Wie Kunststoffrezepturen mit VR-Methoden entwickelt werden

Ob computergestützte Simulation, hochflexible Teilefertigung, optimale Anlagenauslastung, zielorientiertes Datenmanagement oder onlinegestützter Vertrieb: Die digitale Transformation hält Einzug in allen Bereichen der Kunststoffindustrie. Der Begriff Industrie 4.0 steht dabei für die vierte industrielle Revolution, einer neuen Stufe der digitalen Organisation und Steuerung der gesamten Wertschöpfungskette über den Lebenszyklus von Produkten. Insbesondere für Produkte aus polymeren Werkstoffen soll hierdurch eine enge Verknüpfung von der Idee über die Entwicklung, Fertigung, Nutzung bis hin zum Recycling bewirkt und das Umsetzen von maßgeschneiderten Bauteilen nach individuellen Kundenwünschen ermöglicht werden. Dennoch sind die prozessabhängigen Grenz- und Überlappungsbereiche von Eigenschaftsniveaus spezifischer Polymerwerkstoffe dem Entscheider oft nicht ersichtlich, sodass unter Umständen ein Spritzgussbauteil auch durch ein additiv gefertigtes Bauteil ersetzt werden könnte, aber die zur Entscheidung notwendigen Erkenntnisse aus den bisherigen Datenaufbereitungsmethoden nicht abgeleitet werden können.

Die Basis hierfür ist die Verfügbarkeit relevanter Informationen durch die virtuelle Darstellung der am Entstehungsprozess beteiligten Teilprozesse und ihrer Einflüsse auf die Werkstoff- und somit Bauteileigenschaften. Dadurch kann ein übergreifendes Optimieren hinsichtlich der Eigenschaften, des Ressourcenverbrauchs und der Kosten ermöglicht werden. Als eine neuartige Technologie zur visuellen Aufbereitung solcher, teilweise sehr großen, Datenmengen sind die unterschiedlichen Systeme der virtuellen Realität (VR) anzusehen. Das Stichwort bei VR-Anwendungen lautet „Immersion“ – das Eintauchen in eine andere Welt und die damit verbundene Fokussierung auf den dargestellten Inhalt. VR-Systeme ermöglichen neue Ansätze, räumlich mit Datenmengen umzugehen und mehrdimensionale Ansichten zu kreieren. Innovative Interaktionsmuster lassen es zu, auch komplexe Gebilde auf natürliche Weise zu manipulieren und überwinden damit die Beschränkungen von traditionellen Eingabegeräten wie Maus oder Tastatur. Beim Entwerfen eines Materials oder Werkstoffes kann es von großem Vorteil sein, dieses nicht nur als Zahlenketten und Formeln auf einem Bildschirm zu betrachten, sondern es auch visuell erfahrbar zu machen. Eigenschaften wie Farbe, Glanz und Rauheit entsprechen maßgeblich visuellen Sinneseindrücken, die mit Virtual Reality-Konzepten eindrücklich simuliert werden können.

Durch den Einsatz von VR-Methoden kann auch ein neuer Grad an Digitalisierung bei der Materialentwicklung umgesetzt werden. Es wird eine dreidimensionale Darstellung von Datensätzen möglich, die räumlich erforschbar und interaktiv filterbar sind. Hierbei können zum Beispiel Ergebnis- oder Ereignishäufungen oder spezifische Trends visuell so aufbereitet werden, dass sich komplexe Zusammenhänge in kurzer Zeit überschauen lassen und Optimierungsstrategien in vergleichsweise kurzer Zeit entwickelt werden können. Fast spielerisch ergibt sich so die Auswahl des geeigneten Materials, das sich im Anschluss auch visuell einfärben und in seine mikroskopischen Einzelteile zerlegen lässt. Dem Anwender wird somit eine einfache und schnelle Entscheidungsgrundlage geboten. Insbesondere bei der Entwicklung neuartiger Kunststoffmischungen können sich hieraus signifikante Einsparungen von Entwicklungskosten ergeben.

