Simulation in der Werkstofftechnik

Werkstoffe – Prozesse – Defekte

Nachbericht

Zweites Cluster-Forum „Simulation in der Werkstofftechnik"
am 14. Oktober 2010 im DB Museum Nürnberg

Werkstoffe, Prozesse und Defekte wesentlich für die rechnergestützte Bauteilbewertung
Skalenübergreifende Werkstoffmodellierung als Schlüssel für zukünftige Innovationen
Phasenfeldmodelle für die Bewertung komplexer Modellzusammenhänge

Die modernen Anforderungen an die Produktentwicklung gleichen sich in vielen Anwendungsbereichen. Nicht nur die zunehmende Verkürzung der Entwicklungszeiten, auch ein möglichst reibungsloser Produktionsstart steht auf der Prioritätenliste ganz oben. Da die Bauteilspezifikationen dabei zunehmend komplexer werden, die Bauräume kleiner und die Funktionsintegration höher, sind die dazugehörigen Produktentstehungsprozesse oftmals nur mit ausgereifter Computertechnologie abzubilden.

Kaum verwunderlich war es daher, dass das zweite Cluster-Forum „Simulation in der Werkstofftechnik", das der von Bayern Innovativ gemanagte Cluster Neue Werkstoffe (CNW) am 14. Oktober 2010 im DB Museum in Nürnberg ausrichtete, Anklang in Branchen wie der Automobil- und Nutzfahrzeugindustrie, der Luftfahrt, der Konsumgüterindustrie sowie dem Sport- und Textilbereich fand. Mehr als 80 Experten aus diesen Anwendungsbereichen nahmen regen Anteil an der Diskussion von werkstofforientierten Simulationsmethoden und -werkzeugen.

Dass die prozesskettenübergreifende Werkstoffsimulation großes Entwicklungspotential besitzt zeigt dabei nicht zuletzt der Cluster-Kreis „Simulation in der Prozesskette Guss" aus dem im Laufe der zweijährigen, durch den CNW moderierten, Zusammenarbeit zwischen Automobil- und Luftfahrtindustrie mit Forschungseinrichtungen und Softwareherstellern, drei konkrete Projekte zur Weiterentwicklung und Industrialisierung von Simulationsmethoden für die Prozesse der Gießens entstanden sind.

Bezug nehmend auf diesen Cluster-Kreis und auf die Umsetzung des Inputs aus dem ersten Cluster-Forum im Jahre 2008 in der fortlaufenden Cluster-Arbeit, begrüßte Prof. Dr. Rudolf Stauber in seiner Rolle als Cluster-Sprecher des CNW die Teilnehmer in Nürnberg. „In der Automobilindustrie ist die virtuelle Absicherung der Bauteilauslegung integraler Bestandteil der Fahrzeugentwicklung", wie Prof. Stauber an einem Beispiel der BMW Group ausführte. „In der Anwendung von Simulationsmethoden sind wir mittlerweile Getriebene", ergänzte Dr. Jörg Esslinger, Leiter Werkstofftechnik bei der MTU Aero Engines GmbH in München und Vorsitzender der VDI Fachgruppe Computational Materials Engineering. Am Beispiel der durch die Luftfahrtindustrie selbst definierten Ziele eine Halbierung des Lärmempfindens, eine Reduktion von Stickoxiden um 80% und eine Reduktion des Kohlendioxidausstoßes um 50%, relativ zu den Niveaus von 1995, bis 2020 erreichen zu wollen, führte Dr. Esslinger aus, welche Bedeutung die computerbasierte Auslegung und Bewertung von werkstoffbezogenen Bauteileigenschaften für ein Erreichen dieser Ziele hat. „Weltweit etablieren sich zunehmend Netzwerke im Computational Materials Engineering (CME), denn die Herausforderungen sind nur im branchenübergreifenden Dialog zu meistern", so Dr. Esslinger. Es sei daher auch eine der Aufgaben der VDI-Fachgruppe CME, sich aktiv für die Vernetzung mit anderen Initiativen und weiteren Branchen einzusetzen, so Dr. Esslinger weiter.

Dass gerade die Weiterentwicklung von Simulationswerkzeugen oftmals von Durchbrüchen in Schlüsselbereichen, insbesondere in der Informationstechnologie, abhängen stellte Andreas Burblies, Geschäftsführer der Fraunhofer-Allianz Numerische Simulation, in seinem Vortrag dar. Den aktuellen Entwicklungen in Grid-, Cloud- und Cluster-Computing stehen gut parallelisierbare Probleme und Anwenderexpertise auf Seiten der Werkstoffmodellierung gegenüber. „Aktuell sind die drei Bereiche ‚Multiscale Materials Modelling', ‚Robust Design' und ‚Simulated Reality', im Fokus der werkstofforientierten Computersimulation", so Burblies. Die virtuelle Abbildung realer Werkstoffeigenschaften scheitert heute an den determinierten Ergebnissen der Simulation, die den statistisch dominierten Effekten in der Bauteilrealität oft nicht gerecht werden. „Unter Ausnutzung aktueller Multi-Core-Prozessorarchitekturen können zunehmend realistischere, das heißt statistisch verteilte Berechnungsergebnisse in vernünftiger Zeit erhalten werden", so Burblies weiter.
Auch kommerziell erhältliche Software für die Finite Elemente Analyse, klassisch für die Bauteilauslegung und Lebensdauerberechnung eingesetzt, kann mit Hilfe geeigneter Modellzusätze für eine skalenübergreifende Werkstoffsimulation verwendet werden, wie Dr. Jan Seyfarth, Produktmanager Digimat bei e-Xstream egineering, darstellte. Speziell die Eigenschaften von Compositen, beispielsweise faserverstärkten Kunststoffen, hängen stark von der Mikrostruktur der Werkstoffe ab. Hier setzte auch der Beitrag von Christian Brauner, Faserinstitut Bremen e.V. an, der die Simulation von Ingenieurkonstanten bei Faserverbundwerkstoffen, am Beispiel der Aushärtung des Matrixwerkstoffes RTM6 aufzeigte. Die veränderlichen mechanischen Eigenschaften während des Aushärtezyklus bedingen lokal unterschiedliche Werkstoffeigenschaften, die im Bauteil zu Verzug führen können. Durch die intelligente Kopplung von Simulationstechniken mit unterschiedlichen Detaillierungsebenen gelingt es, die Eigenspannungen zu berechnen und den Prozess detailliert abzubilden. Für eine Werkstoffoptimierung sind derartige Detailkenntnisse zwingend erforderlich, da sich die Mikrostruktur der Materialien direkt auf die makroskopischen Eigenschaften auswirken.

