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Fraunhofer IMWS Experten wollen die Kunststoffkristallisation simulierbar machen

| Redakteur: Peter Königsreuther

Das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle (Saale) arbeitet gemeinsam mit Partnern aus der Industrie daran, unbekanntes Terrain in Sachen Kristallisationseffekte von Kunststoffen zu entdecken und zu nutzen.

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Bei Bauteilen, die im Spritzguss gefertigt werden, kann der Kristallisationsprozess eine entscheidende Rolle für die spätere Performance spielen. Per Forschung wollen Spezialisten vom Fraunhofer IMWS, Simpatec und Exipnos kristallisationskinetische Modelle untersuchen, um der Kristallentstehung in Kunststoffe einige Geheimnisse zu entlocken. Blick auf einen Frontend-Träger aus kristallisationsfähigem Kunststoff, hergstellt auf einer Krauss-Maffei-Anlage.
Bei Bauteilen, die im Spritzguss gefertigt werden, kann der Kristallisationsprozess eine entscheidende Rolle für die spätere Performance spielen. Per Forschung wollen Spezialisten vom Fraunhofer IMWS, Simpatec und Exipnos kristallisationskinetische Modelle untersuchen, um der Kristallentstehung in Kunststoffe einige Geheimnisse zu entlocken. Blick auf einen Frontend-Träger aus kristallisationsfähigem Kunststoff, hergstellt auf einer Krauss-Maffei-Anlage.
(Bild: Sven Döring / Agentur Focus)

Bei der Herstellung von Kunststoffbauteilen spielt die vorhergehende Simulation von Fertigungsprozessen und Bauteileigenschaften eine immer größere Rolle, heißt es. Der Kristallisationszustand von teilkristallinen Polymeren (etwa PA, POM, PET, PP und PTFE) könne in solchen Modellen aber bisher kaum berücksichtigt werden. Die Anforderungen an Kunststoffe wüchsen 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 mittlerweile viel zu langsam und auch viel zu teuer, so das IMWS. Stattdessen setzten die Hersteller auf mathematische Modelle, mit denen sich das Verhalten der Werkstoffe ebenso vorhersagen ließe wie die idealen Parameter für den Produktionsprozess. Entscheidend für die Eigenschaften des Materials ist dabei der Blick auf die Mikrostruktur, wie die Forscher betonen.

Vom „blinden Fleck“ zum vollen Durchblick

Der Kristallisationszustand von teilkristallinen Polymeren ist in solchen Simulationen bisher ein weitgehend blinder Fleck. Das beeinträchtige die Aussagekraft der Modelle, denn der Kristallisationszustand ist für die spätere Performance eine wichtige Variable: Wenn die Kunststoffschmelze erstarrt, ordnen sich die Molekülketten im Polymer in einer speziellen Ordnung an, heißt es (Stichwort Sphärolite). Wie dies geschieht, hänge beispielsweise von den Abkühl- und Strömungsbedingungen oder Zusatz- und Füllstoffen im Polymer ab. Das beeinflusst auch die mechanischen, thermischen, optischen und chemischen Eigenschaften des Polymers, etwa das Schwindungs- und Verzugsverhalten von thermoplastischen Spritzgussteilen, so die Experten.

Schneller und günstiger zum einsatzoptimalen Kunststoffteil

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“, informiert 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“, so Beiner zu den Potenzialen des bis Ende 2019 laufenden Projekts.

Geförderte Forschung

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.

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