FOAM – Simulation von PU-Schäumen

Polyurethan (PU)-Schaumprodukte besitzen verschiedene Leichtbaueigenschaften, die sie für unterschiedlichste Anwendungen attraktiv machen. Sie sind nützlich bei Stoßabsorption, in der Akustik oder auch bei der Wärmedämmung. Besonders Branchen wie die Automobil-, Flugzeug-, Kälte-, Bau- und Verpackungsindustrie profitieren von diesen Merkmalen, um kostengünstigere Produkte zu erhalten.

Unser FOAM-Löser simuliert den Expansionsprozess von PU-Schäumen in beliebigen Geometrien und bietet die Möglichkeit, die Schaumbildung und resultierende Schaumdichte in geschlossenen Formen vorab zu berechnen. Zur Bestimmung der notwendigen Schaumparameter genügen gezielte Steigexperimente in zylindrischen Behältern mit integrierter Temperaturmessung. Darauf basierend werden die Modellparameter ermittelt und direkt zur Simulation komplexer Füllprozesse genutzt.

Simulation von Reaktionsspritzguss-Prozessen (RIM)

Zu den häufig genutzten Prozessen bei der Herstellung bestimmter Leichtbaustrukturen zählt das RIM-Verfahren (Reaction Injection Molding) von PU-Schaumstoffmischungen. Aufgrund ihres geringen Gewichts und der verbesserten physikalisch-mechanischen Eigenschaften sind verstärkte PU-Verbundmaterialien ein guter Ersatz für schwere strukturelle oder mechanische Systeme.

FOAM simuliert den RIM-Infiltrationsprozess mitsamt der PU-Schaumausdehnung durch textile oder allgemeiner poröse Verstärkungsstrukturen (sogenannter Structural-RIM bzw. S-RIM). Komplizierte Anforderungen an die Formfüllung wie Entlüftungspositionen, Einlassposition, das Vermeiden von Gaseinschlüssen in der Form und die zum Füllen des Hohlraums benötigte Materialmenge sind mit FOAM sowohl für RIM als auch für S-RIM vorhersagbar. Die Simulationsplattform ist ein hervorragendes Auslegungs- und Optimierungstool für RIM-Prozesse.

Entwicklung der Fließfront des Schaummaterials
© Fraunhofer ITWM

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

RIM-Prozess eines PU-Schaums mit Abstandsgewirke
© TU Chemnitz

Mit dem RIM-Prozess (Reaction Injection Moulding) wird an der TU Chemnitz ein Polyurethan-Schaum hergestellt.

Die Software-Plattform

  • bietet eine nutzerfreundliche grafische Benutzeroberfläche
  • stellt ein integriertes Vorbearbeitungstool für CAD-3D-Daten bereit
  • automatisiertes Vernetzen der Geometrie 
  • ermöglicht interaktives Postprocessing mittels freier Software im *.vtk-Format 
  • nutzt eine Multicore-Computing-Technologie
  • läuft auf den Betriebssystemen Windows- und Linux

 

Erforderliche Daten für die PU-Schaumsimulation

Auch wenn der Aufschäumprozess von PU-Schaum selbst komplex ist, benötigen wir zum Aufsetzen unserer Simulation nur wenige Informationen, und zwar aus Aufschäumexperimenten in zylindrischen Behältern mit unterschiedlichem Radius. Die minimal erforderlichen Informationen beinhalten:

  • den zeitlichen Ablauf des Volumens des expandierenden Schaums in jedem Behälter
  • die Temperatur des expandierenden Schaums, gemessen an einer bestimmten Stelle im Behälter
  • die Behältergeometrie und andere allgemeine Prozessbedingungen
  • die Viskosität der Polymeremulsion vor dem Aufschäumen

Videos: Simulation von industriellen Aufschäumprozessen

FOAM simuliert:

  • Aufschäumen verschiedener PU-Schäume (Weichschaum, Hartschaum) in komplexen Geometrien
  • Auslegung von Schaumwerkzeugen (Bahnverlauf der Injektionsdüsen, Position der Entlüftung)
  • Prozessauslegung kontinuierlicher Schäumprozesse (Bahnware, Sandwichplatten …)
  • Auslegung textilverstärkter PU-Schaumverbundstrukturen

 

FOAM liefert:

  • Fließdruck, Geschwindigkeit, Temperaturverteilung
  • Lokale Schaumdichte, Aushärtungsgrad, Gasanteil, Ausbreitung der Schaumfront
  • Schaumfrontausbreitung, Imprägnierungsgrad der textilen Verstärkungsstruktur
  • Auslegungshinweise der Bahnverläufe der Injektionsdüsen und der Entlüftungsventile beim Werkzeugdesign

Ein wesentlicher Vorteil der numerischen Simulation industrieller Prozesse ist eine optimierte Produktgestaltung und die Verkürzung der Produktionszeit. So lassen sich mit FOAM beispielsweise die Herstellungsprozesse von Kühlboxen oder von Fahrzeugsitzen optimieren.

Verschiedene Schaummaterial- und Prozessdesignvarianten zur Fertigung von PU-Bauteilen lassen sich mit FOAM vorab bewerten. FOAM simuliert PU-Schaumprozesse im industriellen Maßstab. Die Software ist zudem in der Lage, die Ausdehnung von PU-Schaum in kontinuierlichen Prozessen vorherzusagen, wie beispielsweise bei der Herstellung von Sandwichplatten mit PU-Schaumkern und dient als praktisches Werkzeug für die Prozess- und Produktoptimierung.

Anwendungsbeispiele

 

Forschungsprojekt Technische Textilien

RIM-Verfahren von Polyurethanschäumen

Im Projekt FoamInTextil simulieren wir Formfüllprozesse von Polyurethan-Schäumen für die Entwicklung von Verbundmaterialien.

 

Forschungsprojekt

Komplexe Dynamiken expandierender PU-Schäume

Zusammen mit unseren Partnern der TU Chemnitz entwickelten wir ein Modell, um die komplexen Dynamiken expandierender PU-Schäume vorherzusagen.