Smart Oberflächliches Nano- und Mikrostrukturen funktionalisieren Kunststoffoberflächen

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Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS

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AGTOS Gesellschaft für technische Oberflächensysteme mbH GmbH

Ein innovatives Simulationstool für Kunststoffverarbeiter soll die Entwicklung funktionalisierter, recycelbarer Teile fixer, günstiger und ressourcenschonender ermöglichen, heißt es vom Fraunhofer IMWS.

Die Oberflächen von Kunststoffbauteilen benötigen für Anwendungen in der Automobilbranche, der Medizintechnik oder der Verpackungsindustrie oft speziell zugeschnittene Eigenschaften. Dabei geht es etwa darum, definierte Haftkräfte zu erreichen, eine gesteuerte Benetzbarkeit oder optische Features wie eine diffuse Reflexion zu ermöglichen, so das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen (IMWS) aus Halle an der Saale. Um das gewünschte Eigenschaftsbild zu erreichen, werden Additive dem Kunststoff zugemischt oder die Oberfläche wird entsprechend beschichtet. Das heißt aber auch, dass Fremdstoffe im System sind, die das Recycling erschweren. Parallel steigen die Prozesskosten für die Bauteilherstellung. Eine leistungsfähige Alternative für sei aber eine rein morphologische Oberflächenfunktionalisierung, wie man sie am IMWS entwickelt hat. Bei diesem patentierten Verfahren erzeugen Mikro- und Nanostrukturen direkt die gewünschten Eigenschaften an der Grenzfläche. Das klappe auch großflächig.

Spritzgießprozess kann erstmals durchgängig simuliert werden

Das entsprechende Projekt nennt sich „3-ScaleSim“, in dem die Forscher ein skalenübergreifendes Simulationstool auf Basis der gitterfreien Meshfree-Software, die vom Fraunhofer ITWM entwickelt wurde. Der digitale Zwilling des Spritzgussprozesses verknüpft dabei das Strukturdesign auf der Makro-, Mikro- und Nanoskala mit Materialdaten und Prozessparametern (etwa Druck und Temperatur). Eine Nano-Mikro-Makro-Datenbank sowie begleitende Experimente IMWS sorgen schließlich für die iterative Validierung und Verfeinerung der Simulationsmodelle. Damit wollen die Wissenschaftler erreichen, dass aufwendige Machbarkeitsstudien weitgehend durch virtuelle Versuche ersetzt und die Mikro-/Nanostrukturierung bereits in frühen Entwicklungsphasen zuverlässig bewertet werden kann. Meshfree, das übrigens mit dem Joseph-Fraunhofer-Preis 2024 geehrt wurde, hat man, wie angemerkt wird, also von der Makroskala in den Mikro- und Nanobereich erweitert. Das mache die Kunststoffteil-Herstellung mit der Spritzgießmaschine erstmals durchgängig simulierbar. Man erhalte damit präzise Vorhersagen zur Strukturausprägung und zu den Oberflächeneigenschaften – und das bei deutlich reduzierten Entwicklungszeiten.

Vor allem für KMU wäre die Alternative zu Additiv & Co. die Chance

Als Ergebnis soll schließlich ein Gesamtprozess-Demonstrator aus mikro-/nanostrukturierten Spritzgussteilen nebst zugehörigem Simulationstool dabei herauskommen. Kunststoffverarbeiter – insbesondere kleine und mittlere Unternehmen (KMU) – könnten damit Varianten von Werkzeugdesigns, Polymeren und Prozessfenstern digital durchspielen, bevor sie in die entsprechende Produktion investieren. So verringern sich sowohl die Kosten als auch das Risiko. Auch verkürzt das Ganze, wie gesagt, die Entwicklungszyklen und beschleunigt die Entscheidungsfindung, führen die Hallenser weiter aus. Die Technologie adressiere nicht zuletzt zentrale Herausforderungen der Kunststoffbranche. Diese heißen bekanntlich Ressourcenschonung, Kreislauffähigkeit und hohe Anforderungen an die Funktion von Kunststoffoberflächen. Die Kunststoff verarbeitende Industrie kann in Bereichen wie Konsumgüter, Medizintechnik, Verpackungen und Automotive davon erheblich profitieren, wie die Forscher glauben. Perspektivisch ließe sich der datenbankgestützte Ansatz auch auf Metalle und andere Werkstoffe übertragen.

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