Bilsäten, madrasser och isoleringsmaterial är ofta gjorda av polyuretanskum. Skumningsprocessen för de flytande polymeremulsionerna är komplex. Fraunhofer-forskare kan nu simulera skumbeteendet och på ett tillförlitligt sätt karakterisera materialet. Detta fungerar även med kompositmaterial där plastskummet kombineras med textila strukturer.

Polyuretanskum – förkortat PU-skum – spelar en stor roll i vår vardag, även om vi i allmänhet inte är medvetna om dem. Vi sitter och ligger på dem varje dag:bilbarnstolar och madrasser, till exempel, är gjorda av mjukt PU-skum. Hårda PU-skum, å andra sidan, används bland annat för isoleringsmaterial i byggnader. Att förutsäga egenskaperna hos skum och karakterisera dem är mycket komplicerat – experimentella analyser leder ofta till falska parametrar.

Bättre planering av nya produktlinjer

Av särskilt intresse är följande frågor:Hur omvandlas den initiala vätskan till skum? Och vad är egenskaperna hos det skapade skummet? Forskare vid Fraunhofer Institute for Industrial Mathematics ITWM i Kaiserslautern kan nu på ett tillförlitligt sätt svara på dessa frågor och ge tillverkare av PU-skumprodukter en bra karaktärisering av de polymerer som används, vilket gör det mycket lättare för dem att planera nya produktlinjer. Detta förklaras bäst med ett exempel, till exempel en bilbarnstol. I detta fall, vissa områden är menade att vara hårdare och andra mjukare. Tillverkarna uppnår detta genom att injicera skum med olika egenskaper mot varandra. De använder flytande polymerblandningar som utgångsmaterial, som injiceras i en lämplig form:en snabb men komplicerad kemisk process börjar. Inom några sekunder de två flytande emulsionerna omvandlas till ett komplext polymerskum. Men exakt hur skummar de två olika ämnena? Har de de egenskaper som krävs, och sprider de sig som avsett till sina rätta zoner? "Istället för att börja med kemi och experimentellt bestämma alla parametrar som reaktionshastigheter och viskositet i många oberoende experiment, vi gör två eller tre enkla experiment – ​​som att skumma i bägare, " förklarar Dr. Konrad Steiner, avdelningschef på Fraunhofer ITWM. "Vi simulerar dessa experiment en till en på datorn.

Dessa experiment tjänar till att fastställa modellparametrarna som behövs för FOAM-simuleringsverktyget, som beräknar skumbeteende baserat på simuleringar. Resultaten är robusta och tillförlitliga för den specifika applikationen." Istället för att bestämma varje karakteristisk parameter separat i ett individuellt experiment, vilket kan leda till oprecisa värderingar, forskare kan nu snabbt få tillförlitliga data för skumningsprocessen med ett minimum av ansträngning.

"Tillverkare arbetar vanligtvis med tre eller fyra olika skum - för nya produkter, de ändrar vanligtvis bara kombinationen av skum och ändgeometrierna, " säger Steiner. När Fraunhofer-forskarna väl har karakteriserat ett PU-skum genom simulering, detta ger en bra utgångspunkt för nya produkter. Tillverkare kan mata in skumdata de får i FOAM-simuleringsverktyget och simulera för varje ny produkt och varje ny geometri hur skummassan och värmen ska transporteras under skumningsprocessen. När det gäller en bilbarnstol, de kan ta reda på exakt hur de två skummet ska injiceras mot varandra för att uppnå önskade zonegenskaper på rätt ställen.

Simuleringsmetodiken för att identifiera parametrar och simulera skum med FOAM-verktyget har fastställts, och flera projekt är redan igång med olika kunder.

Kompositmaterial med PU-skum

Tillverkare förlitar sig ofta på PU-skum i kompositmaterial, som de som används för stödkonstruktioner i bilar, som måste vara stabil men ändå lätt. Här, andra förstärkningsmaterial såsom textilier är integrerade i skummet. Medan en styv skumskiva kan gå sönder om den tvingas böjas, ett ark med integrerade textilier klarar lätt dessa krafter. Flödesbeteendet hos polymeremulsionen ändras, dock, eftersom textilstrukturen i formen naturligt verkar mot detta, vilket leder till förändringar i skumbildningens dynamik och skummets struktur:bubblorna blir mindre, skummet blir tätare.

Forskarteamet vid Fraunhofer ITWM, tillsammans med kollegor från institutionen för lätta strukturer och polymerteknologi vid TU Chemnitz, har utvecklat den första simuleringen någonsin för kompositmaterial. "Vi kan beräkna flödesmotståndet som orsakas av motsvarande textilstruktur, vilket är en expertis som vi har haft ett tag nu. Senare, vi kan simulera hur skumning sker i och runt textilstrukturen, " förklarar Steiner. Tillverkare har tidigare varit tvungna att mödosamt testa om skumkompositen hade de egenskaper som krävs – en process som kan pågå i veckor eller till och med månader. simuleringen ger ett tillförlitligt resultat inom en dag eller två. Forskarna har redan validerat och testat resultaten på komponenter och konstaterat att de stämmer mycket väl överens med verkligheten.