Fraunhofer IMWS: Simulationstool für nachhaltige, funktionalisierte Kunststoffoberflächen

REM-Abbildung der erzeugten Mikrostruktur verschiedener Polymere - (Bilder: Fraunhofer IMWS).

Das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen IMWS in Halle (Saale) und das Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern entwickeln gemeinsam ein Simulationstool für die Auslegung funktionalisierter Kunststoffoberflächen. Ziel ist es, die Entwicklung recyclingfähiger Bauteile für Kunststoffverarbeiter zu beschleunigen, den Ressourceneinsatz zu senken und Entwicklungsaufwände zu reduzieren.

Im Mittelpunkt steht die morphologische Funktionalisierung von Kunststoffoberflächen über Mikro- und Nanostrukturen. Solche Oberflächen sollen definierte Haftkräfte, eine gezielte Benetzbarkeit oder optische Eigenschaften wie diffuse Reflexion ermöglichen. Bislang werden diese Funktionen häufig durch Additive oder Beschichtungen erzeugt. Das erschwert die Sortenreinheit der Kunststoffe und erhöht den Prozessaufwand. Der von Fraunhofer IMWS entwickelte Ansatz setzt stattdessen auf eine Strukturierung der Oberfläche ohne chemische Zusätze.

REM-Abbildung der erzeugten Nanostruktur verschiedener Polymere.

Im Projekt "3-ScaleSim" entsteht dazu ein skalenübergreifendes Simulationstool auf Basis der gitterfreien Simulationssoftware "Meshfree", die vom Fraunhofer ITWM entwickelt wurde. Der digitale Zwilling des Spritzgussprozesses verknüpft Strukturdesign auf Makro-, Mikro- und Nanoskala mit Materialdaten sowie Prozessparametern wie Druck und Temperatur. Ergänzt wird dies durch eine Nano-Mikro-Makro-Datenbank und experimentelle Validierung am Fraunhofer IMWS.

Nach Angaben der beteiligten Institute soll das Tool aufwendige Machbarkeitsstudien teilweise durch virtuelle Versuche ersetzen. Kunststoffverarbeiter sollen so Mikro- und Nanostrukturierungen bereits in frühen Entwicklungsphasen belastbar bewerten können. Das Vorhaben zielt darauf, den Spritzgussprozess von der Nano- bis zur Makroskala durchgängig simulierbar zu machen und präzise Vorhersagen zur Strukturausprägung sowie zu resultierenden Oberflächeneigenschaften zu ermöglichen.

Als Projektergebnis ist ein Demonstrator vorgesehen, bestehend aus mikro- und nanostrukturierten Spritzgussteilen sowie dem zugehörigen Simulationstool. Vor allem kleine und mittlere Unternehmen sollen damit Werkzeugdesigns, Polymere und Prozessfenster digital testen können, bevor Investitionen in die Produktion erfolgen. Das soll Kosten und Risiken senken, Entwicklungszyklen verkürzen und Entscheidungen beschleunigen.

Die Technologie adressiert zentrale Anforderungen der Kunststoffindustrie an Ressourcenschonung, Kreislauffähigkeit und funktionale Oberflächen. Einsatzfelder sehen die Institute unter anderem in den Bereichen Automotive, Medizintechnik, Verpackung und Konsumgüter. Perspektivisch könnte der datenbankgestützte Ansatz auch auf andere Werkstoffe, etwa Metalle, übertragen werden.

Weitere Informationen: www.imws.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS, Halle

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