Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWMIm Projekt »3-ScaleSim« entwickeln Forschende des Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS und ein Team unserer Abteilung »Gitterfreie Methoden« ein Simulationstool für den multiskaligen Spritzguss von Kunststoffen. Grundlage dafür ist unsere am Fraunhofer ITWM entwickelte gitterfreie Simulationssoftware MESHFREE, die wir im Projekt für die Abbildung von Mikro- und Nanostrukturen erweitern. Ziel ist es, Mikro- und Nanostrukturen auf Kunststoffoberflächen präzise vorherzusagen und industrielle Entwicklungsprozesse deutlich zu beschleunigen. Das Projekt trägt dazu bei, neuartige Kunststoffprodukte schneller, kostengünstiger und nachhaltiger zu entwickeln.
Smartphone: Durch Mikro- und Nanostrukturierung lassen sich Fügeverbindungen von Kunststoffkomponenten verbessern und gleichzeitig diffuse Reflexionen auf Displayoberflächen reduzieren.
Hörgerät: Mikro- und Nanostrukturierung von Otoplastiken zur Optimierung der Adhäsionseigenschaften und zur Verbesserung der Biokompatibilität der im Gehörgang befindlichen Komponenten.
© Fraunhofer IMWS / freepik
Auf die Oberfläche kommt es an – Simulation für den multiskaligen Mikro- und Nanospritzguss
Projekt »3-ScaleSim«: Entwicklung eines Simulationstools für den multiskaligen Makro-Mikro-Nano-Spritzguss
Viele Kunststoffprodukte benötigen spezielle Oberflächeneigenschaften, etwa erhöhte Abriebfestigkeit, antistatische Eigenschaften oder verbesserte Haftung. Solche Anforderungen spielen in zahlreichen Anwendungen eine Rolle – etwa bei der Herstellung von Produkten im Spritzguss, also von Verpackungen über technische Komponenten bis hin zu Konsumgütern. In der Industrie erreicht man diese Funktionen häufig durch Beschichtungen oder Additive, indem bestimmte Eigenschaften verändert oder verbessert werden. Diese Lösungen erschweren aber häufig das Recycling, da die Materialien dann nicht mehr sortenrein sind.
Herausforderung: Funktionale Oberflächen ohne Zusatzstoffe
Eine kostengünstige und nachhaltigere Alternative ist die rein physikalische Funktionalisierung der Oberfläche durch Mikro- und Nanostrukturen. Dabei werden gezielt Strukturen im Mikro- und Nanometerbereich auf der Materialoberfläche erzeugt, um bestimmte Eigenschaften zu erhalten. Ein anschauliches Vorbild dafür liefert die Natur: So kann ein Gecko mühelos an glatten Wänden laufen, weil seine Füße mit Millionen feinster Härchen ausgestattet sind, die im Nano- und Mikrobereich strukturiert sind und dadurch besondere Haftkräfte erzeugen. Ähnliche Prinzipien lassen sich technisch nutzen, indem Oberflächen gezielt strukturiert werden. Solche Strukturen können beispielsweise die Haftung, Benetzbarkeit, optische Eigenschaften oder die Reibung von Oberflächen beeinflussen.
Am Fraunhofer IMWS werden dafür Verfahren entwickelt, mit denen hierarchische Mikro- und Nanostrukturen auf Polymeroberflächen hergestellt werden. Durch diese strukturierte Oberfläche lassen sich Eigenschaften gezielt einstellen – ganz ohne zusätzliche Beschichtungen oder Additive. Das Entwickeln geeigneter Strukturen und Prozessparameter erfordert derzeit jedoch aufwendige Machbarkeitsstudien im Spritzguss. Diese sind zeit- und kostenintensiv und stellen oft eine Hürde für Unternehmen dar.
Projektansatz: Multiskalen-Simulation des Spritzgussprozesses
Im Projekt »3-ScaleSim« entwickeln wir ein Simulationstool, das den Spritzgussprozess über mehrere Größenskalen hinweg modellieren kann. Die Simulation basiert auf unserer am Fraunhofer ITWM entwickelten gitterfreien Simulationssoftware MESHFREE. Sie ermöglicht eine skalenübergreifende Abbildung des Spritzgussprozesses. Dadurch können Machbarkeitsstudien künftig zunehmend digital durchgeführt werden.
