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Vorhersage von Kristallisationsprozessen soll bessere Kunststoff-Bauteile möglich machen

20.06.2018

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.


Bei Bauteilen, die im Spritzguss gefertigt werden, kann der Kristallisationsprozess eine entscheidende Rolle für die spätere Performance spielen.

Fraunhofer IMWS/Sven Döring

Stattdessen setzen die Hersteller auf mathematische Modelle, mit denen 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.

Über das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS

Die zentrale Herausforderung der Menschheit im 21. Jahrhundert ist die Nachhaltigkeit aller Lebensbereiche, insbesondere der effiziente Umgang mit begrenzten Rohstoffen. Das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS betreibt angewandte Forschung im Bereich der Materialeffizienz und ist Impulsgeber, Innovator und Problemlöser für die Industrie und für öffentliche Auftraggeber in den Bereichen Zuverlässigkeit, Sicherheit, Lebensdauer und Funktionalität von Werkstoffen in Bauteilen und Systemen. Die Kernkompetenzen liegen im Bereich der Charakterisierung von Werkstoffen bis auf die atomare Skala sowie in der Materialentwicklung.

Über die Exipnos GmbH

Die Exipnos GmbH ist ein forschendes und Spezialitäten produzierendes Unternehmen der Kunststoffindustrie. Die Firma entstand im Jahr 2009 als ausgegliederte Entwicklungsabteilung der Nürnberger Putsch Plastics GmbH. Gründer ist Peter Putsch, geschäftsführender Gesellschafter des 1922 gegründeten Mutterunternehmens, das er in dritter Generation führte. Exipnos entwickelt und produziert unter anderem Spezialcompounds für zahlreiche Automobil- und Konsumgüterhersteller und arbeitet mit namhaften Forschungseinrichtungen und führenden Maschinenbauern an neuen Technologien.

Über die SimpaTec GmbH

Die Kernphilosophie der SimpaTec GmbH ist unser Antrieb und zur gleichen Zeit auch als Appell an unsere Kunden gerichtet: »Break your limits«! Es ist vielmehr eine Aufforderung an Jeden von uns, Barrieren zu überwinden, über seine Grenzen hinaus zu denken, um sich so neue Horizonte zu erobern, mögen sie noch so kühn erscheinen.

Definieren und verfolgen Sie Ihre neuen Ziele und Projekte mit SimpaTec! Mit Kompetenz, Erfahrung, Ehrgeiz und dem Einsatz modernster Softwaretechnologien setzen wir gemeinsam mit Ihnen neue Standards bei der ganzheitlichen Entwicklung und Optimierung von Prozessen, Bauteilen und Werkzeugen. Wir begegnen jeder noch so komplexen Fragestellung mit wissenschaftlicher Expertise.

Aufgrund unserer Marktstellung und internationalen Präsenz, sind wir immer über die neuesten Forschungsergebnisse und Entwicklungstrends informiert. SimpaTec ist damit Ihr erster Ansprechpartner und mit Sicherheit der führende Berater, um leistungsfähige und hoch wirksame Software- und Dienstleistungspakete zu bündeln.

Von der Konstruktion mittels CAD über die Prozessoptimierung bis hin zur Lastfallanalyse mit impliziten oder expliziten CAE-Anwendungen in allen Fragen stehen unseren Kunden hervorragend ausgebildete Mitarbeiter an sechs verschiedenen Standorten, Aachen, Reutlingen, Weimar sowie in Linz (Österreich), Guebwiller (Frankreich) & Bangkok (Thailand) als kompetente Ansprechpartner zur Verfügung.

Weitere Informationen:

https://www.imws.fraunhofer.de/de/presse/pressemitteilungen/kristallisation-poly...

Michael Kraft | Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS

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