Wie Eigenschaften von PU-Schäumen vorhersagbar werden

Der Reaktivkunststoff Polyurethan wird hauptsächlich zu Schäumen verarbeitet. Anwendungen wie Polster für Möbel oder thermische Isolationskomponenten werden weitestgehend von kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) hergestellt. Wichtiger Faktor beim Bewerten der Qualität dieser Bauteile ist die Schaummorphologie, die direkten Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften hat. Die Qualitätssicherung verursacht vor allem für KMU teils erhebliche Kosten. Zur Durchführung müssen Prüfmaschinen angeschafft werden, die von geschultem Personal bedient werden müssen, oder es muss auf Dienstleister zurückgegriffen werden. Neben den entstehenden Kosten stellt vor allem der Zeitaufwand für das Durchführen der Prüfungen eine große Herausforderung für die Hersteller von PUR-Bauteilen dar. Da aktuelle Materialmodelle die reale Schaummorphologie nicht mit in ihre Berechnungsgrundlage einbeziehen, können Bauteileigenschaften nur unzureichend vorhergesagt werden.

In einem im April 2021 gestarteten IGF-Forschungsvorhaben verfolgen Wissenschaftler des Instituts für Kunststoffverarbeitung (IKV) das Ziel eine Systematik zu entwickeln, die das halbempirische Materialmodell von Gibson-Ashby mit der real auftretenden Schaummorphologie verknüpft. Damit wird die genauere Vorhersage der mechanischen und physikalischen Eigenschaften des Schaumstoffes unter Einbeziehung der Eigenschaften des Matrixmaterials ermöglicht. Um einen objektiven nachgeschalteten Qualitätssicherungsprozess zu implementieren, wird eine neue Methode zur einfachen Qualitätssicherung bei geschäumten Bauteilen entwickelt. Diese Vorhersage soll in der Qualitätssicherung genutzt werden, um Ausschussbauteile zu identifizieren. Dieses Vorgehen spart im Vergleich zu bisherigen Qualitätssicherungsmethoden Kosten ein.

Im Forschungsprojekt wird eine umfassende Untersuchung der realen Schaummorphologie von unterschiedlichen Polyurethanschäumen durchgeführt. Mithilfe moderner Bildanalyse- und Bildverarbeitungstechniken werden detaillierte Informationen über die Zellstruktur, die Zellgröße, die Zellverteilung und andere morphologische Merkmale erfasst. Diese gewonnenen Daten werden in Verbindung mit den Eigenschaften der Polyurethanschäume analysiert. Die Schaummorphologie wird hierbei gezielt variiert, um den Einfluss auf die Eigenschaften des Bauteils zu quantifizieren. Durch die Anwendung statistischer Modelle und maschineller Lernalgorithmen, die am IKV erarbeitet wurden, wird eine Systematik entwickelt, die es ermöglicht, die Eigenschaften der Schäume vorherzusagen, basierend auf ihrer spezifischen Schaummorphologie.
Um eine genaue Vorhersage der mechanischen Eigenschaften zu erreichen, wird der Bauteilquerschnitt in einzelne Segmente unterteilt (Bild). Die lokalen mechanischen Eigenschaften werden mit Hilfe der Schaummorphologie und dem ausgewählten Materialmodell bestimmt. Die Eigenschaften der Segmente werden anschließend mit dem Superpositionsprinzip auf Bauteilmaßstab zusammengeführt und auf diese Weise die mechanischen Eigenschaften des gesamten Bauteils vorhergesagt.
Die entwickelte Systematik wird Herstellern von Schaumstoffprodukten ermöglichen, eine effiziente und kostengünstige Qualitätssicherung basierend auf objektiven Kriterien in ihre Produktion zu integrieren.

Die vorgestellten Arbeiten werden von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des IGF-Forschungsvorhabens 21787 N zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages finanziell gefördert. Allen Institutionen gilt unser Dank.