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. ... mehrDiese 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.

Porous materials or foams play a crucial role in diverse industries, from lightweight structural materials in aerospace to biomedical implants. However, traditional processing routes often face challenges in achieving desired physical properties. Foam templating is a novel approach towards materials design with tailored structures and predictable properties. Computational methods offer a promising solution for guiding process optimization by providing insight into foam microstructure formation and linking it to the resulting physical properties. This work provides a comprehensive approach to optimize the foam templating processes by integrating numerical simulations of liquid foams’ microstructure formation with computations of solid foams’ mechanical properties.
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Using the concept of digital twins, the study aims to establish correlations between microstructural parameters and the resulting physical foam properties. It improves the understanding of material behaviour and contributes to the development of tailor-made foam materials for specific applications by establishing strong structure-property relationships along the foam templating process route. The numerical approach employed in this work utilizes the phase-field method to establish a multi-scale modelling framework. This framework has been applied to numerical simulations of foams, allowing for the prediction of both their microstructures and mechanical properties.
The algorithms mapping the foam ageing process include descriptions of the spontaneous rupture of foam separating films and the coalescence of bubbles. In addition, it accounts for the pressure-driven diffusive gas transfer between bubbles, known as Ostwald ripening. In this work, it is found that simulation studies of ageing foams including these mechanisms predict the microstructure evolution in liquid foam in the dry foam limit. The results demonstrate that the foam ageing dynamics are mapped. Furthermore, the method is well suited for large-scale microstructure simulations. This allows the investigation of statistical properties of foams, based on the structures’ characteristics at the bubble scale.
Different geometrical parameters influence the material behaviour of solid foams under mechanical load. The presented method comprises two stages. The first stage involves the digital generation and design of open pore foam structures using an algorithm that allows for precise regulation of the geometry. The second stage includes retrieving resulting effective mechanical properties from numerical simulations of compression tests in the elastic regime. The numerical model accurately predicts the mechanical properties of solid foams. Simulation studies on the generated foam structures reveal significant variations in the effective Young’s moduli, emphasizing the crucial role of the foam geometry.
The digital framework presented in this dissertation offers a powerful tool for understanding and optimizing the foam templating process. The method is effective to gain insight into the impact of fundamental factors controlling the evolution and dynamics of decaying liquid foams, and enables the optimization of foam structures for desired microstructural properties. Additionally, it allows for in-depth investigation of the geometry’s impact on mechanical properties. The fully digital workflow offers an approach for designing and optimizing tailored foam materials with precise mechanical performance by regulating foam geometry and extracting effective mechanical properties from simulation data.