Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWSVorhersage von Kristallisationsprozessen soll bessere Kunststoff-Bauteile möglich machen
Bei der Herstellung von Kunststoffbauteilen spielt die vorhergehende Simulation von Fertigungsprozessen und Bauteileigenschaften eine immer größere Rolle. Der Kristallisationszustand von teilkristallinen Polymeren kann in solchen Modellen aber bisher kaum berücksichtigt werden. Das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle (Saale) arbeitet gemeinsam mit Partnern aus der Industrie daran, dieses Manko zu beseitigen und somit optimierte Bauteile und kürzere Entwicklungszeiten möglich zu machen.
Die Anforderungen an Kunststoffe wachsen stetig: Sie sollen leistungsfähig sein, günstig zu produzieren, gut zu recyceln und vieles mehr. Um neue Kunststoffe zu entwickeln, die diesen Ansprüchen gerecht werden, ist das Prinzip von Versuch und Irrtum somit viel zu langsam und viel zu teuer. Stattdessen setzen die Hersteller auf mathematische Modellierung, mit der sich das Verhalten der Werkstoffe ebenso vorhersagen lässt wie die idealen Parameter für den Produktionsprozess. Entscheidend für die Eigenschaften des Materials ist dabei der Blick auf die Mikrostruktur.
Der Kristallisationszustand von teilkristallinen Polymeren ist in solchen Simulationen bisher ein weitgehend blinder Fleck. Das beeinträchtigt die Aussagekraft der Modelle, denn der Kristallisationszustand ist für die spätere Performance eine wichtige Variable: Wenn die Kunststoff-Schmelze erstarrt, ordnen sich die Molekülketten im Polymer in einer speziellen Ordnung an. Wie dies geschieht, hängt beispielsweise von den Abkühl- und Strömungsbedingungen oder Zusatz- und Füllstoffen im Polymer ab – und es beeinflusst die mechanischen, thermischen, optischen und chemischen Eigenschaften des Polymers, etwa das Schwindungs- und Verzugsverhalten von thermoplastischen Spritzgussteilen.
In einem Forschungsprojekt mit der Exipnos GmbH aus Merseburg und der SimpaTec GmbH aus Aachen möchte das Fraunhofer IMWS den blinden Fleck beseitigen. »Wir werden dafür kristallisationskinetische Modelle erforschen und auch eigens entwickelte Messmethoden und Sensoren einsetzen«, sagt Prof. Mario Beiner, wissenschaftlicher Leiter des Geschäftsfelds Polymeranwendungen am Fraunhofer IMWS. Der kontinuierliche Abgleich von Vorhersagen aus der Simulation und tatsächlichen Messwerten, die an Demonstrator-Bauteilen erhoben werden, soll dies möglich machen. »Wenn dies gelingt, haben die Simulationsmodelle eine deutlich höhere Aussagekraft. Zugleich lässt sich die Kristallisation während des Spritzgussprozesses gezielt steuern. Wir tragen somit dazu bei, Bauteile zu optimieren und ihre Eigenschaften noch besser auf die späteren Anwendungsfälle zuzuschneiden. Zusätzlich können wir Entwicklungsprozesse und Werkzeugherstellung deutlich beschleunigen«, umreißt Beiner die Potenziale des bis Ende 2019 laufenden Projekts.
Das Vorhaben wird im Rahmen des Programms »KMU-NetC« vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Das Programm hat sich zum Ziel gesetzt, die Innovationsstärke von kleinen und mittleren Unternehmen durch stärkere Zusammenarbeit in Netzwerken und Clustern zu erhöhen.