Sedili dell'auto, materassi e materiali isolanti sono spesso realizzati in schiume poliuretaniche. Il processo di schiumatura delle emulsioni polimeriche liquide è complesso. I ricercatori Fraunhofer sono ora in grado di simulare il comportamento della formazione di schiuma e caratterizzare in modo affidabile il materiale. Funziona anche con materiali compositi in cui le schiume plastiche sono combinate con strutture tessili.

Le schiume poliuretaniche – in breve le schiume PU – svolgono un ruolo importante nella nostra vita quotidiana, anche se generalmente non ne siamo consapevoli. Ci sediamo e ci sdraiamo ogni giorno:seggiolini per auto e materassi, Per esempio, sono realizzati in morbida schiuma PU. Schiume dure dell'unità di elaborazione, d'altra parte, sono utilizzati tra l'altro per i materiali isolanti negli edifici. Prevedere le proprietà delle schiume e caratterizzarle è molto complesso:le analisi sperimentali spesso portano a parametri errati.

Migliore pianificazione di nuove linee di prodotti

Di particolare interesse sono le seguenti domande:Come si trasforma il liquido iniziale in schiuma? E quali sono le caratteristiche della schiuma creata? I ricercatori del Fraunhofer Institute for Industrial Mathematics ITWM di Kaiserslautern sono ora in grado di rispondere in modo affidabile a queste domande e fornire ai produttori di prodotti in schiuma PU una buona caratterizzazione dei polimeri utilizzati, rendendo molto più facile per loro pianificare nuove linee di prodotti. Questo è meglio spiegato usando un esempio, come un seggiolino per auto. In questo caso, alcune aree sono pensate per essere più dure e altre più morbide. I produttori ottengono ciò iniettando schiume con caratteristiche diverse l'una contro l'altra. Usano miscele di polimeri liquidi come materiali di partenza, che vengono iniettati in un apposito stampo:inizia un processo chimico rapido ma complicato. In pochi secondi, le due emulsioni liquide si trasformano in una complessa schiuma polimerica. Ma come fanno esattamente la schiuma le due diverse sostanze? Hanno le proprietà richieste, e si diffondono come previsto nelle loro zone appropriate? "Invece di iniziare con la chimica e determinare sperimentalmente tutti i parametri come le velocità di reazione e la viscosità in molti esperimenti indipendenti, facciamo due o tre semplici esperimenti – come la schiuma nei bicchieri, " spiega il dottor Konrad Steiner, capo reparto presso Fraunhofer ITWM. "Simuliamo questi esperimenti uno a uno al computer.

Questi esperimenti servono a stabilire i parametri del modello necessari per lo strumento di simulazione FOAM, che calcola il comportamento di schiumatura sulla base di simulazioni. I risultati sono robusti e affidabili per l'applicazione specifica." Invece di determinare ciascun parametro caratterizzante separatamente in un singolo esperimento, che può portare a valori imprecisi, i ricercatori possono ora ottenere rapidamente dati affidabili per il processo di schiumatura con il minimo sforzo.

"I produttori di solito lavorano con tre o quattro schiume diverse:per nuovi prodotti, generalmente cambiano solo la combinazione di schiume e le geometrie finali, " dice Steiner. Una volta che i ricercatori Fraunhofer hanno caratterizzato una schiuma PU attraverso la simulazione, questo fornisce un buon punto di partenza per nuovi prodotti. I produttori possono inserire i dati sulla schiuma che ricevono nello strumento di simulazione FOAM e simulare per ogni nuovo prodotto e ogni nuova geometria come la massa della schiuma e il calore dovrebbero essere trasportati durante il processo di schiumatura. Nel caso di un seggiolino auto, possono scoprire esattamente come iniettare le due schiume l'una contro l'altra per ottenere le proprietà della zona desiderate nei punti giusti.

È stata stabilita la metodologia di simulazione per l'identificazione dei parametri e la simulazione della schiuma con lo strumento FOAM, e diversi progetti sono già in corso con vari clienti.

Materiali compositi con schiume PU

I produttori spesso si affidano a schiume PU in materiali compositi, come quelli utilizzati per le strutture di supporto delle automobili, che deve essere stabile ma leggero. Qui, altri materiali di rinforzo come i tessuti sono integrati nelle schiume. Considerando che un foglio di schiuma rigida potrebbe rompersi se costretto a piegarsi, un lenzuolo con tessuti integrati può resistere facilmente a queste forze. Il comportamento di scorrimento dell'emulsione polimerica cambia, però, poiché la struttura tessile nello stampo agisce naturalmente contro questo, portando a cambiamenti nella dinamica di formazione della schiuma e nella struttura della schiuma:le bolle si riducono, la schiuma diventa più densa.

Il team di ricercatori del Fraunhofer ITWM, insieme ai colleghi del Dipartimento di strutture leggere e tecnologia dei polimeri della TU Chemnitz, hanno sviluppato la prima simulazione in assoluto per i materiali compositi. "Siamo in grado di calcolare la resistenza al flusso causata dalla struttura tessile corrispondente, che è una competenza che possediamo ormai da tempo. Successivamente, possiamo simulare come avviene la formazione di schiuma all'interno e intorno alla struttura tessile, " spiega Steiner. In precedenza i produttori dovevano testare faticosamente se il composito in schiuma aveva le proprietà richieste, un processo che poteva durare settimane o addirittura mesi. Al contrario, la simulazione fornisce un risultato affidabile entro un giorno o due. I ricercatori hanno già convalidato e testato i risultati sui componenti e stabilito che corrispondono molto bene alla realtà.