Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM
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Simulation von PU-Schäumen. Kühlbox.
© iStockphoto/Fraunhofer ITWM
Simulation von PU-Schäumen. Kühlbox.

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Digitaler Zwilling FOAM: Multiskalen-Simulationskette für Schaumstoff-Komponenten

Simulation von Schaumstoff

Schaumprodukte besitzen verschiedene Leichtbaueigenschaften, die sie für unterschiedlichste Anwendungen attraktiv machen. Sie kommen zum Beispiel zum Einsatz bei Stoßabsorption, in der Akustik oder auch in der Wärmedämmung. Besonders Branchen wie die Automobil-, Flugzeug-, Kälte-, Bau- und Verpackungsindustrie profitieren von den Merkmalen, um kostengünstigere Produkte zu erhalten.

Der digitale Zwilling FOAM ermöglicht das vollständige Digitalisieren der Entwicklungs-, Konstruktions- und Fertigungsprozesse von Schaum-Komponenten – unter Berücksichtigung der lokalen Schaumeigenschaften.

Digitaler Zwilling FOAM: Die Simulationskette von Schaumkomponenten.
© Fraunhofer ITWM
Digitaler Zwilling FOAM: Die Simulationskette von Schaumkomponenten.

Überblick über den Prozess der Simulationskette: Schaumstoff simulieren 

Der digitale Zwilling FOAM für Schaumstoff-Komponenten beginnt mit der Simulation des Reaction Injection Molding (RIM)-Prozesses mit unserer Software FOAM, um die lokale Dichte und Porengrößenverteilung des Schaumstoffbauteils zu bestimmen.

Auf der Grundlage der FOAM-Ergebnisse wird eine Schaumstoffdatenbank für verschiedene Dichten und Porengrößen dynamisch erstellt. Dieser Schritt stützt sich auf Mikrostruktursimulationen, die mit FeelMath durchgeführt werden. Abschließend werden alle Ergebnisse aus FOAM und FeelMath automatisch in einer Datenbank zusammengeführt, um das belastungsgerechte mechanische Bauteildesign der Schaum-Komponenten optimal auszulegen, inklusibe einer erweiterten FE-Simulation unter Berücksichtigung von Materialeigenschaften und Prozessbedingungen.

Wir bieten:

  • Thermomechanische Mehrskalensimulation von Schaumstoff-Komponenten  
  • Auslegung von Schäumungsprozessen
  • Mikrostrukturelle Materialoptimierung für spezifische Schaumstoff-Komponenten
  • Simulationsgestütztes funktionales Design von Schaumstoff-Komponenten in Bezug auf die Materialeigenschaften und/oder den Schaumstoffherstellungsprozess

FOAM-Simulation von Reaktionsspritzgießprozessen von Schäumen

Unsere Software FOAM simuliert den Ausdehnungsprozess von Schaumstoffen in beliebigen Geometrien und bietet die Möglichkeit, den Schaumbildungsprozess sowie die resultierende Schaumdichte in geschlossenen Formen im Voraus zu berechnen. Das heißt, FOAM simuliert sowohl den Reaction Injection Molding (RIM) Prozess von Schaumstoffen als auch deren Expansion durch poröse textile Verstärkungsstrukturen.

Mit FOAM können komplizierte Anforderungen an die Formfüllung vorhergesagt werden wie z.B.:

  • Entlüftungsstellen
  • Position des Einlasses
  • die zum Füllen des Hohlraums erforderliche Materialmenge
  • die Notwendigkeit, den Einschluss von Gas in der Form zu vermeiden

Simulation von Schaumstoff am Beispiel einer Kühlbox

Wir bieten:

  • Schäumen von verschiedenen Schaumstoffen (Polyurethan-PU, Weichschaum, Hartschaum) in komplexen Geometrien
  • Simulationsgestützte Auslegung von Schaumwerkzeugen (Platzierung oder Verlauf von Einspritzdüsen, Position der Entlüftung, Neigungswinkel)
  • Prozessauslegung von Schäumprozessen für Isolationsbauteile, Sandwichplatten, Sitze etc.
  • Prozessauslegung von textilverstärkten PU-Schaum-Leichtbaustrukturen

Simulation von Schaumstoff am Beispiel Autositz

Unsere Software FOAM:

  • umfasst eine benutzungsfreundliche grafische Oberfläche
  • bietet ein integriertes Vorverarbeitungswerkzeug für CAD-3D-Daten
  • ermöglicht interaktives Postprocessing mit freier Software im *.vtk-Format
  • nutzt Multicore-Computertechnologie und läuft auf Windows- und Linux-Betriebssystemen
  • umfasst automatisierte Parameteridentifikation von rheologischen Informationen aus Schäumungsexperimenten

FeelMath: Mikrostruktursimulation von Schäumen

Mit der Mikrostruktursimulationstechnik ist es möglich, die effektiven mechanischen, thermischen und akustischen Eigenschaften von Schäumen zu berechnen. FeelMath ist ein extrem schnelles und einfach zu bedienendes Analysewerkzeug für die Berechnung der effektiven mechanischen und thermischen Eigenschaften von Mikrostrukturen, die durch Volumenbilder (µCT) oder analytische Beschreibungen (Schaummodelle) gegeben sind. Mit FeelMath können wir Vollfeldsimulationen an repräsentativen Elementarvolumina von Schäumen für verschiedene Dichten und Porengrößen durchführen, um effektive Materialmodelle für die Multiskalensimulation von Schaumkomponenten zu erhalten.

Unsere Software FeelMath bietet:

  • Berechnung der effektiven mechanischen, thermischen und akustischen Materialeigenschaften von Schaumstoffen
  • Simulation der Schaumstoffkompression
  • Virtuelles Materialdesign und Optimierung von Schäumen (PU, Weichschaum, Hartschaum, metallische Schäume)
  • Multiskalenkopplung über Schnittstellen zu CAE-Tools (ABAQUS, ANSYS)
FeelMath – Mikrostruktursimulation von Schäumen (FOAM)
© Fraunhofer ITWM
Mikrostruktursimulation von Schäumen mit FeelMath: Deformierte Mikrostruktur und lokale Spannungen mitteldichte Struktur.
FeelMath – Mikrostruktursimulation von Schäumen (FOAM)
© Fraunhofer ITWM
Mikrostruktursimulation von Schäumen mit FeelMath: Deformierte Mikrostruktur und lokale Spannungen dichte Struktur.

Anwendungsbeispiele

 

© Audi / Fraunhofer ITWM

Simulation der PU-Schaumexpansion beim reaktiven Spritzgießen von Autositzen

Gemeinsames Projekt in Zusammenarbeit mit Fehrer Automotive und Audi bei dem FOAM zum Einsatz kommt und weiterentwickelt wird.

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© TU Chemnitz

Forschungsprojekt Technische Textilien

RIM-Verfahren von Polyurethanschäumen

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

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© iStockphoto

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. 

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