Die weltweite Fertigungsindustrie wird bis 2032 voraussichtlich einen Wert von mehr als 20 Billionen US-Dollar erreichen und damit ein rasantes jährliches Wachstum gegenüber dem Wert von 14,8 Billionen US-Dollar im Jahr 2025 verzeichnen (Ref. 1). Da die Fertigungsindustrie einen so weitreichenden Einfluss hat, ist Effizienz von großer Bedeutung, und die Beteiligten sind stets bestrebt, ihre Prozesse zu optimieren. Multiphysik-Modellierung und -Simulation ermöglichen es Unternehmen, Designs zu optimieren und die Effizienz zu steigern, während gleichzeitig Kosten, Ressourcen und Zeit eingespart werden — ohne dabei an Präzision einzubüßen. Sehen wir uns drei Beispiele aus der Industrie an, die auf der COMSOL Conference 2024 vorgestellt wurden.
1. Strukturelle Prüfung von 3D-gedruckten Objekten
Bei der additiven Fertigung mit 3D-Druck hängt die mechanische Festigkeit eines Objekts vom verwendeten 3D-Druckverfahren ab. Dies stellt die additive Fertigung in einer Reihe von Branchen vor zusätzliche Herausforderungen. Der COMSOL Certified Consultant BE CAE & Test hat ein System entwickelt, um die Auswirkungen verschiedener Parameter für die Strukturanalyse zu testen und numerische Modelle in der COMSOL® Software zu entwickeln.
Zunächst erstellten sie Modelle von Proben mit unterschiedlichen Parametern (wie Fülldichte und Außenlagen) unter Verwendung des Structural Mechanics Module und des Nonlinear Structural Materials Module. Das Team verwendete das nichtlineare elastische Materialmodell, da die Spannungs-Dehnungs-Beziehungen selbst bei infinitesimalen Dehnungen nichtlinear sind, sowie das Plastizitätsmodell aufgrund der Nichtlinearität bei höheren Dehnungen. BE CAE & Test nutzte die gesammelten Validierungsdaten, um aus den Modellen Proben zu erstellen und diese gemäß festgelegten Druckparametern zu drucken.
Das mit COMSOL Multiphysics® erstellte 3D-Modell wurde in eine Open-Source-Slicing-Software importiert und in einen Code umgewandelt, um dem 3D-Drucker Anweisungen zu geben. Der Drucker erstellte Proben mit 25 %, 75 % und 100 % Füllgrad, die experimentell und numerisch getestet werden konnten.
Die Füllgradprozentsätze, die zwischen 25 % und 100 % lagen, hatten nur einen geringen Einfluss auf die Belastungstests.
An den 3D-gedruckten Proben wurden Zugversuche und Biegeversuche durchgeführt, um zu untersuchen, wie sich unterschiedliche Füllgrade auf das Verhalten auswirken. Der Zugversuch lieferte Datensätze für die Streckgrenze und die Spannungsfunktion. Sowohl für den Zugversuch als auch für den Biegeversuch wurde eine numerisch-experimentelle Validierung durchgeführt. Die durchschnittlichen experimentellen Spannungs-Dehnungs-Kurven für verschiedene Füllgrade begannen sehr ähnlich und liefen dann mit steigender Dehnung leicht auseinander.
Die Proben wurden experimentell und numerisch bis zum Versagen getestet. Es wurde festgestellt, dass das strukturelle Verhalten im Experiment sehr gut mit den numerischen Vorhersagen übereinstimmte.
Mehr über die Forschungsarbeit von BE CAE & Test erfahren Sie hier: Structural Analysis on 3D Printed Objects Made from Experimentally Characterized Materials
2. Simulation des Schmelzens von Metall mithilfe von Infrarot-Laserstrahlen
Seurat Technologies hat die Area Printing® Technologie entwickelt, ein innovatives 3D-Druckverfahren für Metalle, bei dem ein leistungsstarker Laser Metallpulver durch die Aufspaltung vertikal und horizontal polarisierter Infrarot-Laserstrahlen schnell schmilzt. In einer Forschungsarbeit aus dem Jahr 2024 berichtete das Unternehmen, dass Infrarot-Strahlen mit einer Leistung von fast 100 Kilowatt das Pulver „Schicht für Schicht” schmelzen. Ein optisch adressierter räumlicher Lichtmodulator (oder Lichtventil) mit einer photorefraktiven Flüssigkristallschicht steuert dynamisch das Muster der Laserstrahlen.
Bei der Verwendung von Hochleistungslaserstrahlen mit einer Leistung von fast 100 kW muss das Wärmemanagement in der Technologie berücksichtigt werden, da der Temperaturanstieg die wichtigsten optischen Eigenschaften des Flüssigkristalls sowie die Gesamteffizienz des Geräts beeinflusst. Das Team von Seurat Technologies verwendete ein validiertes numerisches Modell des Erwärmungsprozesses für die Flüssigkristallschicht, um die Kühlfunktion zu entwerfen, und simulierte anschließend das Kühlungsdesign, um die Temperaturverteilung in der Flüssigkristallschicht zu bestimmen.
Das Area Printing® Design von Seurat Technologies, das Infrarot-Laser einsetzt, um Metalle schnell und präzise zu schmelzen.
