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20.11.2018

Komplexer Prozess, einfache Simulation

Schaumbildung und -dichte in geschlossenen Formen berechnen

Polyurethan-Schäume, oder kurz PUR-Schäume, spielen heutzutage eine wichtige Rolle. Sie sind nützlich bei der Stoßabsorption, in der Akustik oder auch bei der Wärmedämmung. Autositze und Matratzen beispielsweise bestehen aus weichen PUR-Schäumen. Harte Varianten setzt man dagegen unter anderem für Dämmstoffe in Gebäuden ein.

PUR-Expansionssimulation mit Foam zur Herstellung einer Kühlbox (© Fraunhofer ITWM)

Die Eigenschaften von Schäumen vorherzusagen und sie zu charakterisieren ist laut dem Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM, Kaiserslautern, sehr komplex – experimentelle Untersuchungen führen vielfach zu falschen Parametern. Die Institutsforscher haben jedoch einen Weg gefunden, den Aufschäumprozess sowie die Eigenschaften des Schaums zu simulieren.

Von der Emulsion zum Polymerschaum

Erläutern lässt sich dies am Beispiel eines Autositzes. In diesem sollen einige Zonen fester sein, andere wiederum weicher. Um das zu erreichen, spritzen die Hersteller verschiedene Schäume mit unterschiedlichen Eigenschaften gegeneinander. Als Ausgangssubstanzen dienen ihnen dabei flüssige Polymergemische, die in eine entsprechende Form eingespritzt werden. Nun beginnt der chemische Prozess: Innerhalb weniger Sekunden verwandeln sich die beiden flüssigen Emulsionen in einen komplexen Polymerschaum.

Wie die beiden Substanzen aufschäumen und sich in den einzelnen Zonen verteilen, wird mittels simpler Versuche getestet. „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.

Ermittlung der Modellparameter

Diese Experimente werden 1:1 im Rechner simuliert und bilden die Basis zur Ermittlung der notwendigen Modellparameter, die zum Berechnen des Aufschäumverhaltens nötig sind. Die darauf basierenden Simulationen mit der Software „Foam“ sind laut Institutsangaben robust und die Ergebnisse für den Anwendungsfall verlässlich. Dadurch erhalten die Forschenden in kurzer Zeit und mit wenig Aufwand verlässliche Daten für den Aufschäumprozess, statt wie bisher jeden charakterisierenden Parameter einzeln in einem Experiment bestimmen zu müssen – und dann Werte zu erhalten, die ungenau sein können.

„Die Hersteller nutzen üblicherweise drei oder vier unterschiedliche Schäume – bei neuen Produkten ändern sich meist nur die Kombination der Schäume und die End-Geometrien“, sagt Steiner. Haben die Forscher einen PUR-Schaum über ihre Simulation einmal charakterisiert, ist eine Basis für neue Produkte gelegt: Die Hersteller können die erhaltenen Schaumdaten in Foam eingeben und auf diese Weise für jedes neue Produkt und jede neue Geometrie simulieren, wie die Massen und die Wärme beim Aufschäumen transportiert werden. Sie können also beispielsweise herausfinden, wie sie die beiden Schäume gegeneinander spritzen müssen, um die verschiedenen Zonen im Sitz an den gewünschten Stellen zu erhalten. Die Simulationsmethodik zur Parameteridentifikation und Schaumsimulation ist etabliert, es laufen bereits mehrere Projekte mit verschiedenen Kunden.

Verbundwerkstoffe mit PUR-Schäumen

Auch bei Verbundwerkstoffen setzen Hersteller vielfach auf PUR-Schäume, etwa für Trägerstrukturen im Auto, die zum einen stabil, zum anderen leicht sein sollen. Dazu integrieren sie Verstärkungen wie Textilien in die Schäume. Das Ergebnis: Würde eine Hartschaumplatte etwa bei einer Verbiegung bereits brechen, hält die Platte mit integriertem Textil problemlos stand. Durch das Textil in der Form verändert sich allerdings das Strömungsverhalten der Polymer-Emulsion, schließlich bildet die Textilstruktur einen Widerstand. Damit ändert sich auch die Dynamik der Schaumbildung und die Struktur des Schaums: Die Blasen werden kleiner, der Schaum dichter.

Das Forscherteam des Fraunhofer ITWM hat gemeinsam mit dem Lehrstuhl für Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung der TU Chemnitz erstmalig eine Simulation für Verbundmaterialien entwickelt. „Den Strömungswiderstand, den die entsprechende Textilstruktur hervorruft, können wir ausrechnen“, erklärt Steiner. „Anschließend können wir das Aufschäumen in und um die Textilstruktur simulieren.“ Bisher mussten Hersteller ausprobieren, ob der erhaltene Schaumverbund die gewünschten Eigenschaften hat – was mehrere Wochen oder Monate dauern kann. Die Simulation dagegen wartet laut Fraunhofer-Institut bereits nach ein bis zwei Tagen mit einem Ergebnis auf. Die Forscher haben sie bereits an Bauteilen validiert und überprüft. Die Ergebnisse sollen sehr gut mit der Realität übereinstimmen. (ys)

Weiterführende Information
  • Erschienen in Kunststoffe 04/2018

    Schäumsimulation von PUR weiterentwickelt

    Vorhersage von herstellereigener Schäume

    Einen Schritt weiter vom Material zur Simulation geht die BASF mit ihrer Simulationssoftware Ultrasim. Für die eigenen Weichintegralschaumsysteme soll nun auch für komplexe Bauteile wie Automobil-Lenkräder eine präzise Vorhersage berechnet werden können.   mehr

    BASF Aktiengesellschaft

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