Sièges de voiture, les matelas et les matériaux d'isolation sont souvent constitués de mousses de polyuréthane. Le processus de moussage des émulsions polymères liquides est complexe. Les chercheurs de Fraunhofer sont désormais capables de simuler le comportement moussant et de caractériser de manière fiable le matériau. Cela fonctionne également avec des matériaux composites dans lesquels les mousses plastiques sont associées à des structures textiles.

Les mousses de polyuréthane – mousses PU en abrégé – jouent un grand rôle dans notre vie de tous les jours, même si nous ne les connaissons généralement pas. Nous nous asseyons et nous nous allongeons dessus tous les jours :sièges auto et matelas, par exemple, sont faits de mousses PU souples. mousses PU dures, d'autre part, sont utilisés entre autres pour les matériaux d'isolation dans les bâtiments. Prédire les propriétés des mousses et les caractériser est très complexe – les analyses expérimentales conduisent souvent à de faux paramètres.

Meilleure planification des nouvelles lignes de produits

Les questions suivantes sont particulièrement intéressantes :Comment le liquide initial se transforme-t-il en mousse ? Et quelles sont les caractéristiques de la mousse créée ? Les chercheurs de l'Institut Fraunhofer de mathématiques industrielles ITWM à Kaiserslautern sont désormais en mesure de répondre de manière fiable à ces questions et de fournir aux fabricants de produits en mousse PU une bonne caractérisation des polymères utilisés, ce qui leur permet de planifier beaucoup plus facilement de nouvelles gammes de produits. Ceci est mieux expliqué en utilisant un exemple, comme un siège auto. Dans ce cas, certaines zones sont censées être plus dures et d'autres plus douces. Les fabricants y parviennent en injectant des mousses aux caractéristiques différentes les unes contre les autres. Ils utilisent des mélanges de polymères liquides comme matières premières, qui sont injectés dans un moule adapté :un processus chimique rapide mais compliqué commence. En quelques secondes, les deux émulsions liquides se transforment en une mousse polymère complexe. Mais comment les deux substances différentes moussent-elles exactement ? Ont-ils les propriétés requises, et se propagent-ils comme prévu dans leurs propres zones ? "Au lieu de commencer par la chimie et de déterminer expérimentalement tous les paramètres tels que les vitesses de réaction et la viscosité dans de nombreuses expériences indépendantes, nous faisons deux ou trois expériences simples - comme la mousse dans des béchers, " explique le Dr Konrad Steiner, chef de service chez Fraunhofer ITWM. « Nous simulons ces expériences une à une sur ordinateur.

Ces expérimentations servent à établir les paramètres du modèle nécessaires à l'outil de simulation FOAM, qui calcule le comportement moussant sur la base de simulations. Les résultats sont robustes et fiables pour l'application spécifique." Au lieu de déterminer chaque paramètre de caractérisation séparément dans une expérience individuelle, ce qui peut conduire à des valeurs imprécises, les chercheurs peuvent désormais obtenir rapidement des données fiables pour le processus de moussage avec un minimum d'effort.

"Les fabricants travaillent généralement avec trois ou quatre mousses différentes - pour les nouveaux produits, ils changent généralement juste la combinaison des mousses et les géométries d'extrémité, " explique Steiner. Une fois que les chercheurs de Fraunhofer ont caractérisé une mousse PU par simulation, cela fournit un bon point de départ pour de nouveaux produits. Les fabricants peuvent saisir les données de mousse qu'ils reçoivent dans l'outil de simulation FOAM et simuler pour chaque nouveau produit et chaque nouvelle géométrie comment la masse de mousse et la chaleur doivent être transportées pendant le processus de moussage. Dans le cas d'un siège auto, ils peuvent découvrir exactement comment injecter les deux mousses l'une contre l'autre pour obtenir les propriétés de zone souhaitées aux bons endroits.

La méthodologie de simulation pour identifier les paramètres et simuler la mousse avec l'outil FOAM a été établie, et plusieurs projets sont déjà en cours avec divers clients.

Matériaux composites avec mousses PU

Les fabricants misent souvent sur les mousses PU en matériaux composites, tels que ceux utilisés pour les structures de support dans les voitures, qui doit être stable mais léger. Ici, d'autres matériaux de renforcement tels que des textiles sont intégrés dans les mousses. Alors qu'une feuille de mousse rigide peut se briser si elle est forcée à se plier, une feuille avec des textiles intégrés peut facilement résister à ces forces. Le comportement d'écoulement de l'émulsion de polymère change, cependant, comme la structure textile dans le moule s'y oppose naturellement, entraînant des modifications de la dynamique de formation de la mousse et de la structure de la mousse :les bulles deviennent plus petites, la mousse devient plus dense.

L'équipe de chercheurs de Fraunhofer ITWM, avec des collègues du Département des structures légères et de la technologie des polymères de la TU Chemnitz, ont développé la toute première simulation pour les matériaux composites. "Nous sommes en mesure de calculer la résistance à l'écoulement provoquée par la structure textile correspondante, qui est une expertise que nous possédons depuis un certain temps déjà. Ensuite, nous pouvons simuler le moussage dans et autour de la structure textile, " explique Steiner. Auparavant, les fabricants devaient tester laborieusement si la mousse composite avait les propriétés requises - un processus qui pouvait durer des semaines, voire des mois. En revanche, la simulation donne un résultat fiable en un jour ou deux. Les chercheurs ont déjà validé et testé les résultats sur les composants et établi qu'ils correspondent très bien à la réalité.