شبیه‌سازی قابل اعتماد فوم‌های پلی‌یورتان
صندلی‌های ماشین، تشک‌ها و مواد عایق اغلب از فوم پلی‌یورتان ساخته می‌شوند. فرآیند فوم شدن رزین‌های پلیمری پیچیده است. محققان اکنون قادر به شبیه‌سازی رفتار فوم شدن و مشخص کردن رفتار مواد به طور قابل اعتمادی هستند. این موضوع همچنین در مورد مواد کامپوزیتی که در آن فوم‌های پلاستیکی با ساختارهای بافته شده و الیاف ترکیب می‌شوند، کار می‌کند.
فوم‌های پلی‌یورتان به اختصار فوم‌های PU نقش مهمی در زندگی روزمره ما بازی می‌کنند، حتی اگر به طور کلی از آنها آگاه نباشیم. ما هر روز روی آنها می‌نشینیم و دراز می‌کشیم: برای مثال، صندلی‌ها و تشک‌های ماشین از فوم‌های نرم PU ساخته شده‌اند. از طرف دیگر، فوم‌های سخت PU در میان موارد دیگر برای عایق کردن ساختمان‌ها استفاده می‌شوند. پیش‌بینی خواص فوم‌ها و مشخص کردن آنها بسیار پیچیده است، تحلیل‌های تجربی اغلب به پارامترهای نادرست منجر می‌شوند.
برنامه‌ریزی بهتر برای خطوط تولید جدید
سوالات زیر جالب توجه است: چگونه مایع اولیه به فوم تبدیل می شود؟ و فوم ایجاد شده چه ویژگی‌هایی دارد؟ محققان موسسه Fraunhofer برای پایه ریاضیات صنعتی ITWM در Kaiserslautern اکنون می‌توانند به طور قابل اعتمادی به این سؤالات پاسخ دهند و مشخصات خوبی از پلیمرهای مورد استفاده را در اختیار تولیدکنندگان محصولات فوم PU قرار دهند و برنامه‌ریزی خطوط تولید جدید را برای آنها آسان‌تر کند. این امر به بهترین شکل با استفاده از نمونه‌ای مانند صندلی ماشین توضیح داده می‌شود. در این مورد، برخی از مناطق سخت‌تر و برخی دیگر نرم‌تر هستند. تولیدکنندگان با تزریق فوم‌هایی با ویژگی‌های متفاوت در برابر یکدیگر به این امر دست می‌یابند. آنها از مخلوط‌های پلیمری مایع به عنوان مواد اولیه خود استفاده می کنند که در قالب مناسبی تزریق می‌شود: یک فرآیند شیمیایی سریع اما پیچیده آغاز می‌شود. در عرض چند ثانیه، دو رزین مایع مخلوط شده و به یک فوم پلیمری تبدیل می‌شوند. اما این دو ماده مختلف دقیقا چگونه باعث ایجاد فوم می‌شوند؟ آیا آنها خواص مورد نیاز را دارند و آیا مطابق با هدف در مناطق مناسب خود پخش می‌شوند؟ دکتر کنراد اشتاینر، رئیس بخش Fraunhofer ITWM توضیح می‌دهد: “بجای شروع با شیمی و تعیین تجربی تمام پارامترها مانند سرعت واکنش و ویسکوزیته در بسیاری از آزمایش‌های مستقل، ما دو یا سه آزمایش ساده انجام می‌دهیم – مانند فوم شدن در لیوان‌ها (تست لیوانی)». ما این آزمایش ها را یک به یک در کامپیوتر شبیه سازی می کنیم. این آزمایش‌ها برای ایجاد پارامترهای مدل مورد نیاز برای شبیه‌سازی فوم که رفتار فوم شدن را بر اساس شبیه‌سازی‌ها محاسبه می‌کند، مفید می باشند. نتایج برای کاربرد خاص مورد تایید و قابل اعتماد هستند.” به جای محاسبه هر پارامتر تعیین‌کننده بطور جداگانه در یک آزمایش، که می‌تواند به مقادیر نامعتبر منجر شود، اکنون محققان می‌توانند به سرعت داده‌های قابل اعتمادی را برای فرآیند فوم شدن با حداقل میزان محاسبات بدست آورند.
اشتاینر می‌گوید: “تولیدکنندگان معمولاً با سه یا چهار فوم مختلف کار می‌کنند. برای محصولات جدید، معمولاً ترکیب فوم‌ها و هندسه‌های انتهایی را تغییر می‌دهند.” هنگامی که محققان Fraunhofer یک فوم PU را از طریق شبیه‌سازی مشخص کردند، این یک نقطه شروع خوب برای محصولات جدید فراهم می‌شود. تولیدکنندگان می‌توانند داده‌های فومی را که دریافت می‌کنند در ابزار شبیه‌سازی وارد کرده و برای هر محصول جدید و هر هندسه جدید نحوه انتقال جرم و گرمای فوم در طول فرآیند فوم شدن را شبیه‌سازی کنند. در مورد صندلی ماشین، آنها می‌توانند دقیقاً نحوه تزریق دو ماده (پلی‌ال و ایزوسیانات) را در برابر هم و برای دستیابی به خواص فوم مورد نظر در مکان‌های مناسب پیدا کنند.
روش شبیه‌سازی برای شناسایی پارامترها و شبیه‌سازی فوم با ابزار FOAM ایجاد شده و چندین پروژه در حال حاضر با مشتریان مختلف در حال انجام است.
مواد کامپوزیت با فوم های PU
سازندگان اغلب به فوم‌های PU در مواد کامپوزیتی متکی هستند، مانند فوم‌هایی که برای صندلی و تکیه‌گاه در خودروها استفاده می‌شود، که باید پایدار و در عین حال سبک وزن باشند. در اینجا، سایر مواد تقویت کننده مانند الیاف در فوم‌ها ادغام می شوند. در حالی که یک ورق فوم سخت در صورت خم شدن ممکن است بشکند، ورق با الیاف بافته شده می تواند به راحتی این نیروها را تحمل کند. رفتار جریان رزین پلیمری تغییر می‌کند، با این حال، همانطور که ساختار الیاف و پارچه در قالب به طور طبیعی بر خلاف این عمل می‌کند، که منجر به تغییراتی در دینامیک تشکیل فوم می‌شود: حباب‌ها کوچک‌تر می‌شوند، فوم متراکم‌تر می‌گردد.
پژوهشگران در Fraunhofer ITWM، همراه با تیمی از دپارتمان سازه‌های سبک وزن و فناوری پلیمر در TU Chemnitz، اولین شبیه‌سازی را برای مواد کامپوزیتی توسعه داده‌اند. اشتاینر توضیح می‌دهد: “ما قادریم مقاومت جریان ناشی از ساختار الیاف بافته شده را محاسبه کنیم، که این یک تخصص است که مدتی است در اختیار داریم. پس از آن، می‌توانیم نحوه ایجاد فوم در داخل و اطراف ساختار الیاف را شبیه‌سازی کنیم.” سازندگان قبلاً مجبور بودند با سختی زیاد آزمایش کنند که آیا کامپوزیت فوم دارای خواص مورد نیاز است یا خیر – فرآیندی که می تواند هفته‌ها یا حتی ماه‌ها طول بکشد. در مقابل، شبیه‌سازی در عرض یک یا دو روز به نتیجه قابل‌اعتمادی می‌رسد. محققان قبلاً نتایج را روی اجزای سازنده تأیید و آزمایش نموده‌اند و ثابت کرده‌اند که آنها به خوبی با واقعیت مطابقت دارند.
بدون دیدگاه