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Forschungsbereiche

Die Stützpfeiler unserer Forschung liegen im Bereich der Modellbildung, Prozesssimulation und der -messtechnik. Die ersten beiden Teilgebiete geben Einblick in die Vorgänge der einzelnen (Teil-)Prozesse, während Messtechnik eingesetzt wird, um Randbedingungen für die Simulationen zu erhalten bzw. deren Ergebnisse zu validieren.

Diese Methoden finden in allen unseren Forschungschwerpunkten ihre Anwendung:

Grundlagen

Modellbildung

Um komplexe Vorgänge besser zu verstehen, ist es oft notwendig den realen Prozess in einem mathematischen Modell abzubilden. Als solches kann man grundsatzlich jede berechenbare Menge mathematischer Vorschriften, die (Teil-) Aspekte eines realen Vorgangs beschreiben sollen, betrachten. Dabei handelt es sich aber immer um eine Vereinfachung, da der reale Vorgang meist nicht in seiner vollen Komplexität beschrieben werden kann.

Prozessmesstechnik

Aufgrund der schwierigen messtechnischen Randbedingungen (hohe Drücke und Temperaturen) ist die Entwicklung neuer Prozessmesstechniken in der Kunststoffverarbeitung eine besondere Herausforderung. Wir entwickeln neuartige Messmethoden zur Schmelzetemperaturmessung, Aufschmelzverhalten und Condition Monitoring.

Prozesssimulation

Die Prozesssimulation nutzt die von uns erstellten Modelle zur Entwicklung und Optimierung technischer Prozesse im Hinblick auf die Kunststoffverarbeitung. Die Simulation wird dabei mit unterschiedlichen semi-analytischen oder numerischen Methoden durchgeführt. Bekannte Vertreter dieser Methoden sind z.B. Computational Fluid Dynamics (CFD) zur Beschreibung von Strömungsvorgängen von Kunststoffschmelzen oder die Discrete Element Method (DEM) zur Simulation des Verhaltens von granularen Medien.

Prozessoptimierung

Einspritzen

Eine besondere Herausforderung im Spritzgießen ist der Einspritzprozess, da bei diesem eine komplizierte Wechselwirkung zwischen Materialeigenschaften, thermischen Vorgängen und fluiddynamischen Phänomenen auftritt. Zur Erforschung dieser Phänomene wird am IPIM der Prozess im Experiment und in der Simulation analysiert. Um Modelle weiter verfeinern zu können, wird der Prozess in einem open-source Computational Fluid Dynamic (CFD) Tool implementiert, verifiziert und validiert. Damit ist es möglich, die Wechselwirkungen wissenschaftlich fundiert zu beobachten, diese zu verstehen und damit den Prozess zu optimieren.

Plastifizieren

Im Spritzgießprozess übernimmt die Plastifiziereinheit mehrere bedeutende Funktionen. Die Hauptaufgaben sind dabei das Fördern und Aufschmelzen des Kunststoffgranulats, um eine stofflich und thermisch möglichst homogene Kunststoffschmelze für den Einspritzprozess bereit zu stellen, sowie das Einspritzen dieser Schmelze in die Werkzeugkavitäten. Die Qualität der spritzgegossenen Bauteile hängt im großen Maße von den Vorgängen in diesem Maschinenteil ab.

Schäumen

Die Potentiale der sehr vielversprechenden Thermoplast-Schaumspritzgieß-Technologie (TSG) zur Herstellung von Bauteilen mit Sandwichstruktur sollen optimal ausgeschöpft werden. Dazu bedarf es Forschung im Bereich der Grundlagen sowie in anwendungsbezogenen Bereichen. Alles beginnt mit der Beschreibung des verarbeitungsrelevanten Löslichkeits- und Diffusionsverhaltens von Gasen in Kunststoffen (prozessnahe, unter Berücksichtigung von Scherung etc.). Ermöglicht wird dies durch die Entwicklung neuen Messequipments und neuer Messmethoden. Davon ausgehend widmen wir uns auch der Rheologie gasbeladener Schmelzen und spannen so den Bogen zu konkreter Kunststoffverarbeitung.

Leichtbau

In-Situ Polymerisation

Verbundwerkstoffe gewinnen immer mehr an Bedeutung. Aufgrund ihrer hohen Leistungsfähigkeit und ihrem geringen Gewicht heben sie sich von anderen Baumaterialien ab. Für deren Erforschung und Entwicklung wird der Produktionsprozess von Polyamid-6 (mit und ohne Glasfasern) im Detail analysiert. Dabei legen wir besonderen Wert auf die In-Situ Polymerisation von Caprolactam (Aktivator, Katalysator). Ziel der Analyse ist die Optimierung der Vorgänge für die Etablierung des industriellen Prozesses. Dabei soll die gesamte Kette Laborexperimente – Mischsimulation– Füllsimulation – Simulation des Heizprozesses abgedeckt werden.

Verarbeitung thermoplastischer Tapes

Bauteile aus Faser-Kunststoff-Verbunden spielen im Sinne des Leichtbaus für die zukünftige Mobilität eine Schlüsselrolle. Bei der Produktion von Organoblechbauteilen haben erste Verfahren Serienreife erreicht. In der weiteren Entwicklung werden jetzt Lösungen für thermoplastische Tapes mit Verstärkung aus Glas- und Carbonfasern betrachtet. Dabei stehen die einzelnen Schritte des Gesamtprozesses von der Vorbereitung der Tapes bis zum fertigen Bauteil im Fokus der Forschung am Institut.

Werkzeugtechnik

Rapid Tooling

Über die Jahre hinweg wurden neue Fertigungsstrategien zur Herstellung von Werkzeugen entwickelt. Die wohl prominenteste Technologie davon ist Rapid Tooling. Dabei wird nicht wie beim herkömmlichen additiven Fertigen das Bauteil selbst hergestellt, sondern das Spritzgießwerkzeug, mit welchem in weiterer Folge die Bauteile abgeformt werden. Speziell in der Prototypenfertigung bietet dieses Verfahren entscheidende Vorteile, da sich damit in einer kurzen Zeitspanne mehrere Bauteile aus dem Originalmaterial in Prototypenqualität herstellen lassen.

Temperieren

Im Schwerpunktbereich Temperieren ermitteln wir Kennwerte zur analytischen und numerischen Auslegung von Temperiersystemen. Daraus entwickeln wir neue Konzepte zur Verbesserung des Wärmeübergangs in Temperierkanälen und entwerfen Strategien zur optimalen Anordnung von Temperierkanälen durch Simulationsmethoden.