Ein neues Simulationstool für Kunststoffverarbeiter soll die Entwicklung von funktionalisierten, recyclingfähigen Bauteilen schneller, kostengünstiger und ressourcenschonender ermöglichen. Das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen IMWS in Halle (Saale) und das Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern bündeln nach Mitteilung des Fraunhofer ITWM ihre Kompetenzen in den Schwerpunkten der patentierten Mikro-/Nanostrukturierung und der skalenübergreifenden Simulationssoftware.
Die Oberflächen von Kunststoffbauteilen benötigen für Anwendungen in der Automobilbranche, der Medizintechnik oder der Verpackungsindustrie oft spezielle Charakteristika, um beispielsweise definierte Haftkräfte, eine gesteuerte Benetzbarkeit oder auch optische Eigenschaften wie diffuse Reflexion möglich zu machen. Derzeit werden diese Funktionen meist über Additive oder Beschichtungen erreicht. Dies ist jedoch nachteilig für die Kreislauffähigkeit, da die Kunststoffe dann nicht mehr sortenrein sind. Zudem steigen die Prozesskosten. Eine leistungsfähige Alternative ist eine rein morphologische Oberflächenfunktionalisierung, wie sie am Fraunhofer IMWS entwickelt wurde: Mikro- und Nanostrukturen erzeugen direkt die gewünschten Grenzflächeneigenschaften.
Mit diesem patentierten Verfahren, das auch für den Spritzguss geeignet ist, können wir Kunststoffoberflächen großflächig und bionisch inspiriert strukturieren – ganz ohne chemische Additive, sagt Annika Thormann, Projektleiterin am Fraunhofer IMWS. Durch das neue Simulationstool machen wir diese Technologie für die kunststoffverarbeitende Industrie schneller zugänglich und schaffen die Basis für recyclingfähige, ressourcenschonende Produkte.
Smartphone: Durch Mikro- und Nanostrukturierung lassen sich Fügeverbindungen von Kunststoffkomponenten verbessern und gleichzeitig diffuse Reflexionen auf Displayoberflächen reduzieren (© Fraunhofer IMWS / freepik)
MESHFREE bildet den Spritzgussprozess von der Nano- bis zur Makroskala ab
Im Projekt 3-ScaleSim entwickeln die beiden Fraunhofer-Institute ein skalenübergreifendes Simulationstool auf Basis der gitterfreien MESHFREE-Software, die vom Fraunhofer ITWM entwickelt und 2024 mit dem Joseph-
von-Fraunhofer-Preis ausgezeichnet wurde. Der Digitale Zwilling des Spritzgussprozesses verknüpft das Strukturdesign auf der Makro-, Mikro- und Nanoskala mit Materialdaten und Prozessparametern wie Druck und Temperatur. Eine Nano-Mikro-Makro-Datenbank sowie begleitende Experimente am Fraunhofer IMWS ermöglichen die iterative Validierung und Verfeinerung der Modelle.
Ziel ist es, aufwendige Machbarkeitsstudien weitgehend durch virtuelle Versuche zu ersetzen und die Mikro-/Nanostrukturierung bereits in frühen Entwicklungsphasen zuverlässig zu bewerten. Indem wir MESHFREE von der Makroskala in den Mikro- und Nanobereich erweitern, machen wir den gesamten Spritzgussprozess erstmals durchgängig simulierbar, erklärt Isabel Michel, Projektleiterin am Fraunhofer ITWM. Unternehmen erhielten damit präzise Vorhersagen zur Strukturausprägung und zu den Oberflächeneigenschaften, bei deutlich reduzierten Entwicklungszeiten.
Verkürzte Entwicklungszeiten für KMU und Anwendungen von Automobil bis Medizintechnik
Das Ergebnis des Projekts soll ein Gesamtprozess-Demonstrator aus mikro-/nanostrukturierten Spritzgussteilen und dem zugehörigen Simulationstool sein. Kunststoffverarbeiter, insbesondere kleine und mittlere Unternehmen, können damit Varianten von Werkzeugdesigns, Polymeren und Prozessfenstern digital durchspielen, bevor sie in die Produktion investieren. Das senkt Kosten und Risiken, verkürzt Entwicklungszyklen und beschleunigt die Entscheidungsfindung.
Die Technologie adressiert zentrale Herausforderungen der Kunststoffbranche: Ressourcenschonung, Kreislauffähigkeit und hohe Anforderungen an die Funktion von Kunststoffoberflächen. Die kunststoffverarbeitende Industrie kann in Anwendungsgebieten wie Konsumgüter, Medizintechnik, Verpackungen und Automotive davon erheblich profitieren. Perspektivisch lässt sich der datenbankgestützte Ansatz auch auf andere Werkstoffe wie Metalle übertragen.
- www.itwm.fraunhofer.de
