So werden Spritzguss-Bauteile leistungsfähiger

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Seine Forschung soll Bauteile für Autos oder Flugzeuge mit maßgeschneiderten Eigenschaften möglich machen: Der Werkstofftechniker Marc Schöneich hat ein Verfahren entwickelt, mit dem die Eigenschaften kurzfaserverstärkter Kunststoffe vorab simuliert und passgenau je nach Einsatz optimiert werden können. "Der Herstellungsprozess kann günstiger und das Produkt besser werden, wenn man genau weiß und steuern kann, was im Werkstoff passiert und welche Mechanismen ablaufen", erklärt Schöneich. Sein Modell macht transparent, wie der Kunststoff sich ändert, wenn man an bestimmten Parametern "dreht". 

Mit dem Spritzgussverfahren lässt sich Kunststoff in jede beliebige Form bringen. Die Industrie kann auf diese Weise etwa Stoßfänger, Unterbodenverkleidungen oder Gurthalterungen herstellen. Besonders leichte, hochbelastbare und von ihrer Form her komplizierte Bauteile machen die sogenannten kurzfaserverstärkten Thermoplasten möglich: Hierbei wird der Kunststoff mit Fasern zum Beispiel aus Glas verstärkt.

"Glasfasern haben eine hohe Steifigkeit. Werden sie als kurze Fasern im Werkstoff eingebunden, nehmen sie die Kraft bei Belastungen auf: Das bedeutet, das Bauteil wird belastbarer, etwa wenn es gezogen oder gebogen wird", erklärt Schöneich, der am Leibniz-Institut für Neue Materialien INM in Saarbrücken arbeitet. Er hat in seiner Doktorarbeit die Grenzschicht zwischen der Faser und dem Kunststoff genauer unter die Lupe genommen und untersucht, wie diese Schicht die Eigenschaften des gesamten Verbundwerkstoffs und somit des finalen Bauteils ändert. "Die sogenannte Interphase ist das Resultat der Wechselwirkung zwischen Glas und Kunststoff. Sie ist nur wenige hundert Nanometer dünn, hat andere Eigenschaften als die Fasern und als der Kunststoff. In meinen Forschungen habe ich diese Interphase näher betrachtet und Veränderungen gemessen." 

Auf beliebige Werkstoffkombinationen übertragbar 

Hierfür hat Schöneich eigens eine neuartige Messmethode entwickelt. Er führte Experimente auf Makro- und Mikroskala durch, analysierte die Bestandteile des Verbundwerkstoffs mechanisch und thermisch, verglich die Abläufe mit analytischen Berechnungen wie auch der sogenannten Finite-Elemente-Methode und erstellte mikromechanische Modelle. Sein neues Verfahren macht die Wechselwirkungen zwischen Glas, Kunststoff und Interphase berechenbar. "Das Modell ist auf beliebige Werkstoffkombinationen übertragbar. Die Industrie kann es nutzen, um technische Bauteile aus Verbundwerkstoffen leichter oder leistungsfähiger zu machen", sagt er. Wird zum Beispiel die Dicke der Interphase verringert, ändert das die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs. 

Für seine deutsch-französische Doppel-Promotion an den Universitäten des Saarlandes und Metz erhielt Schöneich jetzt den Wilfried-Ensinger-Preis des Wissenschaftlichen Arbeitskreises der Universitäts-Professoren der Kunststofftechnik.