Bei Kunststoff-Bauteilen, die im Spritzguss gefertigt werden, kann der Kristallisationsprozess eine entscheiden eine entscheidende Rolle für die spätere Performance spielen. Im Bild: Spritzgieß-Fertigung eines PKW-Frontendträgers (Bildquelle:F raunhofer-IMWS/Sven Döring

Bei Kunststoff-Bauteilen, die im Spritzguss gefertigt werden, kann der Kristallisationsprozess eine entscheiden eine entscheidende Rolle für die spätere Performance spielen. Im Bild: Spritzgieß-Fertigung eines PKW-Frontendträgers (Bildquelle:F raunhofer-IMWS/Sven Döring

Kunststoffe sollen leistungsfähig sein, günstig zu produzieren, gut zu recyceln und vieles mehr. Um solche Kunststoffe zu entwickeln, ist das Prinzip von Versuch und Irrtum zu langsam und zu teuer. Stattdessen setzen die Hersteller beziehungsweise Entwickler von Kunststoffen auf mathematische Modelle, mit denen sich das Verhalten der Werkstoffe ebenso vorhersagen lässt. Aber auch für die Bestimmung der idealen Parameter für den Produktionsprozess ließe sich damit treffsicherer machen. Entscheidend für die Eigenschaften des Materials ist dabei der Blick auf die Mikrostruktur.

Der Kristallisationszustand von teilkristallinen Polymeren wird in solchen Simulationen bislang kaum berücksichtigt. Das beeinträchtigt die Aussagekraft der Modelle, denn der Kristallisationszustand ist für die spätere Performance des Bauteils eine wichtige Variable: Wenn die Kunststoff-Schmelze erstarrt, ordnen sich die Molekülketten im Polymer in einer speziellen Ordnung an. Wie dies geschieht, hängt beispielsweise von den Abkühl- und Strömungsbedingungen oder Zusatz- und Füllstoffen im Polymer ab – und es beeinflusst die mechanischen, thermischen, optischen und chemischen Eigenschaften des Polymers, etwa das Schwindungs- und Verzugsverhalten von thermoplastischen Spritzgussteilen.

In einem Forschungsprojekt mit den Spezialcompound-Hersteller Exipnos aus Merseburg und der Simulationssoftware-Hersteller Simpatec aus Aachen will das Fraunhofer IMWS dieses Manko beseitigen. „Wir werden dafür kristallisationskinetische Modelle erforschen und auch eigens entwickelte Messmethoden und Sensoren einsetzen“, sagt 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“, umreißt Beiner die Potenziale des bis Ende 2019 laufenden Projekts. (dw)