Modellierung und Simulation

Themenbroschüre Modellierung und Simulation

Themenbroschüre Modellierung und Simulation

Die Abteilung Modellierung und Simulation führt grundlegende Arbeiten zur Beschreibung von technischen Prozessen sowie deren Überwachung, Steuerung und Regelung durch.

Kernkompetenzen

Unsere Kernkompetenzen umfassen die Modellierung von Strahlquellen - insbesondere von Hochleistungslasern und Gasentladungen - sowie deren Anwendung in der Fertigungstechnik. Die daran beteiligten physikalischen Prozesse erstrecken sich von der Erzeugung, der Ausbreitung und der Absorption von Strahlung über Transportprozesse bis hin zu Phasenumwandlungen, die von der Strahlung im Werkstoff induziert werden. Um die Messdaten analysieren und die Prozesse überwachen zu können, wenden wir Methoden der Technischen Informatik an. Hierzu zählen insbesondere numerische Verfahren zur Simulation der Prozesse und deren Visualisierung sowie Algorithmen zur Auswertung von Messdaten.

In unserem eingespielten Team finden sich Wissenschaftler aus den Bereichen Angewandte Mathematik, Physik und Technische Informatik. Gemeinsam bieten wir unseren Kunden modellgestützte Lösungsansätze technischer Aufgabenstellungen. Ausgehend vom Kenntnisstand des Kunden, unserer eigenen Expertise und den Eigenschaften vorhandener Modelle erarbeiten und analysieren wir individuelle Lösungswege.

  • Auslegung von Resonatoren für Gas-,  Festkörper- und Hochleistungsdiodenlaser
  • Optimierung der Strahlführung in optischen Systemen
  • Analyse des Strahlungstransports in Prozessgasen während der Bearbeitung
  • Analyse von Unter- und Überschallströmungen von Arbeits- und Prozessgasen
  • Analyse von Schmelzströmung und Wärmetransport
  • Dynamische Modelle zum Abtragen, Schneiden, Schweißen und Bohren
  • Steuerung und Regelung von Fertigungsprozessen
  • Entwicklung und Implementierung von Algorithmen zur Auswertung von Messdaten
  • Programmierung graphischer Benutzeroberflächen zur Simulation der Modelle und Visualisierung von Messdaten
  • Numerische Methoden und Berechnungsverfahren, wie z. B. Cluster-In-Cell Verfahren CIC, Finite Elemente FEM und Finite Volumen FVM auf zeitlich veränderlichen Gebieten, adaptive Vernetzung
  • Prozessüberwachung mit Kamerasystemen
  • Metamodellierung von physikalischen Phänomenen und Fertigungsprozessen

Schneiden

Unsere Vision einer kognitiven Schneidmaschine umfasst das intelligente Einrichten und die systematische Fehlerdiagnose. Mit der kognitiven Schneidmaschine führen wir die Entwicklung des Schneidens bei definierter Qualität weiter an die physikalischen Grenzen von Laserstrahl, Maschine und Prozess heran. Durch die Kombination von Diagnose und Simulation wird eine Systematisierung des Zusammenhangs von Schnittqualität und Schneidparametern erreicht. Mithilfe der Analyse der Schnittqualität können wir mindestens drei unterschiedliche Typen von Riefen und vier unterschiedliche Typen von anhaftendem Bart identifizieren. Die Entstehung der unterschiedlichen Riefen- und Barttypen lässt sich durch einen überschaubaren Satz von Parametern sowie deren dynamisches Zusammenwirken beim Schneiden beschreiben.

Schweißen

Die Forschungsergebnisse zum Thema Schneiden dienen uns als Grundlage für die Optimierung des Schweißvorgangs und ermöglichen die modellgestützte Qualitätssicherung, die Berechnung des Schweißverzugs und die Eignungsanalyse neuer Laserstrahlquellen. Unser Team untersucht hierbei die Dynamik der verdampfungsgetriebenen Schmelzströmung und deren Auswirkung auf die Nahtform, die Morphologie der Nahtoberraupe und die Porenbildung in der Schweißnaht und entwickelt so geeignete Maßnahmen zur modellgestützen Qualitätssicherung.

Die Berechnung des Schweißverzugs mit kommerziell verfügbaren Simulationswerkzeugen ist nicht ausreichend zuverlässig. Um die Ursachen für die unzureichende Qualität der verfügbaren Simulationen ausfindig zu machen, untersuchen wir die strukturelle Stabilität der zugrunde liegenden Modelle. Der Einfluss der dynamischen Vorgänge beim Schweißen sowie die verfeinerte Behandlung der thermomechanischen Wirkungen finden bei diesem analytischen Prozess Beachtung.

Bohren

Die Modellbildung und Simulation zum Bohren mit Laserstrahlung zielt im Wesentlichen auf die Vermeidung von Recast an der Bohrungswand für eine große Pulsdauer (Mikrosekunden) und auf die Erhöhung der Bohrgeschwindigkeit für eine kleinere Pulsdauer (Piko- bis Nanosekunden). Durch die Analyse des Bohrens mit großer Pulsdauer sind wir in der Lage, vier unterschiedliche Phänomene zu identifizieren, deren dynamisches Zusammenwirken die Bildung von Recast an der Bohrungswand verursacht. Bei der Analyse des Bohrens mit kleinerer Pulsdauer und größerer Intensität der Laserstrahlung beziehen wir zusätzlich die Trägheit der Schmelze, die Rekondensation des Dampfes an der Bohrungswand, die Reflexion von Strahlung und die Änderung der Zustandsgleichung bei Annäherung an die kritische Temperatur in unsere Betrachtungen mit ein.

Metamodellierung

Ein Metamodell ist die mathematische Verknüpfung von Daten aus Experimenten und Simulationen, die den mehrdimensionalen Zusammenhang relevanter Parameter und Kriterien angibt. Metamodelle sind ein Weg zur Analyse der strukturellen Stabilität von Modellen, der multikriteriellen Optimierung und einer modellgestützten prädiktiven Steuerung von Maschinen. Sie bieten unseren Kunden eine größtmögliche Übersicht über die Parameterabhängigkeiten und Grenzen ihrer Prozesse, um die so gewonnenen Erkenntnisse zur Prozessoptimierung nutzen zu können.