Polyurethanschäume

Inspiriert durch das große Anwendungspotenzial von Polyurethanschäumen (PU) z.B. in der Luft- und Raumfahrtindustrie oder wie hier im Bild bei Isoliermaterial, befassen wir uns mit Forschungsaktivitäten rund um reaktives Spritzgießen (RIM Prozess) expandierender Polyurethanschäume.

Simulation des reaktiven Spritzgießens von Polyurethanschäumen

Im RIM-Prozess von PU-Schäumen wird ein strukturviskos reagierendes Polymergemisch von geeigneten Isocyanaten und Polyolgruppen in eine Form eingepresst, in der sich das Material nach wenigen Sekunden von einer Emulsion mit niedrigem Molekulargewicht durch Polymerisation zu einem komplexen Polymerschaum entwickelt.

Im Allgemeinen hängen die finale Struktur und die Merkmale expandierender PU-Schäume stark von sich entwickelnden Materialeigenschaften der Reaktionspartner ab, die zur Herstellung dieser Schäume verwendet wurden. Beispielsweise weist die Mischungsviskosität chemo-rheologisches Materialverhalten auf, d. h. es ändert sich diese in Verteilung und Zeit je nach Aushärtungsgrad und Temperatur des Schaumsystems.

Komplexe Dynamiken vorherzusagen

Im mathematischen Sinne bewirkt dieses Verhalten eine Kopplung zwischen Viskosität, Polymerisierungsgrad und Temperatur. Mit dieser Form der Kopplung ist es schwierig, zugehörige Modellparameter analytisch zu bewerten. Obwohl die chemischen Eigenschaften der reaktiven PU-Schäume gut dokumentiert sind, ist eine adäquate mathematische Beschreibung der komplexen Dynamiken im RIM-Verfahren immer noch Ziel der heutigen Forschung.


Zusammen mit unseren Kooperationspartnern vom FB Maschinenbau der TU Chemnitz, die alle relevanten experimentellen Versuche im MERGE-Projekt über Leichtbaustrukturen durchführten, haben wir ein geeignetes Modell entwickelt, um die komplexen Dynamiken expandierender PU-Schäume vorherzusagen. Außerdem können wir mit unserer eigenen numerischen Simulationsplattform CoRheoS das Strömungsverhalten und andere physikalisch relevante Strömungsvariablen prognostizieren, die zur Beschreibung des Ausdehnungsprozesses nötig sind.

Die Ergebnisse unserer Simulationen liefern eine genaue Beschreibung des Massen- und Wärmetransports beim Aufschäumen im Experiment. Der Vergleich mit den experimentell ermittelten Daten zeigt eine sehr gute qualitative sowie quantitative Übereinstimmung.

Entwicklung der Fließfront des Schaummaterials
© Foto ITWM

Entwicklung der Fließfront des Schaummaterials im Zylinder nach 100 s, 150 s und 200 s: Ergebnisse aus Simulation (oben) und praktischen Versuchen (unten).

Temperatur im Zylinder
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Zeitentwicklung der Temperatur im Zylinder

Vergleich der Drehmomentmessung
© Foto ITWM

Vergleich der Drehmomentmessung (M) des Versuches mit dem Ergebnis unserer Simulation.