Prozesssimulation

Die Simulation der verschiedenen Bearbeitungsprozesse ist wesentlicher Bestandteil der Kompetenzen der Institute des Fraunhofer-Verbunds Light & Surfaces. Erst durch eine umfängliche Simulation in Kombination mit einer tiefgehenden Analytik mit hoher Zeit- und Ortsauflösung lassen sich die verschiedenen Effekte und Einflussgrößen eines Bearbeitungsprozesses verstehen. Darüber hinaus dienen Simulationsmodelle der Verkürzung von Prozessketten in der Auslegung neuer Verfahren bzw. in der Übertragung der Verfahren auf verschiedene, industrielle Anwendungsbereiche.

Dabei lassen sich die Simulationen unterteilen in:

• Werkstoffsimulation
• Simulation von Beschichtungsprozessen
• Simulation von Laser-Fertigungsprozessen

Im Bereich der Werkstoffmodellierung bietet das Fraunhofer IST vielfältige Dienstleistungen an, so zum Beispiel die Materialsimulation bei Legierungs- und Schichtentwicklungen, die Auslegung von Wärmebehandlungen, Diffusionsbehandlungen wie z.B. Nitrieren oder Borieren von Legierungen, Aufkohlen von Stählen, Homogenisierungsglühen von komplexen Legierungen bzw. Schichten, sowie Auflösung von Karbiden während der Austenitisierung.

Speziell für den Bereich thermoelektrischer Werkstoffe arbeitet das Fraunhofer IPM an der Beschreibung der Prinzipien des Wärmetransports, der Temperaturverteilung und der Wechselwirkung mit den Materialeigenschaften, die für neue thermoelektrische Modulaufbauten und Systeme essentiell sind. Zur Beschreibung solcher Systeme hat das Fraunhofer IPM eigene Software-Tools auf Basis von Comsol und Femlab entwickelt. Mit diesen Tools lassen sich nicht nur neuartige Modulaufbauten beschreiben; die Modellierung hilft auch, deren Integration in Gesamtsysteme zu optimieren.

Für die Beschichtungstechnik verfügen die Fraunhofer-Institute Fraunhofer IST und Fraunhofer FEP über ein umfassendes Simulationsverständnis. Das Fraunhofer IST befasst sich im Bereich der Prozesssimulation vor allem mit der Simulation von Niederdruck-Beschichtungsverfahren (Magnetronsputtern, Ionenstrahlsputtern, Verdampfen, Heißdraht-CVD und plasmaaktiverte CVD). Zur Modellierung des Gas- und Teilchentransports im Niederdruckbereich kommt eine am Institut entwickelte, parallelisierte Simulationsumgebung zum Einsatz. Diese beinhaltet die Methoden »Direct Simulation Monte Carlo« (DSMC) und »Particle-in-Cell Monte-Carlo« (PIC-MC). Das Angebot umfasst die Durchführung von Simulationsstudien zur Optimierung von Prozessen und Beschichtungsquellen, welche alternativ auch als Software lizenziert werden können. Ein wichtiges Themenfeld ist zudem die Optimierung des Schichtdickenprofils auf bewegten 3D-Substraten. Weiterhin ist es möglich, aus den Simulationen die detaillierten Wachstumsbedingungen am Substrat zu extrahieren, wie z.B. Teilchenflüsse oder Energie- und Winkelverteilung, um damit im Rahmen weiterer Simulationsmodelle Informationen über das Schichtwachstum zu erhalten.

Die Arbeiten zur Simulation der Lasermaterialbearbeitungsverfahren vor allem an den Fraunhofer-Instituten Fraunhofer IWS und Fraunhofer ILT umfassen sowohl werkstofftechnische Fragestellungen, als auch lasertechnische Einflussgrößen. Auf Basis thermodynamischer Erhaltungssätze und Zustandsgleichungen erfolgt eine grundlegende Bilanzierung der untersuchten Lasermaterialbearbeitungsverfahren. Im Vergleich zum realen Prozess und konkurrierenden Technologien können Rückschlüsse auf die Energieeffizienz und auf die erzielbaren Prozesswirkungsgrade gezogen werden. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Prozessanalyse unter der Zielstellung einer Beschreibung funktionaler Abhängigkeiten zwischen Regel-, Einfluss-, Stör- und Zielgrößen eines Lasermaterialbearbeitungsprozesses. Hierfür werden sowohl numerische als auch experimentelle Untersuchungsmethoden eingesetzt.

Zusammen mit den Partnern aus der Industrie werden schnelle Algorithmen zur Simulationen von aktuellen Anwendungen auf der Basis mathematisch-physikalischer Modelle entwickelt und implementiert. Beispiele hierfür sind:

• »Additive Manufacturing« für maßhaltige Bauteile aus Metallpulver
• »Precision Metal Slitting« zur Fertigung von hochauflösenden Masken für 3D-Displays
• »Glass Cutting« für schlagfeste Touch-Screens von Smart Devices
• »Smart Metal Drilling« für gekühlte Komponenten in Flugzeugturbinen
• »Sheet Metal Cutting« für diverse Aufgaben der Blechfertigung
• »Precision Sheet Metal Welding« für langlebige Zündkerzen in Motoren
• »High Strength Welding« von Kunstoff-Metall-Verbindungen in Automotive-Komponenten

Für das Design der Prozesse, Anlagen und Komponenten werden sowohl numerische Verfahren zur Simulation angewendet als auch spezielle Visualisierungsverfahren wie Hochgeschwindigkeitskameras und Pump- und Probe-Systeme verwendet mit denen eine vergleichende Analyse von Daten aus der Simulation und der Messung erfolgen kann.

Die Simulation von Spannungen und Verzug für maßhaltige Bauteile aus Metallpulver (Additive Manufacturing oder Precision Sheet Metal Welding), sowie von Kunstoff-Metall-Verbindungen in Automotive-Komponenten, erfordern die Kenntnis von realitätsnahen Werkstoffmodellen. Auf der Basis immer detaillierterer, grundlagennaher Werkstoffmodelle werden parametrisierte, für die spezielle Anwendung maßgeschneiderte Simulationen der thermomechanischen Vorgänge beim Erstarren, entwickelt. In Kombination mit modernen, numerischen Methoden (Disontinuous Galerkin Verfahren - DGM, Embedded Boundary Condition Methode - EBM oder Chimera Verfahren) werden so auch Modelle mit großer Anzahl von Freiheitsgraden in angemessener Zeit lösbar.