Fakuma 2018

••• 7 ••• Innovationen Prinzip von Versuch und Irrtum viel zu teuer Für bessere Kunststoff-Bauteile: Wissenschaftler arbeiten an Vorhersage von Kristallisationsprozessen O ptimierte Bauteile und kürze- re Entwicklungszeiten zu ermöglichen, ist Ziel neuer Aktivi- täten am Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen (IMWS) in Halle (Saale). Mittels Vorhersage von Kristallisationsprozessen wollen die Wissenschaftler die Basis für bessere Kunststoff-Bauteile legen. Die Anforderungen an Kunst- stoffe wachsen stetig: Sie sollen leistungsfähig sein, günstig zu produzieren, gut zu recyceln und vieles mehr. Um neue Kunststoffe zu entwickeln, die diesen Ansprü- chen gerecht werden, ist das Prin- zip von Versuch und Irrtum somit viel zu langsam und viel zu teuer. Blick auf die Mikrostruktur Stattdessen setzen die Herstel- ler auf mathematische Modelle, mit denen sich das Verhalten der Werkstoffe ebenso vorhersagen lässt wie die idealen Parameter für den Produktionsprozess. Ent- scheidend für die Eigenschaften des Materials ist dabei der Blick auf die Mikrostruktur. Der Kris- tallisationszustand von teilkris- tallinen Polymeren ist in solchen Simulationen bisher ein weitge- hend blinder Fleck. Das beein- trächtigt die Aussagekraft der Modelle, denn der Kristallisa- tionszustand ist für die spätere Performance eine wichtige Varia- ble: Wenn die Kunststoff-Schmel- ze erstarrt, ordnen sich die Mo- lekülketten im Polymer in einer speziellen Ordnung an. Wie dies geschieht, hängt beispielsweise von den Abkühl- und Strömungs- bedingungen oder Zusatz- und Füllstoffen im Polymer ab – und es beeinflusst die mechanischen, thermischen, optischen und che- mischen Eigenschaften des Poly- mers, etwa das Schwindungs- und Verzugsverhalten von thermo- plastischen Spritzgussteilen. In einem Forschungsprojekt möchte das Fraunhofer IMWS den blinden Fleck beseitigen. „Wir werden dafür kristallisationskinetische Modelle erforschen und auch ei- gens entwickelte Messmethoden und Sensoren einsetzen“, sagt Prof. Mario Beiner, wissenschaft- licher Leiter des Geschäftsfelds Polymeranwendungen am Fraun- hofer IMWS. Der kontinuierliche Abgleich von Vorhersagen aus der Simulation und tatsächlichen Messwerten, die an Demonstra- tor-Bauteilen erhoben werden, soll dies möglich machen. „Wenn dies gelingt, haben die Si- mulationsmodelle eine deutlich höhere Aussagekraft. Zugleich lässt sich die Kristallisation wäh- rend des Spritzgussprozesses ge- zielt steuern. Wir tragen somit da- zu bei, Bauteile zu optimieren und ihre Eigenschaften noch besser auf die späteren Anwendungsfälle zuzuschneiden. Zusätzlich können wir Entwicklungsprozesse und Werkzeugherstellung deutlich be- schleunigen“, umreißt Beiner die Potenziale des bis Ende 2019 lau- fenden Projekts. Das Vorhaben wird im Rahmen des Programms „KMU-NetC“ vom Bundesministerium für Bil- dung und Forschung (BMBF) ge- fördert. Das Programm hat sich zum Ziel gesetzt, die Innovations- stärke von kleinen und mittleren Unternehmen durch stärkere Zu- sammenarbeit in Netzwerken und Clustern zu erhöhen. Bei Bauteilen, die im Spritzguss gefertigt werden, kann der Kristallisationsprozess eine ent- scheidende Rolle für die spätere Performance spielen. Foto: Fraunhofer IMWS / Sven Döring Researcher focuses on environmentally friendly plastics University of Houston chemist will develope new methods of producing polyolens in an economical and sustainable way From plastic bags to paints, sport- ing goods and auto parts, a type of plastic known as polyolefins is ubiquitous in modern life. But de- spite the fact that these polyole- fins – organic polymers that com- pr ise ex tended chains o f saturated carbon-carbon bonds – have been produced commercially since the 1930s, there is still a need for more versatile produc- tion processes. A chemist at the University of Houston has received a five-year, $626,300 National Science Foun- dation Career Award to develop new methods of producing pol- yolefins in an economical and sustainable way that also can be scaled up for industrial use. Loi Do, assistant professor of chem- istry, said the work will focus on catalyst design, looking for new ways of producing the polymers. While most late transition metal catalysts used in the production of polymers rely on one metal – generally nickel or palladium – Do’s design also includes a second metal. More customizable By varying the supporting metal, as well as the ratio of the support- ing metal to the primary metal, Do expects to produce a range of useful soft materials. Other vari- ables, such as temperature and pressure, could be modulated, too. Many current processing methods require both high pres- sures and high temperatures, rais- ing the cost and energy intensity. “We hope we can produce the same type of products in a much more sustainable way,” Do said. His lab will work with both polar polyolefins – used for sporting equipment, medical devices and other materials – and non-polar polyolefins, which are commonly used in bags, pipes and toys. The process would allow the result- ing material to be more customiz- able and perhaps even have novel functions, he said. “We can take substances that exist in nature, or are byproducts of industrial reac- tions, and convert them to value- added products with minimal en- vironmental impact,” he said. NSF Career awards include an education component, and Do said he will take advantage of Houston’s proximity to the chemi- cal industry by inviting speakers from both industry and govern- ment to meet with undergradu- ate students “to get them excit- ed” about chemistry. Research in his lab also offers stu- dents a real-world opportunity to learn about chemistry, he said, proposing to create an academic support system to foster interest in STEM careers. “Students who develop an inquisitive mind early in their education are more likely to become creative scientists and responsible citizens in the future,” he said. Loi Do, a chemist at the University of Houston, has re- ceived a National Science Foundation Career Award for his work to produce more environmentally friendly po- lyolefins. Photo: University of Houston