{"id":9749,"date":"2018-11-02T11:28:03","date_gmt":"2018-11-02T10:28:03","guid":{"rendered":"https:\/\/php8.plastv.de\/?p=9749"},"modified":"2018-11-02T11:28:03","modified_gmt":"2018-11-02T10:28:03","slug":"polyurethan-schaeume-zuverlaessig-simulieren","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/plas.tv\/?p=9749","title":{"rendered":"Polyurethan-Sch\u00e4ume zuverl\u00e4ssig simulieren"},"content":{"rendered":"
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Autositze, Matratzen und D\u00e4mmstoffe bestehen oftmals aus Polyurethan-Sch\u00e4umen. Der Aufsch\u00e4umprozess der fl\u00fcssigen Polymer-Emulsionen ist komplex. Fraunhofer-Forscherinnen und Forscher k\u00f6nnen das Aufsch\u00e4umverhalten nun simulieren und das Material verl\u00e4sslich charakterisieren. Dies funktioniert auch mit Verbundwerkstoffen, bei denen die Kunststoff-Sch\u00e4ume mit Textilstrukturen kombiniert werden.<\/b><\/p>\n

Polyurethan-Sch\u00e4ume oder kurz PU-Sch\u00e4ume spielen eine gro\u00dfe Rolle in unserem Alltag \u2013 auch wenn wir uns dessen nicht bewusst sind. Doch wir sitzen und liegen t\u00e4glich darauf: So bestehen Autositze und Matratzen beispielsweise aus weichen PU-Sch\u00e4umen. Harte PU-Sch\u00e4ume setzt man dagegen unter anderem f\u00fcr D\u00e4mmstoffe in Geb\u00e4uden ein. Die Eigenschaften von Sch\u00e4umen vorherzusagen und sie zu charakterisieren ist sehr komplex \u2013 experimentelle Untersuchungen f\u00fchren vielfach zu falschen Parametern.<\/p>\n

Neue Produktlinien besser planen<\/h4>\n

Interessant ist vor allem die Frage: Wie setzt sich die anf\u00e4ngliche Fl\u00fcssigkeit in Schaum um? Und wie ist es um die Eigenschaften des entstehenden Schaumes bestellt? Forscherinnen und Forscher vom Fraunhofer-Institut f\u00fcr Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern k\u00f6nnen diese Fragen nun zuverl\u00e4ssig beantworten und Herstellern von PU-Schaum-Produkten eine gute Charakterisierung der verwendeten Polymere an die Hand geben \u2013 was die Planung neuer Produktlinien deutlich erleichtert.<\/p>\n

Am besten l\u00e4sst sich dies an einem Beispiel erl\u00e4utern, etwa einem Autositz. In diesem sollen einige Zonen fester sein, andere wiederum weicher. Um dies zu erreichen, spritzen die Hersteller verschiedene Sch\u00e4ume mit unterschiedlichen Eigenschaften gegeneinander. Als Ausgangssubstanzen dienen ihnen dabei fl\u00fcssige Polymergemische, die in eine entsprechende Form eingespritzt werden. Nun beginnt ein schneller, jedoch komplizierter chemischer Prozess: Innerhalb weniger Sekunden verwandeln sich die beiden fl\u00fcssigen Emulsionen in einen komplexen Polymerschaum. Doch wie sch\u00e4umen die beiden verschiedenen Substanzen genau aus? Haben sie die gew\u00fcnschten Eigenschaften, und verteilen sie sich wie vorgesehen in die Zonen? \u00bbStatt wie bisher bei der Chemie anzusetzen und alle Parameter wie Reaktionsraten und Viskosit\u00e4t experimentell in vielen unabh\u00e4ngigen Experimenten zu bestimmen, machen wir zwei, drei einfache Experimente \u2013 etwa das Aufsch\u00e4umen im Becherglas\u00ab, erl\u00e4utert Dr. Konrad Steiner, Abteilungsleiter am Fraunhofer ITWM. \u00bbDiese Experimente simulieren wir eins zu eins im Rechner. Diese bilden die Basis zur Ermittlung der notwendigen Modellparameter, die zum Berechnen des Aufsch\u00e4umverhaltens n\u00f6tig sind. Die darauf basierenden Simulationen mit dem Simulationstool FOAM sind robust und die Ergebnisse f\u00fcr den Anwendungsfall verl\u00e4sslich.\u00ab Ergo: Statt wie bisher jeden charakterisierenden Para-meter einzeln in einem Experiment bestimmen zu m\u00fcssen \u2013 und dann Werte zu erhalten, die ungenau sein k\u00f6nnen \u2013 erhalten die Forschenden in kurzer Zeit und mit wenig Aufwand verl\u00e4ssliche Daten f\u00fcr den Aufsch\u00e4umprozess.<\/p>\n

