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30.09.2016

Das Bauchgefühl kann täuschen

Compound-Entwicklung mittels statistischer Versuchsplanung

In Zeiten zunehmender Produktindividualisierung steigen auch die Anforderungen an die Werkstoffe. Bei der Suche nach neuen oder verbesserten Kunststoffrezepturen vertrauen viele Anwender auf Experten und deren Erfahrung. Mithilfe von Statistik und virtuellen Modellen soll jeder in der Lage sein, die bestmögliche Compound-Zusammensetzung zu finden – schneller, effizienter und vor allem kostengünstiger.


Ein-Faktor-Methode vs. Statistik

Im Mittelpunkt der virtuellen Compound-Entwicklung stehen dabei kundenspezifische Datenbanken, die die Rezepturkomponenten und die daraus resultierenden Eigenschaften der Verbundwerkstoffe verknüpfen. Auf dieser Basis werden in Kaufbeuren Prognose-Modelle mithilfe der statistischen Versuchsplanung (englisch design of experiments, DoE) für thermoplastische Compounds erstellt.

Ziel der statistischen Versuchsplanung ist es, mit möglichst wenigen Versuchen den Wirkungszusammenhang zwischen Einflussfaktoren und Zielgröße möglichst genau zu ermitteln. Die Ergebnisse, also das Verhalten der Compounds, werden dann mithilfe der Mathematik beschrieben.

Im Gegensatz zur „althergebrachten“ Vorgehensweise, bei der in einer Versuchsreihe nur ein Faktor variiert, werden bei der statistischen Versuchsplanung mehrere Faktoren gleichzeitig verändert. Darauf aufbauend werden sogenannte Versuchspläne erstellt. Sie enthalten neben der Anzahl der untersuchenden Faktoren auch deren Art (nominal oder quantitativ), bereits bekannte Informationen sowie gewünschte Genauigkeit/Zuverlässigkeit der Aussagen.

Am Optimum vorbei

Dass mathematische Methoden, wie die statistische Versuchsplanung oder die Automatisierung von Prüfkörperherstellung, den Prozess beschleunigen, davon sind die Forscher rund um Stebani schon lange überzeugt. Bereits 2007 begannen sie mit der Entwicklung des X-Plorators; die Fertigstellung folgte schließlich 2009.

Für Dr. Gerhard Maier, CTO bei Polymaterials, haben bisherige Verfahren auch viel mit Bauchgefühl zu tun. Ob dieses immer richtig ist, kann während der Entwicklung nur schwer abgeschätzt werden. „Oft arbeitet man am Optimum vorbei und merkt es gar nicht“, so Maier. Statt alle nötigen Versuche durchzuführen, würden viele Compoundeure zunächst die Versuchsmatrix optimieren, ohne das gesamte System zu betrachten.

Kundenspezifische Versuchsplanung

Zu Beginn eines jeden Projekts werden zunächst die Komponenten, deren Anteile und das exakte Versuchsdesign in Zusammenarbeit mit dem Kunden festgelegt. Auf dieser Basis wird ein Versuchsplan mit dem DoE-Programm erzeugt. Anschließend werden die Prüfkörper in DIN-Größen hergestellt, wobei pro Werkstoffverbund nur 0,5 – 2 kg an Gesamtmaterial benötigt wird. Je nach Prüfkörperzahl können laut eigner Aussage pro Tag ca. 15  –  35 Compounds hergestellt und geprüft werden.

Die erhaltenen Messdaten wie Kennwerte für Schlagzähigkeit, E-Modul oder Bruchdehnung, Ergebnisse von Flammschutzmessungen oder Resultate wie Vicat-Temperatur oder HDT werden zur Modellerstellung verwendet. Auch Preise der Rohstoffe können genutzt werden. Mithilfe des Optimizers wird anschließend das Prognose-Modell erstellt und – im besten Fall – die optimale Compound-Zusammensetzung gefunden.


Inhaltsverzeichnis

Melanie Ehrhardt, Redaktion

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