KNF: Füllstoffe und Additive zur Funktionalisierung von Kunststoffen

Die Nachfrage nach funktionalisierten Kunststoffen und Kunststoffbauteilen in der Automobilund Elektroindustrie nimmt immer mehr zu. Um Produkte mit spezifischen Eigenschaften wie Wärme und elektrische Leitfähigkeit, mechanische Stabilität oder sensorische Funktionalitäten entwickeln und herstellen zu können, gilt es, die richtige Kombination an Additiven und Füllstoffen in Verbindung mit der eingesetzten Produktionstechnologie zu optimieren.

„Füllstoffe und Additive zur Funktionalisierung von Kunststoffen“ lautete so auch das Thema der diesjährigen Tagungsreihe der Gemeinschaftsinitiative Treffpunkt Kunststoff des Kunststoff-Netzwerk Franken (KNF) und des Cluster Neue Werkstoffe (CNW). Am 10. Juli 2014 widmete sich die erste einer zweireihig angelegten Veranstaltung den Möglichkeiten zur thermischen und elektrischen / elektromagnetischen Funktionalisierung von Kunststoffen. Fachexperten aus ganz Deutschland kamen nach Bayreuth, um gemeinsam innovative Möglichkeiten zur Kunststofffunktionalisierung kennen zu lernen und zu diskutieren. Geschäftsführer Hans Rausch vom KNF und Prof. Dr. Rudolf Stauber, Sprecher des CNW und Geschäftsführer der Fraunhofer Projektgruppe IWKS begrüßten die Teilnehmer und führten durch den Tag.

Im Bereich der elektrisch leitenden Kunststoffe eröffnen sich heute insbesondere in der Lichttechnik völlig neue Wege zur Realisierung von Produkten. So werden voll funktionsfähige LED-Lichtleisten in nur einem Prozessschritt in einem Werkzeug gefertigt, wie Dr. Winfried Schmidt, OECHSLER AG, zeigte. Die Realisierung solcher komplexen Bauteile bei gleichzeitiger Integration verschiedenster Funktionen wird nur durch intelligente Verfahrenskombinationen möglich. Eine Zukunftsvision stellt dabei die Verbindung der Kunststofftechnik mit dem 3D-Druck dar, wie der Dr. Winfried Schmidt weiter ausführte.

Neue Compounds zu entwickeln ist eine sehr komplexe Aufgabe. Betrachtet man alleine die thermoplastischen Kunststoffe, ergeben sich auf der Basis von rund 100 verschiedenen Thermoplasten plus einer Vielzahl an Additiven und deren Kombinationen Millionen Kombinationsmöglichkeiten für die Entwicklung. Um zeit- und kostenaufwendige Laborversuche zu vermeiden, hat die polyMaterials AG das „high troughput screening System (HTS)“, entwickelt, welches es ermöglicht, in kurzer Zeit eine Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten und Varianten zu testen und zu analysieren. Dieses System erlaubt es, bis zu 10 mal mehr Rezepturen pro Woche herzustellen, zu testen und zu evaluieren als es auf herkömmlichem Wege bisher möglich war, erläuterte Dr. Gerhard Maier, polyMaterials AG, in seinem Vortrag.

Das Potential der Kunststofftechnologie für den Einsatz in der modernen Lichttechnik zeigte Dr. Christoph Heinle, RF Plast GmbH, auf. Die RF Plast GmbH nutzte einen Bornitrid- Kunststoff-Compound als Basis für Kühlkörper und entwickelte hieraus eine LED-Lampe auf der Grundlage der MID-Technologie, welche gegenüber den heutigen aluminiumbasierten Lampen große Gewichtsvorteile aufweist.

Ein Großteil der Eigenschaften eines Kunststoffs wird durch die Matrix definiert. Um zu thermisch leitfähigen Kunststoffen zu kommen, ist es notwendig, den leitenden Füllstoff in ausreichender Menge in der Matrix zu verteilen, um spezifische Füllstoffgehalte zu realisieren. Damit beeinflusst die Auswahl des einzusetzenden Compounds das werkstoffgerechte Design des späteren Bauteils, wie Dr. Luca Posca, LATI Industria Termoplastici S.p.A., darlegte. Die Zunahme der Integration von Elektronik, z.B. in der Automobil- und Luftfahrtindustrie, lässt den Bedarf an elektrostatischer Abschirmung bei Kunststoffteilen wachsen. Da Kunststoff an sich elektrisch nicht leitend ist, müssen hier Strategien und Bauteilkonzepte entwickelt werden, die eine Abschirmung gewährleisten. Durch den Einsatz von elektrisch leitfähigen Kunststoffen und eines EMV-gerechten Bauteildesigns können maßgeschneiderte Lösungen entwickelt werden, wie Dr. Andreas Abbach, EMCC DR. RAŠEK, anschaulich darstellt.

Das Potential, das Carbon-Nano-Tubes (CNT) bieten, um die elektrische Leitfähigkeit von Kunststoffen zu erreichen, stellte Dr. Walter Schütz, FutureCarbon GmbH, vor. CNTs können chemisch modifiziert und in geeigneten Systemen dispergiert werden, um sie als Additive für Compounds, als Lacke oder als Beschichtung zu nutzen. Aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit eignen sie sich z.B. sehr gut, um Flächenheizungen z.B. für den automobilen Innenraum und in der industriellen Wärmetechnik zu realisieren.

Werkstoff und Eigenschaftssimulation
Die vielfältigen Einflüsse der Matrix und der Füllstoffe sowie deren Wechselwirkungen machen für eine effiziente Bauteilentwicklung den Einsatz von Simulationswerkzeugen notwendig. So kann z.B. mittels der μCT oder der focused ion beam Spektroskopie die Mikrostruktur der Matrix sichtbar und für die Simulation zugänglich gemacht werden. Damit lässt sich die statistische Verteilung der Struktur ohne aufwendige Analysen untersuchen, Gerade auf der Mikroebene basiert die Simulation auf einfachen Gesetzmäßigkeiten wie dem Fourier-Gesetz, das genutzt werden kann, um diese Ebene parallel zu skalieren und somit größere Strukturen darzustellen, wie Dr. Andreas Wiegmann von der Math2Market GmbH am Anwendungsbeispiel CNT-gefüllter Polymere erläuterte.

Eine weitere Möglichkeit bildet die Multiskalensimulation, um lokale Werkstoffeigenschaften mit der Bewertung ganzer Bauteile zu verknüpfen und praxisrelevante Aussagen abzuleiten. Dabei können Struktureigenschaftsbeziehungen gewonnen werden, aus denen sich vielversprechende Lösungen vorhersagen lassen. „Es zeigt sich, dass die Simulation eine neue Form des Denkens ist, denn mit schnellen Simulationen kann man experimentieren und gewinnt neue Erkenntnisse auf spielerische Art“, so Dr. Jan Seyfarth, e-Xstream engineering.

Die Veranstaltung behandelte Themen von der Simulation über die Compoundentwicklung bis hin zur Fertigung elektrisch und thermisch funktionalisierter Bauteile. In ihrem abschließendem Vortrag spannte Dr. Marieluise Lang, SKZ – KFE gGmbH den Bogen zur Folgeveranstaltung aus der Reihe „Treffpunkt Kunststoff: Füllstoffe und Additive zur Funktionalisierung von Kunststoffen“ am 06. November 2014 in Kronach. Schwerpunkt dieser Veranstaltung ist dann die mechanische und sensorische Funktionalisierung.