Autostoelen, matrassen en isolatiematerialen zijn vaak gemaakt van polyurethaanschuim. Het schuimproces van de vloeibare polymeeremulsies is complex. Fraunhofer-onderzoekers kunnen nu het schuimgedrag simuleren en het materiaal betrouwbaar karakteriseren. Dit werkt ook met composietmaterialen waarin de kunststofschuimen worden gecombineerd met textielstructuren.

Polyurethaanschuimen – kortweg PU-schuimen – spelen een grote rol in ons dagelijks leven, zelfs als we ons er over het algemeen niet van bewust zijn. We zitten en liggen er elke dag op:autostoelen en matrassen, bijvoorbeeld, zijn gemaakt van zacht PU-schuim. Harde PU-schuimen, anderzijds, worden onder andere gebruikt voor isolatiematerialen in gebouwen. Het voorspellen en karakteriseren van de eigenschappen van schuimen is zeer complex – experimentele analyses leiden vaak tot verkeerde parameters.

Betere planning van nieuwe productlijnen

Van bijzonder belang zijn de volgende vragen:Hoe verandert de aanvankelijke vloeistof in schuim? En wat zijn de kenmerken van het gecreëerde schuim? Onderzoekers van het Fraunhofer Instituut voor Industriële Wiskunde ITWM in Kaiserslautern kunnen deze vragen nu betrouwbaar beantwoorden en fabrikanten van PU-schuimproducten een goede karakterisering van de gebruikte polymeren geven, waardoor het voor hen veel gemakkelijker wordt om nieuwe productlijnen te plannen. Dit kan het beste worden uitgelegd aan de hand van een voorbeeld, zoals een autostoeltje. In dit geval, sommige gebieden zijn bedoeld om harder te zijn en andere zachter. Fabrikanten bereiken dit door schuimen met verschillende eigenschappen tegen elkaar te injecteren. Ze gebruiken vloeibare polymeermengsels als uitgangsmaterialen, die in een geschikte mal worden gespoten:een snel maar gecompliceerd chemisch proces begint. Binnen enkele seconden, de twee vloeibare emulsies veranderen in een complex polymeerschuim. Maar hoe schuimen de twee verschillende stoffen precies? Hebben ze de vereiste eigenschappen, en verspreiden ze zich zoals bedoeld in hun juiste zones? "In plaats van te beginnen met chemie en experimenteel alle parameters zoals reactiesnelheden en viscositeit te bepalen in veel onafhankelijke experimenten, we doen twee of drie eenvoudige experimenten – zoals schuimen in bekers, " legt Dr. Konrad Steiner uit, afdelingshoofd bij Fraunhofer ITWM. "We simuleren deze experimenten één op één op de computer.

Deze experimenten dienen om de modelparameters vast te stellen die nodig zijn voor de FOAM-simulatietool, die schuimgedrag berekent op basis van simulaties. De resultaten zijn robuust en betrouwbaar voor de specifieke toepassing." In plaats van elke kenmerkende parameter afzonderlijk in een individueel experiment te bepalen, wat kan leiden tot onnauwkeurige waarden, onderzoekers kunnen nu met minimale inspanning snel betrouwbare gegevens voor het schuimproces verkrijgen.

"Fabrikanten werken meestal met drie of vier verschillende soorten schuim – voor nieuwe producten, ze veranderen over het algemeen alleen de combinatie van schuim en de eindgeometrieën, ", zegt Steiner. Zodra de Fraunhofer-onderzoekers een PU-schuim door simulatie hebben gekarakteriseerd, dit biedt een goed uitgangspunt voor nieuwe producten. Fabrikanten kunnen de schuimgegevens die ze ontvangen in de FOAM-simulatietool invoeren en voor elk nieuw product en elke nieuwe geometrie simuleren hoe de schuimmassa en warmte tijdens het schuimproces moeten worden getransporteerd. In het geval van een autostoeltje, ze kunnen precies uitvinden hoe ze de twee schuimen tegen elkaar kunnen injecteren om op de juiste plaatsen de gewenste zone-eigenschappen te bereiken.

De simulatiemethodologie voor het identificeren van parameters en het simuleren van schuim met de FOAM-tool is vastgesteld, en bij verschillende klanten lopen al verschillende projecten.

Composietmaterialen met PU-schuim

Fabrikanten vertrouwen vaak op PU-schuimen in composietmaterialen, zoals die worden gebruikt voor draagconstructies in auto's, die stabiel en toch licht moet zijn. Hier, andere versterkende materialen zoals textiel zijn geïntegreerd in de schuimen. Terwijl een hardschuimvel kan breken als het wordt gedwongen te buigen, een laken met geïntegreerd textiel kan deze krachten gemakkelijk weerstaan. Het vloeigedrag van de polymeeremulsie verandert, echter, omdat de textielstructuur in de mal hier van nature tegen werkt, leidend tot veranderingen in de dynamiek van schuimvorming en de structuur van het schuim:de bellen worden kleiner, het schuim wordt dichter.

Het onderzoeksteam van Fraunhofer ITWM, samen met collega's van de afdeling Lichtgewicht Constructies en Polymeertechnologie aan de TU Chemnitz, hebben de allereerste simulatie voor composietmaterialen ontwikkeld. "We kunnen de stromingsweerstand berekenen die wordt veroorzaakt door de bijbehorende textielstructuur, dat is een expertise die we al geruime tijd in huis hebben. Vervolgens, we kunnen simuleren hoe schuimvorming plaatsvindt in en rond de textielstructuur, " legt Steiner uit. Fabrikanten moesten voorheen moeizaam testen of het schuimcomposiet de vereiste eigenschappen had - een proces dat weken of zelfs maanden kon duren. de simulatie levert binnen een dag of twee een betrouwbaar resultaat op. De onderzoekers hebben de resultaten al gevalideerd en getest op componenten en vastgesteld dat ze heel goed overeenkomen met de werkelijkheid.