Simulation
Prozessmodellierung ist die Nachbildung eines Prozesses mit mathematisch-physikalischen Gesetzen und/oder Methoden der künstlichen Intelligenz. Unter Prozesssimulation versteht man den virtuellen Ablauf eines Prozesses unter Nutzung der Prozessmodelle mit dem Ziel der Ermittlung der geometrischen, metallurgischen und mechanisch-technologischen Prozess-Ergebnisse. Für viele technische Anwendungen ist der mathematische Zusammenhang derart komplex oder der Prozess so umfangreich und verflechtet, dass eine exakte Lösung gar nicht oder nur mit großem numerischen Aufwand berechnet werden kann. Daher bieten sich computergestützte Simulationen an, die in Zeiten wachsender Rechnerkapazität eine immer größer werdende Rolle einnehmen. Numerische Verfahren können mit ihnen schneller und genauer denn je auf vielfältige Testszenarien angewandt werden. Dies ermöglicht allgemein eine material- und somit kostensparende Vordimensionierung, hilft Experimente auszulegen oder kann in Bereichen angewandt werden, die in der realen Durchführung zu risikobehaftet oder zeitaufwendig wären.
Simulation in der Schweißtechnik
Am Institut für Schweiß- und Fügetechnik an der RWTH Aachen beschäftigt sich die Abteilung Simulation zurzeit mit Metallschutzgas- (MSG), Unterpulver- (UP), Laser- (LS) und Elektronenstrahl-(ES) Schweißverfahren. Für die Simulation dieser Schweißverfahren wurden die Programme SimWeld® (MSG, UP) und BeamSIM® (ES/LS) entwickelt, die im Rahmen der Forschungsarbeiten zudem kontinuierlich weiterentwickelt werden.
SimWeld®
Mit SimWeld® kann der Schweißprozess für viele Geometrien und Materialien mit veränderlichen Parametern zuverlässig simuliert werden. Den Ergebnissen liegen mathematische Modelle des aktuellen Forschungsstandes zugrunde. Der Schweißprozess wird in SimWeld® durch drei Untermodelle beschrieben, die in ständiger Wechselwirkung miteinander stehen:
Neben den thermoelektrischen Parametern, wie der freien Drahtlänge, der Tropfenbildung und –ablösung, fließen insbesondere die Steuerungsalgorithmen der digitalen Stromquellen in das Modell des Lichtbogens ein. Hierbei werden derzeit Stromquellen von OTC, EWM, Cloos und Fronius unterstützt. Das Modell liefert als Ergebnis die eingebrachte Energiemenge, die mittlere effektive Spannung, den mittleren effektiven Strom und die Pulsfrequenz.
Der Wärmetransfer wird aus der nicht-linearen Differentialgleichung der Wärmeleitung berechnet. Aus dem so errechneten Temperaturverlauf im Werkstück lässt sich, mithilfe des Modells der freien Oberfläche, das Ausmaß des Schmelzbades in Abhängigkeit des Schweißmaterials und seinen Schmelzeigenschaften bestimmen.
Wie Eingangs bereits erwähnt sind die Modelle sehr eng miteinander verbunden, so dass eine iterative Berechnung notwendig ist. Daraus ergibt sich der Vorteil der numerischen computergestützten Simulation – die Realitätsnähe. In Zusammenarbeit mit verschiedenen Industriepartnern werden die Ergebnisse ständig validiert und verifiziert. Zusätzlich erfolgt eine kontinuierliche Qualitätssicherung durch den Vergleich der Simulationsergebnisse mit den Ergebnissen realer Experimente.
Der Vorteil der Simulation mit SimWeld® besteht darin, dass bereits im Vorhinein ermittelt werden kann, mit welchen Parametern eine optimale Schweißnaht zu erwarten ist – und das ohne kostenintensive Versuche. Ein weiteres Anwendungsfeld ist die Nutzung der mit SimWeld® ermittelten Temperaturfelder für die Berechnung von Eigenspannungen und Verzug mit einer geeigneten FEM-Software.
BeamSIM®
Obwohl BeamSIM® getrennt von SimWeld® entwickelt wird, gleichen sich beide Programme in ihrer Struktur. Der Unterschied besteht darin, dass BeamSIM® Laser- und Elektronenstrahl-Schweißprozesse simuliert. Diesen Prozessen liegen natürlich andere Modelle der Energieeinbringung und Steuermechanismen zugrunde.
Bei Bedarf können auch gemessene Strahldaten aus dem DIABEAM System importiert werden. BeamSIM® liefert als Simulationsergebnis die Schmelzbadgeometrie und die Wärmeverteilung und erschließt damit für das Strahlschweißen die gleichen Anwendungsfelder wie SimWeld® für das Lichtbogenschweißen.