Mit einem gemeinsamen Simulationstool wollen das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS und das Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM die additivfreie Funktionalisierung von Kunststoffoberflächen für die industrielle Praxis erschließen. Dazu verbinden sie die patentierte Mikro- und Nanostrukturierung von Oberflächen mit einer skalenübergreifenden Simulationssoftware.
Grundlage des Projekts „3-ScaleSim“ ist die Software MESHFREE, die um Modelle für den Mikro- und Nanobereich ergänzt wird. Damit sollen sich die Eigenschaften strukturierter Oberflächen künftig schon am Rechner vorhersagen lassen, sodass reale Machbarkeitsstudien seltener nötig sind und gerade kleine und mittlere Unternehmen Zeit und Kosten sparen.
Simulationstool rechnet vom Bauteil bis zur Nanostruktur
Im Zentrum steht ein digitaler Zwilling, der die Bauteilebene mit den kleinsten Oberflächenmerkmalen zusammenbringt. Aufgebaut ist das Simulationstool auf der gitterfreien Software MESHFREE, die das Fraunhofer ITWM entwickelt hat und die 2024 mit dem Joseph-von-Fraunhofer-Preis ausgezeichnet wurde. Es rechnet Strukturdesign, die Eigenschaften der eingesetzten Polymere sowie Prozessgrößen wie Druck und Temperatur in einem durchgängigen Modell zusammen, sodass sich das Werkstoffverhalten über alle Größenordnungen hinweg abbilden lässt.
Auf der Makroskala erfasst das Modell die Bauteilgeometrie und den Materialfluss, auf der Mikroskala die strukturierten Oberflächen und deren Abformung und auf der Nanoskala jene feinen Strukturen, die den Oberflächen ihre Funktion geben. Eine begleitende Nano-Mikro-Makro-Datenbank hält die Zusammenhänge zwischen Strukturdesign, Materialeigenschaften und Prozessparametern fest, während Experimente am Fraunhofer IMWS die Modelle auf allen Skalen validieren und schrittweise verfeinern.
Damit lässt sich die Mikro- und Nanostrukturierung bereits in frühen Entwicklungsphasen beurteilen, bevor ein Werkzeug gebaut oder ein Versuch gefahren wird. „Indem wir MESHFREE von der Makroskala in den Mikro- und Nanobereich erweitern, machen wir den gesamten Spritzgussprozess erstmals durchgängig simulierbar“, erklärt Isabel Michel, Projektleiterin am Fraunhofer ITWM. „Kunden erhalten damit präzise Vorhersagen zur Strukturausprägung und zu den Oberflächeneigenschaften, bei deutlich reduzierten Entwicklungszeiten.“
Strukturierte Oberflächen ersetzen Additive und Beschichtungen
Viele Kunststoffbauteile brauchen für ihren Einsatz besondere Oberflächeneigenschaften, etwa definierte Haftkräfte, eine gesteuerte Benetzbarkeit, optische Eigenschaften wie diffuse Reflexion, eine höhere Abriebfestigkeit oder antistatisches Verhalten. Bislang werden solche Funktionen meist über Additive oder Beschichtungen erreicht, was die Kunststoffe nicht mehr sortenrein hält, das Recycling erschwert und die Prozesskosten erhöht.
Eine Alternative ist die rein morphologische Funktionalisierung, bei der Mikro- und Nanostrukturen die gewünschten Grenzflächeneigenschaften unmittelbar auf der Oberfläche erzeugen. Ein Vorbild liefert die Natur: Der Gecko haftet an glatten Wänden, weil seine Füße mit Millionen feinster, im Mikro- und Nanobereich strukturierter Härchen besetzt sind. Am Fraunhofer IMWS werden nach diesem Prinzip hierarchische Strukturen auf Polymeroberflächen erzeugt, die Haftung, Benetzbarkeit, Reibung oder optische Eigenschaften gezielt einstellen, ohne dass Beschichtungen oder Zusatzstoffe nötig sind.
„Mit diesem patentierten Verfahren, das auch für den Spritzguss geeignet ist, können wir Kunststoffoberflächen großflächig und bionisch inspiriert strukturieren, ganz ohne chemische Additive“, sagt Annika Thormann, Projektleiterin am Fraunhofer IMWS. „Durch das neue Simulationstool machen wir diese Technologie für die kunststoffverarbeitende Industrie schneller zugänglich und schaffen die Basis für recyclingfähige, ressourcenschonende Produkte.“
Geeignete Strukturen und passende Prozessparameter zu finden, erfordert bislang aufwendige Vorstudien im Spritzguss. Diese sind zeit- und kostenintensiv und stellen gerade für kleinere Betriebe eine erhebliche Hürde dar, die das Simulationstool künftig senken soll.
Digitale Vorabprüfung soll den Mittelstand entlasten
Am Ende des Projekts soll ein Gesamtprozess-Demonstrator stehen, der mikro- und nanostrukturierte Spritzgussteile mit dem zugehörigen Simulationstool verbindet. Kunststoffverarbeiter, insbesondere kleine und mittlere Unternehmen, können damit Varianten von Werkzeugdesigns, Polymeren und Prozessfenstern digital durchspielen, bevor sie in die Produktion investieren, was Kosten und Risiken senkt, Entwicklungszyklen verkürzt und Entscheidungen beschleunigt.
Wie groß der Bedarf ist, zeigt der Umfang der Branche: Allein in Deutschland umfasst die kunststoffverarbeitende Industrie rund 3.000 Unternehmen mit etwa 300.000 Beschäftigten, von denen viele im Spritzguss fertigen und stark vom Mittelstand geprägt sind. Die Anwendungen reichen von Konsumgütern über Verpackungen bis zur Automobilbranche und zur Medizintechnik, etwa bei der Strukturierung von Otoplastiken für Hörgeräte, die Adhäsion und Biokompatibilität im Gehörgang verbessern soll, oder bei Kunststoffkomponenten von Smartphones, deren Fügeverbindungen sich festigen und deren Displayoberflächen sich in der diffusen Reflexion dämpfen lassen.
Damit adressiert die Technologie zentrale Anforderungen der Kunststoffbranche an Ressourcenschonung, Kreislauffähigkeit und funktionale Oberflächen. Der datenbankgestützte Ansatz lässt sich perspektivisch auch auf andere Werkstoffe wie Metalle und auf weitere Fertigungsverfahren übertragen. Das Projekt „3-ScaleSim“ ist im Programm „Schnelle Mittelstandsorientierte Eigenforschung“ angesiedelt, wird gemeinsam vom Fraunhofer IMWS unter der Projektleitung von Annika Thormann und vom Fraunhofer ITWM getragen und ist seit dem Start am 1. Januar 2026 auf drei Jahre angelegt.
