Asientos de carro, los colchones y los materiales aislantes suelen estar hechos de espumas de poliuretano. El proceso de formación de espuma de las emulsiones poliméricas líquidas es complejo. Los investigadores de Fraunhofer ahora pueden simular el comportamiento de la formación de espuma y caracterizar de forma fiable el material. Esto también funciona con materiales compuestos en los que las espumas plásticas se combinan con estructuras textiles.

Las espumas de poliuretano (espumas de PU para abreviar) juegan un papel importante en nuestra vida diaria, incluso si generalmente no somos conscientes de ellos. Nos sentamos y nos acostamos sobre ellos todos los días:asientos de automóvil y colchones, por ejemplo, están hechos de suaves espumas de poliuretano. Espumas duras de PU, por otra parte, se utilizan, entre otras cosas, para materiales aislantes en edificios. Predecir las propiedades de las espumas y caracterizarlas es muy complejo:los análisis experimentales a menudo conducen a parámetros falsos.

Mejor planificación de nuevas líneas de productos

De particular interés son las siguientes preguntas:¿Cómo se transforma el líquido inicial en espuma? ¿Y cuáles son las características de la espuma creada? Los investigadores del Instituto Fraunhofer de Matemáticas Industriales ITWM en Kaiserslautern ahora pueden responder de manera confiable a estas preguntas y proporcionar a los fabricantes de productos de espuma de poliuretano una buena caracterización de los polímeros utilizados, haciéndoles mucho más fácil planificar nuevas líneas de productos. Esto se explica mejor con un ejemplo, como un asiento para el automóvil. En este caso, algunas áreas están destinadas a ser más duras y otras más suaves. Los fabricantes logran esto inyectando espumas con diferentes características entre sí. Usan mezclas de polímeros líquidos como sus materiales de partida, que se inyectan en un molde adecuado:comienza un proceso químico rápido pero complicado. En unos segundos, las dos emulsiones líquidas se transforman en una espuma polimérica compleja. Pero, ¿exactamente cómo hacen espuma las dos sustancias diferentes? ¿Tienen las propiedades requeridas? y ¿se esparcen según lo previsto en sus zonas adecuadas? "En lugar de comenzar con la química y determinar experimentalmente todos los parámetros, como las velocidades de reacción y la viscosidad, en muchos experimentos independientes, hacemos dos o tres experimentos simples, como hacer espuma en vasos de precipitados, "explica el Dr. Konrad Steiner, jefe de departamento de Fraunhofer ITWM. "Simulamos estos experimentos uno a uno en la computadora.

Estos experimentos sirven para establecer los parámetros del modelo necesarios para la herramienta de simulación FOAM, que calcula el comportamiento de la formación de espuma basándose en simulaciones. Los resultados son robustos y fiables para la aplicación específica ". En lugar de determinar cada parámetro de caracterización por separado en un experimento individual, que puede dar lugar a valores imprecisos, Los investigadores ahora pueden obtener rápidamente datos fiables para el proceso de formación de espuma con un mínimo de esfuerzo.

"Los fabricantes suelen trabajar con tres o cuatro espumas diferentes:para productos nuevos, generalmente solo cambian la combinación de espumas y las geometrías de los extremos, "dice Steiner. Una vez que los investigadores de Fraunhofer han caracterizado una espuma de poliuretano mediante simulación, esto proporciona un buen punto de partida para nuevos productos. Los fabricantes pueden ingresar los datos de espuma que reciben en la herramienta de simulación FOAM y simular para cada nuevo producto y cada nueva geometría cómo se debe transportar la masa de espuma y el calor durante el proceso de formación de espuma. En el caso de una silla de auto, pueden averiguar exactamente cómo inyectar las dos espumas una contra la otra para lograr las propiedades de zona deseadas en los lugares correctos.

Se ha establecido la metodología de simulación para la identificación de parámetros y simulación de espuma con la herramienta FOAM, y ya están en marcha varios proyectos con varios clientes.

Materiales compuestos con espumas de PU

Los fabricantes a menudo confían en espumas de poliuretano en materiales compuestos, como los que se utilizan para estructuras de soporte en automóviles, que debe ser estable pero ligero. Aquí, otros materiales de refuerzo, como los textiles, se integran en las espumas. Mientras que una hoja de espuma rígida podría romperse si se la obliga a doblarse, una hoja con tejidos integrados puede resistir fácilmente estas fuerzas. El comportamiento de flujo de la emulsión polimérica cambia, sin embargo, como la estructura textil en el molde actúa naturalmente contra esto, que conduce a cambios en la dinámica de formación de espuma y la estructura de la espuma:las burbujas se hacen más pequeñas, la espuma se vuelve más densa.

El equipo de investigadores de Fraunhofer ITWM, junto con colegas del Departamento de Estructuras Ligeras y Tecnología de Polímeros en TU Chemnitz, han desarrollado la primera simulación de materiales compuestos. "Somos capaces de calcular la resistencia al flujo provocada por la estructura textil correspondiente, que es una experiencia que poseemos desde hace algún tiempo. Después, podemos simular cómo se forma la espuma dentro y alrededor de la estructura textil, "explica Steiner. Anteriormente, los fabricantes tenían que probar laboriosamente si el compuesto de espuma tenía las propiedades requeridas, un proceso que podría durar semanas o incluso meses. Por el contrario, la simulación da un resultado confiable en uno o dos días. Los investigadores ya han validado y probado los resultados en los componentes y han establecido que coinciden muy bien con la realidad.