abbaubare Polymere, die zugleich häufig biobasiert sind. Sie arbeiten zum Beispiel mit Alginaten, Chitosanen, Stärken und natürlich Cellulosen, dem größten und am häufigsten auf unserem Planeten vorkommenden Biopolymer. Auch mit synthetischen Polymeren wie Polyvinylalkohol und Polymilchsäure wird in den Laboren gearbeitet.
Und genau an diesem Punkt, den Polymeren, kommen die HSBI-Kunststofftechnik und InCamS@BI ins Spiel: Gemeinsam mit den Kunststofftechniker:innen experimentieren die Forscher:innen der AG beispielsweise an Extrudern wie dem Doppelschneckenextruder. Unter anderem will das Team gemeinsam Farbstoffe auf Algenbasis für Kunststoffe testen. Dabei sind diverse Herausforderung zu meistern: Da die Farbstoffe in einem Extruder sowohl mechanischer als auch thermischer Belastung standhalten müssen, sind die richtige Einbringung und Stabilisierung der Farbe in den Kunststoff sehr wichtig. Auch dürfen sich die Eigenschaften des Kunststoffs durch die Farbe nicht zu sehr ändern. Und auch die Langzeitstabilität des Produkts (keine Versprödung, Ausbleichen…) muss beachtet werden.
Forschungsschwerpunkte
Struktur-Wirkungsbeziehungen von Materialien, insbes. Biopolymeren
Stabilisierung von Wirkstoffen
Freisetzung von Wirkstoffen aus Smart Materials
Entwicklung von Kapseln und Granulaten, Fasern, Beschichtungen und Sprays
Labore und Ausstattung
Die exakte aktuelle Ausstattung der Labore finden Sie auf deren jeweiligen Webseiten - bitte klicken Sie auf den Namen des Labors, über das Sie mehr erfahren möchten.
Die Herstellung von Kapseln ist oft zeit- und kostenaufwendig, deswegen wird nach anderen Formulierungsmethoden gesucht, um schneller und billiger zu produzieren. Eine mögliche Alternative ist Extrusion: Der Doppelschneckenextruder ermöglicht eine kontinuierliche Produktion, bei der das Extrudat als endloser Faden aus dem Gerät gepresst wird (ähnlich wie Spagetti). Dieses Extrudat kann dann zu streu- und rieselfähigen Granula zerkleinert werden.
Die Funktionsweise des Hybrid-3D-Druckers ähnelt der eines Tintenstrahldruckers. Im Gegensatz zu diesem werden hier aber zwei verschiedene Grundstoffe verwendet.
Innovative Sensoren
Der Hybrid-3D-Drucker erstellt feinste leitfähige Strukturen, die beispielsweise bei Leiterplatten zu finden sind.
Die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Sonja Schöning beschäftigt sich mit nichtstandardisierten Sensorlösungen, die das Team entwickelt und testet. Die Expert:innen tüfteln an Sensoren, die Alterungseinflüsse wie beispielsweise eine übermäßige Belastung auf einer Oberfläche oder die Überschreitung einer Belastungsgrenze detektieren. Das ist nicht nur für die Vorhersage der Lebensdauer von Bauteilen spannend, sondern auch für die Beurteilung der Möglichkeiten der Weiter- und Wiederverwendung einzelner Teile im Sinne der Circular Economy.
Egal ob Windräder oder Haushaltsgeräte, sie alle werden durch verschiedene Einflüsse belastet (mechanisch, chemisch, thermisch etc.): Wenn ein Sensor feststellen kann, dass eine Komponente repariert oder ausgetauscht werden muss, kann das die Effizienz und Lebensdauer des Geräts steigern. Für die Entwicklung der Sensoren nutzt die Arbeitsgruppe unter anderem einen Hybrid-3D-Drucker, der elektrisch leitfähige Strukturen von hoher Präzision erzeugt, die auf die zu erfassende Geräte bzw. Komponenten passgenau zugeschnitten sind.
