Entwicklung eines beidseitig gekoppelten Materialmodells zur Charakterisierung idealer Prozessparameter anwendungsoptimierter Schäume

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan Diebels; Professorin Dr.-Ing. Anne Jung
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Mechanik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 423793605

Die wachsende Weltbevölkerung und der steigende Wohlstand führen zu einem steigenden Energie- und Materialbedarf. Anwendungsoptimierte zelluläre Materialien erzielen eine größere Nachhaltigkeit und Kostenersparnis. Dies motiviert die Beschichtung von offenporigen Polyurethan (PU)-Schäumen mittels elektrochemischer Abscheidung zur Herstellung von Hybridschäumen. Stofftransportlimitierungen bewirken während des Elektrodepositionsprozesses deutliche Beschichtungsinhomogenitäten, die bisher nicht ausreichend untersucht wurden. In diesem Projekt sollen die Einflussparameter auf den Elektrodepositionsprozess ermittelt und optimiert werden. Ziel ist die Entwicklung eines beidseitig gekoppelten makroskopischen Materialmodells zur Beschreibung des Elektrodepositionsprozesses auf porösen Materialien.Zur Weiterentwicklung des Elektrodepositionsprozesses von PU-Schäumen wird eine elektrochemische Durchflussbeschichtungszelle entwickelt und mit Hilfe unterschiedlicher Parametersätze Hybridschäume hergestellt. Für eine zeit- und kostengünstige und Messmethode der Beschichtungsdicke wird ein neues Verfahren zur semi-zerstörungsfreien Bestimmung der Beschichtungsdicke von Hybridschäumen basierend auf gravimetrischen Messungen, Messungen der magnetischen Flussdichte mittels Hall-Sonde und Computertomographieaufnahmen entwickelt. Der Einfluss der Parameter Geschwindigkeit, Diffusionskonstante, elektrisches Feld und Senkkonstante auf den Elektrodepositionsprozess und auf die resultierende Schichtdickenhomogenität werden mit Hilfe eines einseitig gekoppelten makroskopischen Materialmodells formuliert. Das Materialmodell wird mittels Finiter Differenzen implementiert und der Elektrodepositionsprozess simuliert. Zur Beschreibung des Schichtdickeneinflusses auf den Elektrodepositionsprozess werden die Zusammenhänge der geometrischen Eigenschaften untersucht. Diese Zusammenhänge werden zum einen experimentell und zum anderen durch virtuelle Strukturen ermittelt. Die Zusammenhänge werden für die Modellierung des Einflusses der Schichtdicke auf den Elektrodepositionsprozess benötigt. Das beidseitig gekoppelte Materialmodell wird ebenfalls mittels Finiter Differenzen implementiert und der Elektrodepositionsprozess simuliert. Durch inverse Rechnung werden optimale Prozessparameter des Elektrodepositionsprozesses ermittelt. Diese Prozessparameter werden zur Fertigung optimierter Hybridschäume mit exakt diesem optimalen Parametersatz genutzt. Abschließend werden an den optimierten Schäumen mechanische Versuche durchgeführt und somit der Einfluss der Beschichtungshomogenität auf die Materialeigenschaften untersucht.Durch diese Schritte soll das Projektziel und somit eine homogene Beschichtungsdicke von Ni/PU Hybridschäumen erreicht werden. Durch eine homogene Beschichtungsdicke erhalten die Hybridschäume homogene Materialeigenschaften, was sie multifunktional als Energieabsorber oder Katalysator nutzbar macht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen