Parametertool zur Prozessauslegung für biobasierte Schaumspritzgusssysteme
Im Forschungs- und Entwicklungsprojekt BioMold wird ein digitales Parametertool zur modellgestützten Auslegung von Spritzgießprozessen mit biobasierten Werkstoffsystemen entwickelt. Experimentelle Untersuchungen und statistische Modelle sollen die Wechselwirkungen zwischen Biopolymeren, biologisch abbaubaren Füllstoffen, chemischen Treibmitteln und Prozessparametern beschreibbar machen. Das Tool soll geeignete Material- und Prozesskombinationen ableiten und deren Einfluss auf ausgewählte Bauteileigenschaften abschätzen.
Ausgangslage und Motivation
Biobasierte und biologisch abbaubare Kunststoffe werden für unterschiedliche industrielle Anwendungen untersucht. Gleichzeitig bietet das chemische Schäumen im Spritzgießprozess die Möglichkeit, Materialeinsatz und Bauteilmasse zu reduzieren. Werden Biopolymere, biologisch abbaubare Füllstoffe und chemische Treibmittel kombiniert, entstehen jedoch komplexe Wechselwirkungen zwischen Materialeigenschaften, Prozessführung und den resultierenden Bauteileigenschaften.
Geeignete Verarbeitungsbedingungen werden in der Praxis häufig über Versuchsreihen ermittelt. Für die betrachteten Material-Prozess-Kombinationen fehlen bislang ausreichend systematisierte Modelle, mit denen sich geeignete Parameterbereiche vorab ableiten lassen. Dadurch bestehen Unsicherheiten hinsichtlich Prozessstabilität, Reproduzierbarkeit und erreichbarer Bauteileigenschaften.
Zielstellung
Ziel von BioMold ist ein digitales Parametertool zur modellgestützten Auslegung von Spritzgießprozessen mit biobasierten Werkstoffsystemen. Es soll Anwender dabei unterstützen, Materialkombinationen und Prozessparameter systematisch auszuwählen und deren Einfluss auf definierte Bauteileigenschaften abzuschätzen.
Das System soll sowohl Prognosen auf Basis vorgegebener Eingangsparameter als auch eine zielwertorientierte Suche nach geeigneten Material- und Prozesskombinationen ermöglichen. Dadurch soll die Entwicklung und Erprobung entsprechender Werkstoffsysteme strukturierter und reproduzierbarer werden.
Lösungsansatz
Der technologische Ansatz kombiniert experimentelle Untersuchungen, statistische Auswertung und modellbasierte Entscheidungslogik. Zunächst werden relevante Material- und Prozessparameter identifiziert und ihre Wechselwirkungen systematisch untersucht. Dazu werden unterschiedliche Kombinationen aus Biopolymeren, biologisch abbaubaren Füllstoffen und chemischen Treibmitteln unter variierenden Prozessbedingungen verarbeitet und analysiert.
Die Versuchsdaten werden statistisch ausgewertet und in mathematische Modelle überführt. Unter anderem kommen Regressionsanalysen zum Einsatz, um quantitative Zusammenhänge zwischen Prozessparametern und Bauteileigenschaften zu beschreiben. Ergänzend wird ein regelbasiertes Entscheidungsmodell entwickelt, das qualitative Zusammenhänge und technologische Randbedingungen abbildet.
Deterministische Entscheidungsregeln und datenbasierte Prognosemodelle werden anschließend in einem digitalen Parametertool zusammengeführt. Anwender sollen damit potenzielle Material- und Prozesskombinationen vorab bewerten und geeignete Parameterbereiche für die Verarbeitung ableiten können. Ergänzend wird ein methodischer Leitfaden entwickelt, der die Übertragung des Ansatzes auf weitere Materialien und Prozessvarianten unterstützt.
Markt und Anwendung
Die entwickelten Methoden und Werkzeuge sind für Anwendungsfelder vorgesehen, in denen biobasierte Kunststoffe und materialeffiziente Spritzgießprozesse untersucht oder eingesetzt werden. Dazu zählen unter anderem Konsumgüter, Verpackungen, technische Kunststoffbauteile sowie Komponenten für Elektrotechnik und Automobilanwendungen.
Für Anwenderunternehmen soll die modellgestützte Prozessauslegung dazu beitragen, Versuchsreihen gezielter zu planen, geeignete Material- und Prozesskombinationen schneller einzugrenzen und die erzielten Bauteileigenschaften nachvollziehbarer mit den gewählten Prozessbedingungen zu verknüpfen.
Das Unternehmen
Die novuplast GmbH ist ein mittelständisches Unternehmen der Kunststoffverarbeitung mit Schwerpunkt auf der Entwicklung und Herstellung technischer Kunststoffbauteile im Spritzgießverfahren. Das Unternehmen verfügt über praktische Erfahrung in der Verarbeitung thermoplastischer Werkstoffe sowie in der Auslegung und Optimierung von Spritzgießprozessen.
Neben der Serienfertigung bearbeitet novuplast kundenspezifische Entwicklungsprojekte, bei denen Materialauswahl, Bauteildesign und Prozessführung auf die jeweiligen funktionalen Anforderungen abgestimmt werden. Zum Entwicklungsspektrum gehören auch biobasierte Kunststoffe, Rezyklate und materialeffiziente Leichtbauansätze. Die vorhandene Fertigungsinfrastruktur ermöglicht es, neue Materialien und Prozessvarianten unter anwendungsnahen Bedingungen zu erproben.
Förderung
Das FuE-Vorhaben wurde im Rahmen des ZIM-Innovationsnetzwerks „Ressourcenschonende Produktion“ entwickelt und wird als FuE-Einzelvorhaben durch das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) gefördert.
