Numerische Modellierung und experimentelle Untersuchung physikalischer Schäumungsprozesse

Die physikalische Schaumbildung als grundlegendes Verfahren der kunststoffverarbeitenden Industrie umfasst generell das Lösen eines Treibmittels in einer zumeist flüssigen polymeren Matrix und das kontrollierte Aufschäumen des Gemisches durch Änderung des Systemdrucks oder der Temperatur. Die Zielsetzung dieser Arbeit ist die Entwicklung einer effizienten Berechnungsmethode zur Modellierung derartiger Prozesse in produktionsrelevanten Größenskalen. Zur Lösung der komplexen Simulationsaufgabe wird die Schaumexpansion sowohl auf der Mikro- als auch der Makroskala betrachtet. Das Mikroskalenmodell wird dazu eingesetzt, um die zeitabhängige Änderung der Dichte eines Polymer-Treibmittel-Gemisches in Abhängigkeit der gegebenen Anfangs- und Randbedingungen des Prozesses zu beschreiben. Der verwendete Berechnungsansatz basiert auf dem im Bereich der Schaumsimulation etablierten Schalenmodell, welches jedoch um eine zweite Wachstumsphase zur Berücksichtigung von Blaseninteraktionen erweitert wird. Zur Berechnung der Schaumbewegung auf der Makroskala wird ein Simulationsverfahren auf Basis der Finite-Volumen-Methode verwendet, welches innerhalb der quelloffenen Strömungssimulationssoftware OpenFOAM® umgesetzt wurde. Das entwickelte Simulationsverfahren wird mit Hilfe zweier unterschiedlicher Versuchsanordnungen validiert. Zum einen wird die diskontinuierliche Schäumung eines Ersatzstoffsystems aus hochviskosem Silikonöl, Helium und Stickstoff im Technikumsmaßstab betrachtet. Weiterhin wird mit der kontinuierlichen Schaumextrusion eines Polystyrol-Kohlendioxid-Gemisches ein praxisrelevantes Verfahren untersucht, welches in größerem Maßstab zur industriellen Herstellung von thermischen Dämmstoffen eingesetzt wird.