Forschungsschwerpunkte
Entwicklung gedruckter Sensoren mittels 3D-Hybriddruck (Mulitjetting)
Entwicklung von Sensoren und Maßstäben für die Bestimmung der Alterung von Kunststoffoberflächen
Entwicklung von Bauteilmarkierungen und sensorerweiterten Hardwarecodes für die Circular Economy und den Digitalen Produktpass
Optimierung induktiver Energieübertragungssysteme mit Schwerpunkt auf Feldformung und Absorption
Entwicklung von Energy-Harvesting-Systemen
Effizienzbestimmung und Optimierung wärmeübertragender Systeme
Labore und Ausstattung
AM-Labor (Additive Manufacturing)
In diesem Labor arbeitet das Team mit 3D-Druckern – unter anderem dem NanoDimension Dragonfly LDM –, einem mobilen Scanner für die Erfassung der Geometrie zu druckender Bauteile sowie verschiedener Ausstattung zur Charakterisierung gedruckter Bauteile.
Labor für Lasertechnik und Optoelektronik
Das Labor verfügt über ein umfangreiche Ausstattung zur Durchführung optischer, optoelektronischer und lasertechnischer Experimente.
Das Mieletec beinhaltet eine umfangreiche elektrische Laborausstattung wie eine programmierbare Spannungsversorgung, Vier-Quadranten-Verstärker, Elektronische Last, Leistungsmessgeräte, Rogowski-Spule, Magnetfeldmessgerät usw.
Das Labor für akustische Systemtechnik ist speziell für die Durchführung von akustischen Tests und Messungen aufgebaut worden. Es wird einerseits für akustische Messungen in Forschungsprojekten genutzt. Daneben ist es in den Lehrbetrieb eingebunden und dient bspw. für akustische Test- und Messszenarien bei Studierendenprojekten und Abschlussarbeiten.
Labor für Solar- und Geothermie
Hier wird mit Solarthermieanlagen und Wärmepumpenversuchsstände für die Lehrveranstaltungen gearbeitet, außerdem gibt es Versuchsstände zum Energy Harvesting, zu Induktiver Energieübertragung, zu Phasenwechselmaterial und zur Wärmeübertragung. Zur Ausstattung gehören beispielsweise eine Wärmebildkamera (Flir) und ein Netzwerkanalysator (Keysight E5061B).
Bielefelder Institut für Angewandte Materialforschung (BIfAM)
Materialien, Materialsysteme und Verbunde sind von essenzieller Bedeutung für den technologischen Fortschritt. Moderne Entwicklungen basieren auf komplexen Strukturen, der Integration verschiedener Materialien zu Kompositen und Verbunden mit neuen Eigenschaften sowie naturinspirierten Designprinzipien. Besonders wichtig ist das Verständnis und die gezielte Manipulation von Oberflächen und Grenzflächen im Nano-, Mikro- und Millimeterbereich zur Schaffung neuartiger Funktionalitäten.
Die systematische Erforschung dieser Technologien spielt eine entscheidende Rolle für das wirtschaftliche Wachstum Deutschlands. Jedoch ist die nachhaltige Nutzung begrenzter Ressourcen entscheidend für die Zukunftsfähigkeit. Das Bielefelder Institut für Angewandte Materialforschung (BIfAM) der HSBI adressiert diese Herausforderungen durch eine natur- und ingenieurwissenschaftliche Herangehensweise. Durch die Verbindung verschiedener Disziplinen ermöglicht das BIfAM eine ganzheitliche Forschungsmethodik entlang der wissenschaftlichen Wertschöpfungskette. Forschung und Entwicklung zielen darauf ab, innovative und nachhaltige Lösungen für gesellschaftliche und industrielle Herausforderungen zu schaffen.
Die gesamte InCamS@BI-Forschungsgruppe Technologieentwicklung ist ebenso wie die Forschungsgruppe Kunststofftechnik und Werkstoffprüfung Teil des Bielefelder Instituts für Angewandte Materialforschung an der HSBI.
