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Laser-Prozesssimulation erstmals auch als App verfügbar

23.11.2015

Die Simulation von Prozessen bei der Lasermaterialbearbeitung ist in den letzten Jahren immer besser geworden. Die Software kann heute relativ gut voraussagen, was am Werkstück passiert. Leider ist sie hochkomplex und erfordert viel Rechenzeit. Durch eine clevere Vereinfachung können Experten vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT erstmals eine Simulationssoftware anbieten, die Prozesse in Echtzeit rechnet und auch auf Tablets oder Smartphones läuft. Mit der schnellen Software lassen sich teure Versuche einsparen und noch besser optimale Prozessparameter finden.

Eine verlässliche Simulation von Laserprozessen war bislang eine Sache für Experten. Mit ausgefeilten Software-Paketen und viel Zeit auf Computerclustern können sie inzwischen relativ verlässlich verschiedenste Prozesse simulieren. Für den Anwender in der Werkhalle ist das allerdings kaum geeignet. Dort behilft man sich beim Einrichten neuer Prozesse eher mit Technologietabellen der Systemanbieter.


Reduzierte Bohrsimulation mit Strahlverteilung. Die rote Linie zeigt die gute Übereinstimmung mit dem experimentellen Ergebnis.

© Fraunhofer ILT, Aachen


In der neuen Lizenzsoftware »AsymptoticDrill« lassen sich auch bei einem vereinfachten Modell viele Parameter mit Schiebereglern verändern.

© Fraunhofer ILT, Aachen

Neue Software reduziert Rechenaufwand dramatisch

Die Simulations-Experten am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT haben eine neue Software entwickelt, die deutlich weniger Ressourcen benötigt und deshalb sogar auf Tablets und Smartphones läuft. Dabei können einzelne Parameter mit Schiebern verändert werden – das Simulationsergebnis erscheint daneben und verändert sich in Echtzeit.

Möglich wird das durch eine anwendungsspezifische Reduktion der Rechenmodelle. Dabei werden abhängig von der jeweiligen Applikation bestimmte Vereinfachungen eingeführt, die die Komplexität der Rechnungen drastisch reduziert und so viel schneller zu einem Ergebnis führen.

Zum Beispiel Laserbohren

Klassische Simulationsprogramme liefern ein komplexes Bild der Prozesse bei der Wechselwirkung von Laserstrahlung und Material. Den Anwender interessiert vor allem, wie sich beispielsweise die Konizität einer Bohrung verändert, wenn Parameter wie Fokuslage oder Spotdurchmesser geändert werden. Mit der vereinfachten Simulation lässt sich der Einfluss solcher Parameter gut untersuchen. Das Ergebnis stimmt sehr gut mit experimentellen Daten überein: Bild 2 zeigt eine entsprechende Simulation mit dem neuen Rechenmodell im Vergleich zum Dünnschliff einer Bohrung.

Im Unterschied zu früher und zu den normalen Experimenten werden jetzt die Effekte von veränderten Parametern sofort angezeigt. Geradezu spielerisch können einzelne Parameter verändert werden- das Ergebnis erscheint sofort im Nachbarfenster (Bild 2).
Damit kann die Simulation direkt an der Lasermaschine durchgeführt werden. Zeitaufwändige Versuche entfallen, Einrichtprozesse können erheblich beschleunigt werden.

Simulieren für Fortgeschrittene: Metamodellierung

Die hohe Geschwindigkeit bei der Simulation eröffnet allerdings noch ganz andere Optionen. Für komplexe Simulationen mit vielen Parametern kann man eine Metamodellierung angehen. Dabei werden mit den Parametern und mehreren Bewertungskriterien für Prozess- und Produktqualität hochdimensionale Datensätze generiert. Daraus lassen sich wiederum einzelne Prozesslandkarten (Hyper Slices) erstellen, die die Abhängigkeit der Ergebnisse von einzelnen Parameterpaaren aufzeigen. Die Qualität des Ergebnisses wird dabei mit einer Farbkodierung dargestellt, so dass optimale Parameter sofort sichtbar werden.

Mit dieser erweiterten Simulation lassen sich durch mathematische Manipulation der Datensätze globale und lokale Extremwerte finden, also zum Beispiel Parametersätze für beste und schlechteste Qualität. So eine simultane Optimierung von mehreren Parametern ist mit experimentellen Methoden kaum möglich. Neue Methoden wie die des »Iterative Design« werden dadurch in der Fertigung erheblich beschleunigt.

Kundenspezifische Software für die Anwendung in der Werkhalle

Die Idee für die neue Software wurde auf der Basis eines Großkundenauftrags entwickelt. Weitere Verträge wurden inzwischen abgeschlossen, die Software steht aber für alle Kunden zur Verfügung. Entsprechend der geplanten Applikation wird sie von den Experten am Fraunhofer ILT speziell modifiziert, so dass optimale Ergebnisse möglich werden. Das Know-how liegt dabei in der geschickten Vereinfachung der klassischen Modelle.

Inzwischen gibt es aber auch weitergehende Überlegungen: Aufwändige Berechnungen gibt es in vielen Bereichen der Industrie. Die Simulation von Crashtests in der Automobilindustrie beispielsweise beansprucht immer noch erhebliche Rechnerkapazitäten. Die Übertragung des Prinzips der reduzierten Modelle verspricht auch dort erhebliche Einsparungen.

Ansprechpartner

Dipl.-Phys. Torsten Hermanns
Lehr- und Forschungsgebiet für
Nichtlineare Dynamik der Laser-Fertigungsverfahren NLD
RWTH Aachen
Telefon +49 241 8906-8367
hermanns.torsten@nld.rwth-aachen.de

www.nld.rwth-aachen.de 

Prof. Dr. Wolfgang Schulz
Leiter des Lehr- und Forschungsgebiets für
Nichtlineare Dynamik der Laser-Fertigungsverfahren NLD
RWTH Aachen
Leiter der Gruppe Modellierung und Simulation
am Fraunhofer ILT
Telefon +49 241 8906-204
wolfgang.schulz@ilt.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Steinbachstraße 15
52074 Aachen

Weitere Informationen:

http://www.ilt.fraunhofer.de

Petra Nolis | Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

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