Fraunhofer-Wissenschaftlern ist es gelungen, das Aufschäumverhalten von Polyurethan-Schäumen zu simulieren und das Material verlässlich zu charakterisieren. Dies funktioniert auch mit Verbundwerkstoffen, bei denen die Schäume mit Textilstrukturen kombiniert werden.
Polyurethan-Expansionssimulation mit dem Simulationstool zur Herstellung einer Kühlbox.
Fraunhofer ITWM
Autositze, Matratzen und Dämmstoffe bestehen oftmals aus Polyurethan-(PU-)Schäumen. Da der Aufschäumprozess der flüssigen Polymer-Emulsionen sehr komplex ist, sind PU-Schäume nur schwer zu charakterisieren – experimentelle Untersuchungen führen vielfach zu falschen Parametern. Forscherinnen und Forscher vom Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern können nun das Aufschäumverhalten simulieren und das Material verlässlich charakterisieren. Dies soll eine deutliche Erleichterung bei der Planung neuer Produktlinien bringen.
"Statt wie bisher bei der Chemie anzusetzen und alle Parameter wie Reaktionsraten und Viskosität experimentell in vielen unabhängigen Experimenten zu bestimmen, machen wir zwei, drei einfache Experimente – etwa das Aufschäumen im Becherglas", erläutert Dr. Konrad Steiner, Abteilungsleiter am Fraunhofer ITWM. "Diese Experimente simulieren wir eins zu eins im Rechner. Sie bilden die Basis zur Ermittlung der notwendigen Modellparameter, die zum Berechnen des Aufschäumverhaltens nötig sind. Die darauf basierenden Simulationen mit dem Simulationstool FOAM sind robust und die Ergebnisse für den Anwendungsfall verlässlich." So erhalten die Forschenden in kurzer Zeit und mit wenig Aufwand verlässliche Daten für den Aufschäumprozess. Wurde ein PU-Schaum einmal charakterisiert, ist eine gute Basis für neue Produkte gelegt: Die Hersteller können die Schaumdaten in das Simulationstool eingeben und für jedes neue Produkt und jede neue Geometrie simulieren, wie die Massen und die Wärme beim Aufschäumen transportiert werden.
PU-Schäume bei Verbundwerkstoffen
Auch bei Verbundwerkstoffen kommen PU-Schäume zum Einsatz – etwa für Trägerstrukturen im Auto, die stabil und leicht sein sollen. Dazu werden Verstärkungsstrukturen wie Textilien in die Schäume integriert. Gemeinsam mit den Kollegen am Lehrstuhl für Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung der TU Chemnitz hat das Forscherteam des Fraunhofer ITWM erstmals eine Simulation für solche Verbundmaterialien entwickelt. Bisher mussten Hersteller mühsam ausprobieren, ob der erhaltene Schaumverbund die gewünschten Eigenschaften hat – was mehrere Wochen oder Monate dauern konnte. Die Simulation dagegen wartet bereits nach ein bis zwei Tagen mit einem verlässlichen Ergebnis auf. Die Forscher haben sie bereits an Bauteilen validiert und überprüft. Die Ergebnisse stimmen sehr gut mit der Realität überein.