\u00bbDie Hersteller nutzen \u00fcblicherweise drei oder vier unterschiedliche Sch\u00e4ume \u2013 bei neuen Produkten \u00e4ndern sich meist nur die Kombination der Sch\u00e4ume und die End-Geometrien\u00ab, sagt Steiner. Haben die Fraunhofer-Forscher einen PU-Schaum \u00fcber ihre Simulation einmal charakterisiert, ist eine gute Basis f\u00fcr neue Produkte gelegt: Die Hersteller k\u00f6nnen die erhaltenen Schaumdaten in das Simulationstool FOAM eingeben und auf diese Weise f\u00fcr jedes neue Produkt und jede neue Geometrie simulieren, wie die Massen und die W\u00e4rme beim Aufsch\u00e4umen transportiert werden. Sie k\u00f6nnen also beispielsweise genau herausfinden, wie sie die beiden Sch\u00e4ume gegeneinander spritzen m\u00fcssen, um die verschiedenen Zonen im Sitz an den gew\u00fcnschten Stellen zu erhalten. Die Simulationsmethodik zur Parameteridentifikation und Schaumsimulation mit FOAM ist etabliert, es laufen bereits mehrere Projekte mit verschiedenen Kunden.<\/p>\n

Verbundwerkstoffe mit PU-Sch\u00e4umen<\/h4>\n

Auch bei Verbundwerkstoffen setzen Hersteller vielfach auf PU-Sch\u00e4ume \u2013 etwa f\u00fcr Tr\u00e4gerstrukturen im Auto, die zum einen stabil, zum anderen leicht sein sollen. Dazu integrieren sie Verst\u00e4rkungsstrukturen wie Textilien in die Sch\u00e4ume. Das Ergebnis: W\u00fcrde eine Hartschaumplatte etwa bei einer Verbiegung bereits brechen, h\u00e4lt die Platte mit integriertem Textil problemlos stand. Durch das Textil in der Form ver\u00e4ndert sich allerdings das Str\u00f6mungsverhalten der Polymer-Emulsion, schlie\u00dflich bildet die Textilstruktur einen Widerstand. Damit \u00e4ndert sich auch die Dynamik der Schaumbildung und die Struktur des Schaums: Die Blasen werden kleiner, der Schaum dichter.<\/p>\n

Das Forscherteam des Fraunhofer ITWM hat erstmalig eine Simulation f\u00fcr Verbundmaterialien entwickelt, gemeinsam mit den Kollegen am Lehrstuhl f\u00fcr Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung der TU Chemnitz. \u00bbDen Str\u00f6mungswiderstand, den die entsprechende Textilstruktur hervorruft, k\u00f6nnen wir ausrechnen \u2013 das ist eine Expertise, die wir schon lange haben. Anschlie\u00dfend k\u00f6nnen wir das Aufsch\u00e4umen in und um die Textilstruktur simulieren\u00ab, erkl\u00e4rt Steiner. Bisher mussten Hersteller m\u00fchsam ausprobieren, ob der erhaltene Schaumverbund die gew\u00fcnschten Eigenschaften hat \u2013 was durchaus mehrere Wochen oder gar Monate dauern kann. Die Simulation dagegen wartet bereits nach ein bis zwei Tagen mit einem verl\u00e4sslichen Ergebnis auf. Die Forscher haben sie bereits an Bauteilen validiert und \u00fcberpr\u00fcft. Die Ergebnisse stimmen sehr gut mit der Realit\u00e4t \u00fcberein.<\/p>\n

Quelle: Fraunhofer<\/p>\n<\/div>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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