Dabei werden drei Ebenen betrachtet:
- Makroskala: Bauteilgeometrie und Materialfluss im Spritzgussprozess
- Mikroskala: Mikrostrukturierte Oberflächen und deren Abformung
- Nanoskala: Nanostrukturen zur gezielten Funktionalisierung von Oberflächen
Im Projekt wird unsere Software um Modelle für Mikro- und Nanoskalen erweitert. Das Simulationstool berücksichtigt verschiedene Einflussfaktoren:
- Strukturdesign der Oberfläche
- Materialeigenschaften der eingesetzten Polymere
- Prozessparameter des Spritzgusses
Ergänzend bauen wir eine Datenbank auf, die den Zusammenhang zwischen Strukturdesign, Prozessparametern und Materialeigenschaften systematisch dokumentiert.
Smartphone: Durch Mikro- und Nanostrukturierung lassen sich Fügeverbindungen von Kunststoffkomponenten verbessern und gleichzeitig diffuse Reflexionen auf Displayoberflächen reduzieren.
Hörgerät: Mikro- und Nanostrukturierung von Otoplastiken zur Optimierung der Adhäsionseigenschaften und zur Verbesserung der Biokompatibilität der im Gehörgang befindlichen Komponenten.
Projektziele: Multiskalige Spritzguss-Simulation mit MESHFREE und Demonstratorentwicklung
Aufbau einer skalenübergreifenden Datenbank
Eine Nano-Mikro-Makro-Datenbank dokumentiert die Beziehungen zwischen Strukturdesign, Materialeigenschaften und Prozessparametern wie Temperatur oder Druck im Spritzgussprozess.
Validierung der Simulation
Die Simulationen in MESHFREE werden auf allen Skalen durch experimentelle Untersuchungen validiert. Diese Experimente werden am Fraunhofer IMWS durchgeführt.
Demonstration eines Gesamtprozesses
Am Ende des Projekts entsteht ein Demonstrator, der den gesamten Prozess – von der Simulation über die Prozessparameter bis zur Herstellung mikro- und nanostrukturierter Bauteile – integriert abbildet.
Ergebnisse und Nutzen für die Industrie mit Fokus auf den Mittelstand
Das Projektergebnis ist ein digital unterstützter Gesamtprozess für den multiskaligen Spritzguss. Unternehmen schätzen damit bereits in frühen Entwicklungsphasen ab, welche Strukturen und Prozessparameter zum gewünschten Ergebnis führen. Dadurch lassen sich aufwendige Machbarkeitsstudien deutlich reduzieren.
Der datenbankgestützte Ansatz ermöglicht zudem eine kontinuierliche Erweiterung des Wissens über Struktur- und Prozesseinflüsse und kann perspektivisch auch auf andere Fertigungsverfahren übertragen werden.
Das Simulationstool richtet sich insbesondere an Unternehmen der kunststoffverarbeitenden Industrie, die hohe Anforderungen an funktionale Oberflächen stellen und gleichzeitig nachhaltige Produktionsprozesse anstreben. Zu den wichtigsten Zielbranchen zählen die Automobilbranche, die Verpackungsindustrie, der Konsumgütersektor sowie die Medizintechnik.
Allein in Deutschland umfasst die kunststoffverarbeitende Industrie rund 3.000 Unternehmen mit etwa 300.000 Beschäftigten. Ein großer Anteil der Produkte wird dabei im Spritzgussverfahren hergestellt. Die Branche ist stark von kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) geprägt, für die aufwendige Machbarkeitsstudien häufig eine besondere finanzielle und zeitliche Herausforderung darstellen.
Beispiel eines Makrospritzgussprozesses aus einem gemeinsamen Projekt mit der Volkswagen AG. Virtuelle Analysen helfen dabei, Spritzgussprozesse besser zu verstehen und Prozessparameter bereits vor realen Versuchen zu optimieren.
Unser Projektpartner und mehr zur Förderung
Das Projekt wird gemeinsam mit dem Fraunhofer IMWS (Projektleitung Annika Thormann) durchgeführt und ist angesiedelt im Programm »Schnelle Mittelstandsorientierte Eigenforschung (SME)«. »3-ScaleSim« startete am 1. Januar 2026 und ist auf drei Jahre angelegt.