Software und Simulation

Projektbeispiele zum Forschungsthema Software und Simulation

© Fraunhofer IWM

Verzugsminimierung bei der additiven Fertigung

Gradierte oder Multimaterial-Bauteile aus Keramik und/oder Metall schwinden beim Sintern inhomogen.

© Fraunhofer IWM

Prozessmodellierung

Numerische Simulation des Lichttransports und Reflexion verschiedener voxel-basierter Mischungen von UV härtenden Druckmaterialien

© Fraunhofer IWM

Lokale Eigenschaften von additiv gefertigten Teilen

In dem EU-Projekt »SIMCHAIN« wurde eine Simulationskette entwickelt, die es erlaubt den Einfluss von Prozessparametern auf die lokalen mechanischen Eigenschaften von generativ gefertigten Bauteilen zu untersuchen.

© Fraunhofer IWM

Eigenspannungen und Verzüge in der Stereolithographie

Stereolithographieharze zeigen während der Aushärtung einen Polymerisationsschrumpf. Dies führt beim schichtweisen Aufbau von Bauteilen zu Eigenspannungen und Formverzügen.

© Fraunhofer IGD

Cuttlefish - Voxel-basierter, streamingfähiger 3D-Druckertreiber

Cuttlefish steuert lokal die Prozessparameter (z.B. die Laserleistung im SLM Prozess) und die Materialpositionierung (z.B. die Materialverteilung im hochaufgelösten Multimaterial-3D-Druck).

Additive Verfahren berechenbar machen, additive Verfahren steuern

Die additive Fertigung ist auf das Engste mit der digitalen Steuerung des Fertigungsprozesses verknüpft: Bauteile werden direkt anhand einer digitalen Repräsentation gefertigt. Die Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung entwickelt Algorithmen zur Steuerung von additiven Fertigungsprozessen, beispielsweise um optische Eigenschaften der Bauteile gezielt zu gestalten, oder simuliert einzelne Verfahrensschritte, z.B. um hieraus Maßnahmen zur Verringerung von Eigenspannungen und Verzügen abzuleiten.

Algorithmik & Software

Softwarewerkzeuge und die darin enthaltene Algorithmik sind ein wesentlicher Bestandteil additiver Prozessoptimierung sowie der digitalen Prozesskette. Dies beinhaltet Dither-Methoden zur Materialpositionierung im Multimaterial-3D-Druck mit minimaler Materialagglomeration oder geometrie-adaptive Laserführung beim Laser-Strahlschmelzen, bei der die schnelle Berechnung verschiedener Geometriemerkmale (Abstand zur Bauteiloberfläche, Orientierung von Offset-Flächen, etc.) notwendig ist. Auch Methoden zur „Druckbarmachung“ von 3D-Modellen mit fehlerhafter Geometrie (z. B. falsche Flächenorientierung, Löcher, nicht-mannigfaltige Kanten und Ecken) sind für eine automatisierte Prozesskette essentiell und fallen in diese Kategorie.

Modelle und Simulationen

Simulationswerkzeuge tragen zur Materialentwicklung und zur Optimierung von Prozessschritten bei, z. B. um Verzüge zu minimieren. Die numerischen Ansätze reichen von atomistischen und thermodynamischen Simulationen zur Legierungsentwicklung über das Fließ-, Kompaktierungs- und Sinterverhalten von Pulvern, Schmelzbad- und Gefügeentwicklungssimulationen von Metallen, mechanischen Modellen für das Aushärteverhalten von Harzen, Simulationen von hybriden Prozessen und Nachbehandlungsschritten bis hin zur Lebensdauerbewertung von additiv gefertigten Bauteilen.

RISTRA – Rapid Interactive Structural Analysis

Im virtuellen Produktentwicklungsprozess ist es oft entscheidend, die Eigenschaften von vielen Produktvarianten zu simulieren, um vor dem Prototypenbau oder der Serienfertigung bereits belastbare Entscheidungskriterien für die Auswahl des finalen Designs zu generieren. Diese klassische Produktsimulation wird in der generativen Fertigung, aber auch bei anderen Fertigungsverfahren häufig eingesetzt. Um die Anzahl der zu untersuchenden Varianten deutlich zu erhöhen, haben wir RISTRA – Rapid Interactive Structural Analysis – entwickelt. RISTRA ist eine auf Graphikkarten (graphics processing unit - GPU) optimierte Simulationssoftware für Strukturmechanik, die die tausenden GPU-Prozessoren nutzt, um schnell Vorhersagen zu dreidimensionalen mechanischen Spannungsverteilung unter gegebenen Lasten zu machen. Durch effiziente GPU-Datenstrukturen und massiv-parallel Algorithmen werden Beschleunigungen von einem Faktor von bis zu 80x im Vergleich zu kommerzieller Software erreicht.