Ein aktuelles Beispiel dafür sind Biopoly-mere. Diesen biobasierten und teilweise ebenfalls biologisch abbaubaren Kunststoffen wird ein enormes Potenzial zur Verbesserung der Nachhaltigkeit von Kunststoffprodukten zugeschrieben. Allerdings handelt es sich bei diesen Materialien in den meisten Fällen um völlig neuartige Kunststoffe, zu deren Rezeptierung und Verarbeitung bisher nur wenige Erkenntnisse vorliegen. Entsprechende Materialentwicklungen erfolgen in der Regel über zeit- und materialaufwendige Versuchsreihen, wodurch sich das Entwickeln von neuen Produkten momentan langwierig und kostenintensiv darstellt. Für das exaktere Rezeptieren und effizientere Verarbeiten dieser neuartigen Kunststoffe setzen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer-Institutes für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS gemeinsam mit dem Polykum, Prefrontal Cortex und Exipnos nun auf VR-Methoden. Das soll neue Möglichkeiten bei der Material-, Prozess- und Bauteilentwicklung sowie Prozesssteuerung und -überwachung von Biopolymeren erschließen.

Das Gemeinschaftsprojekt „Erforschung des Einsatzes von Systemen der virtuellen Realität für die Rezeptierung und Verarbeitung von neuartigen Kunststoffmischungen aus technischen Biopolymeren“ (Digilab-VR) ist das Nachfolgeprojekt von Digilab und wird ebenfalls durch die Investitionsbank des Landes Sachsen-Anhalt gefördert (Förderkennzeichen: ZWB 2004/00079). Die Zielstellung des Projektes besteht im Erforschen einer virtuellen Entwicklungsplattform für das Rezeptieren und Verarbeiten von Kunststoffen. Ergebnis ist eine App, mit der sich beispielsweise Zutaten und Verarbeitungsschritte genau auf die gewünschten Materialeigenschaften abstimmen lassen, die bereits im Internet zugänglich ist. Diese Softwarelösung wurde im Projekt mithilfe von VR-Methoden erweitert, um virtuelle Werkzeuge zur optimalen Rezeptierung und Verarbeitung von technischen Biopolymeren anzubieten, die durch herkömmliche analoge Ansätze nicht möglich oder nicht erkennbar sind.

Die Projektidee zeichnet sich durch einen hohen Grad an Digitalisierung innerhalb der Prozessschritte durch den Einsatz von VR-Methoden aus. Dazu gehört das Erforschen der Zusammenhänge von Prozessparametern und polymerer Mikrostruktur sowie den damit verbundenen physikalischen Eigenschaften von technischen Biopolymeren bei der Compoundierung, Spritzgussverarbeitung und additiven Verarbeitung. Auch die Erforschung von nachhaltigen Farbpigmenten für die Farbeinstellung von neuartigen Kunststoffmischungen aus technischen Biopolymeren ist über ein eigens dafür entwickeltes digitales VR-Farblabor möglich. Die Erscheinung der Farbe und des Glanzes eines Kunststoffbauteils ist von einer Vielzahl an äußeren Bedingungen abhängig. Im Digilab-VR-Farblabor lassen sich diese Bedingungen simulieren. So können fundierte Entscheidungen ohne langwierige Experimente und Feldtests getroffen werden.

Digilab-VR kann einen bedeutenden Beitrag für eine nachhaltige Kunststoffindustrie leisten, da die gesamte Wertschöpfungskette von Produkten aus polymeren Werkstoffen in den Blick genommen wird. Das ermöglicht die enge Verknüpfung der einzelnen Schritte im Lebenszyklus, von der Idee über die Entwicklung, Fertigung und Nutzung bis hin zum Recycling. Digilab-VR wird auf dem Stand von Polykum auf der K-Messe ausgestellt sein und lädt die Besucher zum Eintauchen in die virtuelle Realität der Materialentwicklung ein.

Quelle: Fraunhofer (IMWS)

K 2022: Halle 12, Stand A59