Einen Ansatz zur Modellierung von skalenübergreifenden Problemen, die sowohl unterschiedlichen Größenordnungen, als auch verschiedene physikalische Modelle beinhalten, stellt die Phasenfeldmethode dar. Professorin Heike Emmerich von der Universität Bayreuth stellte in ihrem Beitrag die Einsatzmöglichkeiten der Phasenfeldmethode für die Simulation von Mikrostrukturen dar. „Die Simulationswerkzeuge können nicht von der Stange gekauft werden, aber im Dialog mit den Anwendern entstehen realitätsnahe Lösungen, auch für anspruchsvolle Themen im Engineering", so Emmerich.

Da die Werkstoffeigenschaften immer in enger Beziehung zu den Herstellungsprozessen stehen, müssen praxisbezogene Methoden gefunden werden, um die Prozesseinflüsse mit den Werkstoffdaten zu korrelieren. Im Themenblock „Virtual Materials Processing" zeigen die beiden Kompetenzzentren Neue Materialien Fürth und Bayreuth eindrucksvolle Beispiele aus der Verarbeitung von metallischen Werkstoffen.

Michael Franke stellte die Prozesskette Guß in den Mittelpunkt seines Beitrages und zeigte auf, wie mit Hilfe von intelligenter Auswertung von Simulationsdaten aus der Füllsimulation neue Erkenntnisse für die bauteilbezogenen Werkstoffeigenschaften gewonnen werden können. Mittels der Auswertung von Fließweglängen können praxisrelevante Veränderungen von lokalen Werkstoffparametern nicht nur simuliert, sondern auch optimiert werden. Eine optimierte Auslegung der Bauteile und Prozesse wird somit möglich.

Für Schweißprozesse zeigte Professor Vasily Ploshikhin die Bedeutung der engen Korrelation von Experiment und Simulation auf. „Nur wenn ein ganzheitliches Verständnis für den Prozess vorhanden ist, kann mit der Simulation eine erhebliche Reduktion in den Entwicklungszeiten erreicht werden", so Ploshikhin.
Neben diesem Praxisbezug ist natürlich auch die verständliche Vermittlung von Simulationsergebnissen ein wichtiger Parameter für eine Industrialisierung der Simulationsmethoden. Dies zeigte insbesondere der Beitrag von Dr. Wilfried Smarsly, MTU Aero Engines. „Für eine zuverlässige Auslegung von Feingussbauteilen ist eine schnelle und zuverlässige Bewertung der Bauteilporosität notwendig", so Smarsly. Die Entwicklung eines praxistauglichen Porenmodells und die Bewertung der Simulationsergebnisse in Bezug auf die Lebensdauer, helfen dabei eine höhere Auslegungssicherheit und eine höhere Produktivität zu erreichen.

Dass derartige Simulationsstrategien im Bereich der Prozesskette Guss für Automobilanwendungen bereits sehr verbreitet sind, zeigte im Anschluss Dr. Andreas Fent, BMW Group. „In der Landshuter Leichtmetallgießerei der BMW Group wird jedes Gussteil im Vorfeld simuliert", verdeutlichte Dr. Fent. Die Praxisbeispiele reichen dabei vom Druckguss von Motorkomponenten, bis hin zur Simulation der Trocknungsprozesse für die Sandkerne. „Mit dem entsprechenden Expertenwissen und einer prozesskettenübergreifenden Zusammenarbeit, liefern die Simulationswerkzeuge einen wertvollen Beitrag zur wirtschaftlichen Fertigung von Automobilbauteilen", so das Fazit von Dr. Fent.

Regen gebrauch machten die Teilnehmer auch von der Möglichkeit eigene Fragestellungen bei der Simulation in der Werkstofftechnik an das Cluster-Management weiterzugeben. „Die so gewonnenen Themenstellungen macht der Cluster Neue Werkstoffe zu Inhalten der Aktivitäten in seinen Technologieplattformen", so Dr. Marcus Seitz, Cluster Management Neue Werkstoffe der Bayern Innovativ GmbH. „Der branchen- und technologieübergreifende Dialog im Cluster Neue Werkstoffe wird auch weiterhin die Basis für Kooperationen und Innovationen, auch im Umfeld der Simulationswerkzeuge sein. Wir laden alle Interessierten herzlich ein, gemeinsam die Inhalte bedarfsorientiert zu gestalten", so Dr. Seitz zum Abschluss der Veranstaltung.