Schaumausdehnung simulieren

Wir simulieren die erwartete Schaumausdehnung durch maschengestrickte Textilien mit unserer Simulationsplattform CoRheoS und vergleichen unsere Ergebnisse mit den experimentell an der TU Chemnitz hergestelleten Proben der Polyurethan-Schäume.

RIM-Verfahren von Polyurethan-Schäumen für die Entwicklung von Verbundmaterialien

Projekt FoamInTextil

Verbundwerkstoffe gelten als stabil und leicht. Textilverstärkte Verbundwerkstoffe aus Polyurethan (PU)-Schäume sind dabei aufgrund ihrer physikalischen und mechanischen Eigenschaften besonders prädestiniert. Mit unserer Simulationsplattform CoRheoS und unserer Software FOAM bilden wir den Formfüllprozess der Schäume ab.

 

PU-Schäume komplex und schwer zu untersuchen

Beim RIM-Prozess (RIM = Reaction Injection Moulding) von PU-Schäumen wird ein Polymergemisch in eine Form gepresst, in der sich das Material nach wenigen Sekunden von einer Emulsion mit niedrigem Molekulargewicht durch Polymerisation zu einem komplexen Polymerschaum entwickelt.

Vergleich der Schaumausdehnung der Probe der TU Chemnitz und der Vorhersage durch CoRheoS
© TU Chemnitz / Fraunhofer ITWM

Ein Vergleich der Schaumausdehnung zeigt die große Übereinstimmung der experimentell erzeugten Probe der TU Chemnitz und unserer Vorhersage durch eine Simulation von CoRheoS.

Die Produktionsphase, die durch Vormischen der Reaktionspartner eingeleitet wird, weist zusammen mit der Entwicklung des Fließverhaltens, der Hitze, Gasbildung und Ausdehnung ein komplexes physikalisches Verhalten auf. Dies macht PU-Schäume extrem schwierig zu untersuchen. Deshalb entwerfen wir mathematische Modelle, die bei der Schaumausdehnung die auftretende Dynamik vorhersagen und wenden diese an, um den Formfüllprozess im Reaktionsspritzguss zu untersuchen.

 

Optimale Simulationswerkzeuge für industrielle Anwendung entwickeln

Mit der Plattform CoRheoS und der Software FOAM führen wir die numerischen Untersuchungen durch. Dabei ermitteln wir die erforderliche Menge an Material, um die Form vollständig zu füllen, und die Verteilung der Schaumanteile im ausgedehnten Material.

Um den Ausdehnungsprozess durch Textilstrukturen, insbesondere Abstandsgewirke, zu untersuchen, ermitteln wir per TexMath – einer von uns entwickelten Software für die Modellierung und Analyse von textilen Materialien – die relevanten Durchlässigkeits-Tensoren. TexMath ermöglicht die Analyse von räumlichen Variationen der Tensoren, die durch ungleichmäßige Kompression entstehen. Die so gewonnenen Daten nutzen wir in FOAM und erweitern damit unsere numerischen Untersuchungen um die Vorhersage der Schaumausdehnung durch maschengestrickte Textilien.

Unsere Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten, die am Lehrstuhl für Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung der TU Chemnitz gewonnen wurden. Wir stellen somit Simulationswerkzeuge für die effiziente industrielle Anwendung bereit, die bei Optimierung, Herstellung und Entwicklung von Verbundwerkstoffen unterstützen.

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.

Unsere Softwarelösungen

Zur Simulation der Formfüllprozesse von Schäumen verwendeten wir folgende Softwarelösungen:

FOAM

Unser FOAM-Löser simuliert den Expansionsprozess von PU-Schäumen und bietet die Möglichkeit, die Schaumbildung und resultierende Schaumdichte in geschlossenen Formen zu berechnen.

TexMath

Die Software befasst sich mit der Modellierung und Simulation von Faserstrukturen sowie technischen Textilien.