Fraunhofer ITWM: Digitale Lösungen für die Kunststoff- und Kautschukindustrie

Expansionssimulation des Polyurethan-Schaums mit der Software „Foam“ zur Herstellung einer Kühlbox – (Bild: Fraunhofer ITWM).

Auf der K 2025 präsentiert das Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM seine Technologien und Softwarelösungen für die Kunststoff- und Kautschukindustrie. Am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand stellen die Forschenden ihre neuen Entwicklungen in den Bereichen digitale Materialsimulation, Qualitätssicherung und Prozessoptimierung vor.

Mit „Foam“ stellen Forschende des Fraunhofer ITWM eine Software vor, die die Ausdehnung und Formfüllung von PU-Schäumen in beliebigen Geometrien simuliert. Die Software dient der digitalen Auslegung und Optimierung von Bauteilen mit Schaumfüllung, beispielsweise in Kühlgeräten, Batteriemodulen, Autositzen oder Sandwichpaneelen. Das Ziel besteht darin, eine gleichmäßige Schaumverteilung und optimale thermische sowie mechanische Eigenschaften sicherzustellen. Die Software nutzt einen digitalen Zwilling, der den gesamten Entwicklungs- und Produktionsprozess virtuell abbildet. Dabei werden komplexe Anforderungen wie Entlüftungspunkte, Materialbedarf, Düsenbewegung und Gasvermeidung berücksichtigt. Die Modellparameter werden automatisiert aus realen Schäumversuchen abgeleitet. „Unsere Simulationen helfen dabei, Materialeinsatz und Entwicklungszeit deutlich zu reduzieren – ein echter Mehrwert für die Industrie“, erklärt Dr. Konrad Steiner, Bereichsleiter „Prozesse und Materialien“ und Abteilungsleiter „Strömungsprozesse“ am Fraunhofer ITWM.

Mithilfe eines Digitalen Zwillings optimieren Forschende des Fraunhofer ITWM den Laugenbehälter einer Waschmaschine. Hier ist die farbcodierte Faserausrichtung für das gesamte Bauteil zu sehen – (Bild: Fraunhofer ITWM).

Digitale Auslegung des Laugenbehälters einer Waschmaschine
Desweiteren präsentieren Forschende das Projekt „DigiLaugBeh“. In diesem Projekt gestalten sie einen Laugenbehälter von Waschmaschinen mithilfe digitaler Simulationen energieeffizienter und ressourcenschonender. Im Fokus steht die Entwicklung eines digitalen Zwillings, mit dessen Hilfe sich Material und Bauteile virtuell optimieren lassen. Anstelle der bisher üblichen kurzfaserverstärkten Thermoplaste werden langfaserverstärkte Kunststoffe verwendet, die eine höhere Lebensdauer und bessere mechanische Eigenschaften bieten.

Die Simulationen berücksichtigen sowohl Makro- als auch Mikroebenen und umfassen das Spritzgussverfahren sowie die Umweltbilanz. Auf diese Weise lässt sich ein robuster, langlebiger Laugenbehälter herstellen, der auch bei höheren Schleudergeschwindigkeiten stabil bleibt.

Das Terahertz-Messsystem des Fraunhofer ITWM prüft die Wandstärke von Glatt- und Wellrohren direkt und berührungslos. Die Technik lässt sich an verschiedene Rohrdurchmesser anpassen – (Bild: Fraunhofer ITWM).

Terahertz-Technologie für die Inline-Qualitätskontrolle von Kunststoff-Rohren
Die Rohrinspektion mit Terahertz-Technologie des Fraunhofer ITWM ermöglicht eine berührungslose und zerstörungsfreie Inline-Messung der Wandstärke von Glatt- und Wellrohren direkt im Produktionsprozess. Das System misst an vier frei wählbaren Positionen und kann flexibel an verschiedene Rohrdurchmesser und Materialien angepasst werden. Mit der Technologie können wichtige Parameter wie Wanddicke, Durchmesser, Ovalität und Schichtaufbau erkannt werden. Das Ziel besteht darin, eine frühzeitige Qualitätssicherung zu erreichen, um Material effizient zu nutzen und Ausschuss zu vermeiden. Selbst geringe Einsparungen bei der Wandstärke können zu großen wirtschaftlichen Vorteilen führen.

„Dafür nutzen wir die Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie und FMCW-Verfahren, die unabhängig von Temperatur und Material präzise Ergebnisse liefern – im Gegensatz zu klassischen Ultraschall- oder Röntgenmethoden“, erklärt Dr. Joachim Jonuscheit vom Fraunhofer ITWM.

Simulation von Spinnverfahren für optimierte Filamente
Im Projekt „Vispi – Virtuelles Spinnen“ entwickeln Wissenschaftler des Fraunhofer ITWM eine Simulationssoftware, die industrielle Spinnprozesse für High-Tech-Fasern digital abbildet und optimiert. Dabei werden die komplexen physikalischen Abläufe beim Spinnen – etwa bei der Herstellung von Glaswolle oder Polymerfasern – möglichst realistisch nachgebildet, um den Materialverbrauch, den Energiebedarf und die Produktqualität zu verbessern. Mithilfe der Software „Vispi“ können Prozessparameter wie Düsengeometrie, Massenstrom, Temperatur und Viskosität eingegeben werden. Sie modelliert die Strömungsdynamik sowie die Rückwirkung der Fasern auf die Luftströmung, analysiert Turbulenzen und Totzonen und berücksichtigt das Abkühlverhalten der Filamente. Ein integriertes Modul für Materialdatenbanken unterstützt die Auswahl geeigneter Polymere.

„Mit ‚Vispi‘ testen und verbessern wir komplexe Spinnprozesse virtuell. So lassen sich Ressourcen einsparen und die Qualität der Produkte erhöhen. Unternehmen profitieren von geringeren Fehlinvestitionen beim Upscaling und steigern ihre Wettbewerbsfähigkeit“, sagt Dr. Walter Arne, einer der Entwickler der Software.

Die Projekte und Technologien des Fraunhofer ITWM zeigen, wie digitale Simulationen und präzise Messtechnik zur Optimierung von Materialien, Prozessen und Produkten beitragen. Anwendungsbeispiele reichen von der Schaumfüllung über Faserprozesse bis zur Rohrinspektion. So entstehen ressourcenschonendere Entwicklungen, eine höhere Qualität und wirtschaftliche Vorteile für die Industrie.

K 2025, 08.-15. Oktober 2025, Düsseldorf, Halle 7, Ebene 0, Stand SC05

Weitere Informationen: www.itwm.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM, Kaiserslautern

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