Modellierung und Simulation flüssiger und fester Schäume

Poröse Materialien und Schäume spielen in verschiedenen Bereichen eine entscheidende Rolle, von Leichtbaumaterialien in der Luft- und Raumfahrt bis hin zu biomedizinischen Implantaten. Bei traditionellen Fertigungsverfahren ist es jedoch oft schwierig, die gewünschten physikalischen Eigenschaften zu erreichen. Schaumtemplatierung ist ein neuer Ansatz zur Entwicklung von Werkstoffen mit maßgeschneiderten Strukturen und vorhersagbaren Eigenschaften. Computergestützte Methoden bieten eine vielversprechende Lösung für die Prozessoptimierung, indem sie Einblicke in die Bildung der Schaummikrostruktur geben und diese mit den resultierenden physikalischen Eigenschaften verknüpfen. Diese Arbeit bietet einen umfassenden Ansatz zur Optimierung von Schaumtemplatierungsprozessen durch die Verknüpfung numerischer Simulationen der Mikrostrukturbildung flüssiger Schäume mit Berechnungen der mechanischen Eigenschaften fester Schäume. Unter Verwendung des Konzepts der digitalen Zwillinge zielt die Studie darauf ab, Korrelationen zwischen mikrostrukturellen Parametern und den resultierenden physikalischen Eigenschaften des Schaums aufzustellen. Sie verbessert das Verständnis des Materialverhaltens und trägt zur Entwicklung maßgeschneiderter Schäume für spezifische Anwendungen bei, indem sie starke StrukturEigenschafts-Beziehungen entlang der gesamten Prozesskette der Schaumherstellung etabliert. Der in dieser Arbeit verwendete numerische Ansatz nutzt die Phasenfeldmethode, um einen mehrskaligen Modellierungsrahmen zu schaffen. Dieses Framework wurde auf numerische Simulationen von Schäumen angewandt und ermöglicht die Vorhersage ihrer Mikrostrukturen und mechanischen Eigenschaften. Die Algorithmen, die die Schaumalterung abbilden, umfassen Beschreibungen des spontanen Reißens von Schaumfilmen und der Koaleszenz von Blasen. Darüber hinaus berücksichtigen sie den druckbedingten diffusiven Gastransfer zwischen Blasen (Ostwald-Reifung). Die vorliegende Arbeit zeigt, dass Simulationsstudien alternder Schäume, die diese Mechanismen berücksichtigen, die Entwicklung der Mikrostruktur in flüssigem Schaum mit sehr geringem Flüssigkeitsanteil im Grenzfall sehr trockener Schäume (engl. dry foam limit) vorhersagen. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass die Dynamik der Schaumalterung abgebildet wird. Darüber hinaus eignet sich die Methode gut für großskalige Mikrostruktursimulationen. Dies ermöglicht es, statistische Eigenschaften von Schäumen zu untersuchen, die auf den Charakteristika der Strukturen auf der Blasenskala basieren. Verschiedene geometrische Parameter beeinflussen das Materialverhalten fester Schäume unter mechanischer Last. Die vorgestellte Methode umfasst zwei Schritte. Im ersten Schritt werden offenporige Schaumstrukturen digital generiert und ausgelegt mithilfe eines Algorithmus, der eine präzise Regulierung der Geometrie erlaubt. Im zweiten Schritt werden die effektiven mechanischen Eigenschaften aus numerischen Simulationen von Druckversuchen im elastischen Bereich abgeleitet. Das numerische Modell ermöglicht eine genaue Vorhersage der mechanischen Eigenschaften fester Schäume. Simulationsstudien an den erzeugten Schaumstrukturen zeigen signifikante Unterschiede bezüglich des effektiven Elastizitätsmoduls, was den entscheidenden Einfluss der Schaumgeometrie unterstreicht. Das in dieser Dissertation vorgestellte digitale Framework bietet ein leistungsfähiges Werkzeug, um den Prozess der Schaumtemplatierung zu verstehen und zu optimieren. Die Methode gibt Einblicke in die Auswirkungen grundlegender Faktoren, die die Entwicklung und Dynamik des zerfallenden Flüssigschaums bestimmen. Sie ermöglicht die Optimierung von Schaumstrukturen hinsichtlich gewünschter mikrostruktureller Eigenschaften. Zusätzlich ermöglicht sie eine eingehende Untersuchung der Auswirkungen der Geometrie auf die mechanischen Eigenschaften. Der vollständig digitale Workflow bietet einen Ansatz für den Entwurf und die Optimierung von maßgeschneiderten Schäumen mit präziser mechanischer Leistungsfähigkeit, indem die Schaumgeometrie reguliert und die effektiven mechanischen Eigenschaften aus Simulationsdaten extrahiert werden.