Simulationsmodell für Aufschäumreaktion entwickelt

Polyurethan(PUR)-Schaumstoff begeg­net im All­tag auf viel­fäl­ti­ge Wei­se: in Pols­ter­stüh­len, Matrat­zen, als Dämm­stoff und sogar als Bau­ma­te­ri­al. Die Her­stel­lung der Schäu­me gilt in Exper­ten­krei­sen als kom­plex. Ver­läss­li­che Simu­la­tio­nen der che­mi­schen Auf­schä­um­re­ak­ti­on sind rar. Das ändert sich nun, denn ein For­schungs­team der Tech­ni­schen Uni­ver­si­tät Chem­nitz kom­bi­nier­te Schaum und Tex­til als zukunfts­wei­sen­den Mate­ri­al­mix mit her­aus­ra­gen­den Eigen­schaf­ten für den Leicht­bau in einem spe­zi­el­len Fer­ti­gungs­ver­fah­ren. Dafür ent­wi­ckel­ten sie erst­mals gemein­sam mit einem Team des Fraun­ho­fer-Insti­tuts für Tech­no- und Wirt­schafts­ma­the­ma­tik (ITWM) Kai­sers­lau­tern das Simu­la­ti­ons-Tool „FOAM“.

Dank der Soft­ware „FOAM“ kön­nen die For­schen­den nun das Auf­schäum­ver­hal­ten kon­kret simu­lie­ren und somit auch das ent­ste­hen­de Mate­ri­al ver­läss­lich cha­rak­te­ri­sie­ren. Für die Her­stel­ler von PUR-Schäu­men bedeu­tet das in kur­zer Zeit und mit wenig Auf­wand ver­läss­li­che Aus­sa­gen über neue Pro­duk­te – noch vor deren eigent­li­cher Fer­ti­gung – tref­fen zu kön­nen.

Bahnbrechender Erfolg

So gelang den Wis­sen­schaft­lern und Wis­sen­schaft­le­rin­nen der Stif­tungs­pro­fes­sur Tex­ti­le Kunst­stoff- und Hybrid­ver­bun­de (TKV) inner­halb der Pro­fes­sur Struk­tur­leicht­bau und Kunst­stoff­ver­ar­bei­tung (SLK) der TU Chem­nitz ein bahn­bre­chen­der Erfolg: Sie ent­wi­ckel­ten neu­ar­ti­ge Werk­stoff­ver­bun­de aus PUR-Schaum mit inte­grier­ten Tex­ti­li­en, soge­nann­ten „Abstands­ge­wir­ken“. Die­se bestehen aus zwei tex­ti­len Flä­chen, die von senk­recht ange­ord­ne­ten soge­nann­ten „Mono­fi­len“ aus Poly­es­ter, ein ein­fä­di­ges Garn, auf einer bestimm­ten Distanz zuein­an­der gehal­ten wer­den. Durch die­sen Auf­bau wer­den die tex­ti­len Flä­chen um die drit­te Dimen­si­on erwei­tert – häu­fig auch als „3D-Gewir­ke“ bezeich­net. „Unser Ziel war es, den Schaum­stoff 3D-end­los mit tex­ti­len Abstand­ge­wir­ken zu ver­stär­ken und des­sen Fer­ti­gung zu opti­mie­ren“, erläu­tert Kay Schä­fer vom Chem­nit­zer SLK-Lehr­stuhl. Bis­her sei­en nur 2D-Ver­stär­kun­gen üblich, doch die neue Kom­bi­na­ti­on bie­te bes­se­re mecha­ni­sche Eigen­schaf­ten, eine höhe­re Fes­tig­keit und Stei­fig­keit sowie eine bes­se­re Scha­dens­to­le­ranz, zählt Schä­fer auf.
Die Pro­fes­sur SLK führ­te die expe­ri­men­tel­len Unter­su­chun­gen zur Cha­rak­te­ri­sie­rung der che­mi­schen Reak­ti­on und Schaum­aus­brei­tung durch. Das Fraun­ho­fer-Insti­tut war für den mathe­ma­ti­schen Hin­ter­grund des geschaf­fe­nen Simu­la­ti­ons-Tools ver­ant­wort­lich.

Optimierung des Herstellungsverfahrens mit Simulations-Software

Der Fokus der Arbei­ten der Chem­nit­zer Stif­tungs­pro­fes­sur TKV und des Fraun­ho­fer ITWM lag auf der Ent­wick­lung und Simu­la­ti­on des spe­zi­el­len Fer­ti­gungs­ver­fah­rens. Bei die­sem wer­den die Che­mi­ka­li­en Poly­iso­cya­nat und Polyol­for­mu­lie­rung über Schläu­che in einen Misch­kopf gelei­tet und von dort in ein Form­werk­zeug ein­ge­spritzt. Die­ses ent­hält bereits ein tex­ti­les Abstands­ge­wir­ke aus Poly­es­ter-Fasern. Im Werk­zeug reagie­ren die bei­den Flüs­sig­kei­ten mit­ein­an­der. Dabei ent­ste­hen ein ver­netz­ter Kunst­stoff sowie Koh­len­stoff­di­oxid, wel­ches den Kunst­stoff auf­schäumt. Das ein­ge­leg­te Tex­til bil­det zugleich einen Wider­stand, was Aus­wir­kun­gen auf die Schaum­bil­dung und die Schaum­struk­tur hat. Das heißt kon­kret: Die Bla­sen wer­den klei­ner, der Schaum dich­ter. Das Abstands­ge­wir­ke wird voll­stän­dig vom Schaum infil­triert und ver­leiht so der gefer­tig­ten Struk­tur ihre prä­gnan­ten Fes­tig­keits- und Stei­fig­keits­ei­gen­schaf­ten. Kay Schä­fer: „Je nach Art und Här­te der Schäu­me und Abstand­ge­wir­ke kön­nen die Mate­ri­al­ver­bun­de sehr unter­schied­lich gestal­tet wer­den und sind damit für viel­fäl­ti­ge Anwen­dun­gen mit unter­schied­lichs­ten Eigen­schaf­ten geeig­net.“

Neue Anwendungsfelder dank textiler Verstärkung

PUR-Hart­schaum­stof­fe bre­chen sprö­de, wenn es zur ent­spre­chen­den Belas­tung kommt. Dank der tex­ti­len Ver­stär­kung ver­for­men sie sich nun ledig­lich, bre­chen aber nicht mehr. Dadurch ent­ste­hen völ­lig neue Anwen­dungs­fel­der, bei­spiels­wei­se fin­det der Mate­ri­al­ver­bund Ein­satz im Auto­mo­bil­sek­tor: „Für einen Fahr­zeug­sitz dient der Schaum dann nicht mehr als Pols­te­rung, son­dern als fes­ter und stei­fer Kern in einer soge­nann­ten Sand­wich­struk­tur, also einem geschich­te­ten Mate­ri­al­ver­bund“, erklärt For­scher Jonas Stil­ler. Der­ar­ti­ge Schaum-Tex­til-Trag­struk­tu­ren für beweg­te Bau­tei­le fin­den bereits Anwen­dung in Pro­jek­ten, die die Chem­nit­zer For­scher und For­sche­rin­nen mit Indus­trie­part­nern für Leicht­bau-Anwen­dun­gen bear­bei­ten.