Mittels Multi-Physik-Simulationen lässt sich zum Beispiel die Wirkungsweise von Induktion im Boden eines Kochtopfs grafisch darstellen.
Das Mieletec HSBI ist eine seit 2011 laufende Kooperation zwischen der HSBI und der Firma Miele. Im Fokus der langfristigen wissenschaftlichen Zusammenarbeit stehen die Forschung an Methoden, Verfahren und Konzepten für innovative Hausgeräte. In den Bereichen Elektrodynamik, Thermodynamik sowie Strömungsmechanik werden gemeinsam Grundlagen erarbeitet und der Aufbau von zukunftsweisendem innovativem Know-how bzgl. der Prozesse und Verfahren in Hausgeräten vorangetrieben. Das Ziel ist die Optimierung dieser Prozesse und Verfahren, insbesondere hinsichtlich der Steigerung der Ressourceneffizienz und der Erhöhung des Nutzens für potenzielle Endverbraucher. Am Mieletec sind insbesondere die Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Sonja Schöning und Prof. Dr. Christian Schröder beteiligt.
1986 - 1992 | Diplomstudium Biologie | Diplomarbeit in der Technischen Chemie, Universität Oldenburg
1993 - 1998 Promotion Technische Chemie, Titel: Verkapselungsverfahren für die biologische Schädlingsbekämpfungsmittel und zur Konstruktion von vegetativem Saatgut | Naturwissenschaftliche Fakultät, TU Braunschweig
1998 - 2009 | Postdoc und Gruppenleiter | Labor von Prof. Dr. K. Vorlop, Institut für Technologie und Biosystemtechnik FAL (heute Thünen-Institut)
1998 | Postdoc | Labor von Prof. Dr. Jaffee, UC Davis, Universität von Kalifornien, U.S.A.
2008 - 2009 | Professor für Verfahrenstechnik | Fachbereich Ingenieurwissenschaften und Mathematik, Hochschule Bielefeld
seit 2009 | Forschungsprofessur bzw. Lehrermäßigung
seit 2021 | Vizepräsident für Forschung und Entwicklung | Hochschule Bielefeld
Expertise
Entwicklung von Produkten und Verfahren
Skalierung von Verfahren in den Technikums- und Produktionsmaßstab
Chemie und Biochemie von biobasierten Materialien
Biotechnologie
systemische F&E-Ansätze
Umfangreiche Erfahrung in der Beantragung und Leitung von hochschulweiten und hochschulübergreifenden Projekten mit Industriebeteiligung
Karriereberatung für Wissenschaftler*innen
Forschungsschwerpunkte
Struktur-Funktionsbeziehungen von Formulierungsmaterialien
Formulierung von biobasierten Wirkstoffen
Entwicklung von slow und controlled release Formulierungen
1994 - 2000 | Dipomstudium Physik | Fakultät für Physik, Universität Bielefeld
2000 - 2004 | Promotion Physik, Titel: Cobalt / Copper Multilayers: Interplay of Microstructure and GMR and Recrystallization as the Key Towards Temperature Stability | Fakultät für Physik, Universität Bielefeld
2011 - 2015 | B. Eng. Elektrotechnik | Hochschule Bielefeld
2015 - 2017 | M. Eng. Elektrotechnik | Hochschule Bielefeld
2017 - 2024 | Promotion zum Dr. rer. nat in Physik zum Thema "Optimierung der Feldabsorption und Feldfokussierung in Systemen zur induktiven Energieübertragung " | Universität Bielefeld
seit 2017 | wissenschaftlicher Mitarbeiter in industriell finanzierten und öffentlich geförderten Projekten (mieletec HSBI, nanoInduktion, DiProMag, seit 06.2024 Technologiescout InCamS@BI) | Fachbereich Ingenieurwissenschaften und Mathematik, Hochschule Bielefeld
Expertise
Multiphysik Simulation
Elektrische Messtechnik
Induktive Energieübertragung
Magnetische Werkstoffe
Additive Fertigung
Labor- und Lehrerfahrung in verschiedenen Bereichen