Das Lichtventil-Laserheizungsmodell verwendete Finite-Elemente-Simulationen, um die Heiz- und Temperaturverteilungen zu bestimmen. Das Modell verwendete Eingaben zur Laserleistung, Intensität der Leistung pro Zentimeter, Kühlmitteltemperatur und Durchfluss basierend auf realen Messungen des Geräts. Es berücksichtigte den nicht-isothermen Kühlmitteldurchfluss unter Verwendung von RANS mit SST-Turbulenzgleichungen und Absorptionskoeffizienten, die als Eingabe gemessen wurden. Diese Eingaben wurden in Verbindung mit der Material Library verwendet, einem Add-On zu COMSOL Multiphysics®. Das Team validierte das stationäre Modell, indem es die experimentelle Laserleistung, die einen E7-Flüssigkristall-Phasenübergang von nematisch zu isotrop (Schmelzen) induziert, mit der durch die numerische Lösung vorhergesagten Temperatur verglich. Wenn keine direkten Temperaturmessungen verfügbar sind, kann das Team diese validierten Simulationen zur Optimierung von Flüssigkühlungsdesigns verwenden.
Das Team stellte fest, dass der geschmolzene Punkt, der aufgrund der Phasenumwandlung bei 57 °C entsteht, in der COMSOL Multiphysics® Simulation und in der realen Messung gleich aussah. (Die Messung bestand aus kreuzpolarisierten Bildern, in denen der Schmelzübergang ebenfalls wie ein dunkler Punkt aussieht, der bei 57 °C und einer Laserleistung von 846 Watt auftritt.)
Der Punkt, an dem der E7-Flüssigkristall-Phasenübergang bei 57 °C auftritt, erscheint als dunkler Fleck in einem kreuzpolarisierten Bild, was gut mit den Berechnungen übereinstimmt.
Hier können Sie die Forschungsarbeit von Seurat Technologies lesen: Simulation of heating of a beam shaping spatial light modulator in Area Printing metal 3D printing
3. Erhöhung der Lebensdauer von Edelstahl durch Kaltgasspritzbeschichtungen
Beim Kaltgasspritzen wird Metallpulver mit hoher Geschwindigkeit auf Edelstahl aufgebracht, um die Lebensdauer des Stahls durch Korrosions- und Verschleißfestigkeit zu erhöhen. Die hohe Geschwindigkeit, mit der das Kaltgasspritzen stattfindet, ermöglicht die Materialkonsolidierung von Multimaterialien und funktional gradierten Materialien (FGMs) mit maßgeschneiderten Eigenschaften aus Metallen, Legierungen, Verbundwerkstoffen und Keramiken.
Das Kaltgasspritzverfahren wird derzeit häufig für Reparaturen und Beschichtungen eingesetzt, jedoch wird seine Verwendung für tragende Bauteile in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Schifffahrtsindustrie noch untersucht, wie in einem Fachartikel von Triton Systems erwähnt wird.
Triton Systems verwendet eine De-Laval-Düse, um feine Partikel in einem Gasstrom zu beschleunigen und eine metallurgische Verbindung zu bilden, die geringe thermische Auswirkungen hat, wenn die Partikel mit dem Edelstahlgrundmaterial (dem Substrat) in Kontakt kommen.
Diagramm zur Veranschaulichung des Aufbaus eines Kaltgasspritzsystems. Lizenziert unter CC BY 4.0 über Wikimedia Commons.
Durch die individuelle Anpassung von Metallpulvermischungen entstehen Multimaterialien mit spezifischen Eigenschaften. Auch FGMs werden auf bestimmte Eigenschaften zugeschnitten, sie werden jedoch durch schrittweise Änderung der Pulverzusammensetzung im Sprühverfahren hergestellt. Die Änderung der Zusammensetzung kann zu allmählichen Veränderungen der Materialeigenschaften führen, wie z. B. der mechanischen Festigkeit, der Wärmeleitfähigkeit oder des Wärmeausdehnungskoeffizienten. Triton Systems verwendete Modellierung und Simulation, um die Lebensdauer von kaltgasgespritzten Multimaterialien und FGMs anhand von statischen mechanischen Eingaben vorherzusagen. Die Prüfung der Lebensdauer mittels Simulationssoftware erhöht die Effizienz und reduziert den Zeit- und Kostenaufwand, der für reale Ermüdungstests erforderlich wäre.
Das Structural Mechanics Module und das Fatigue Module wurden verwendet, um ein 3D-Modell von beschichteten und unbeschichteten Flugzeugverankerungen vom Typ 1 mit realistischen Ermüdungsbelastungsbedingungen zu entwickeln, um zu ermitteln, wie Kaltgasspritzbeschichtungen die Ermüdungslebensdauer von Edelstahl verbessern. In dem Modell wird eine Dog-Bone-Probe gemäß ASTM E290-22 zyklischen Belastungstests unterzogen. Kraft- und Momentbelastungen werden mit Lastgruppen definiert, und das Ermüdungsverhalten der Dog-Bone-Proben wird anhand von Gleichungen aus experimentellen Wöhlerkurven ermittelt. Auf eine Probe im Modell wird eine korrosionsbeständige kaltgasgespritzte CrC-Ni-Beschichtung aufgebracht. CrC-Ni wird durch ein benutzerdefiniertes System dargestellt, um die Materialeigenschaften anzupassen. Das Modell generiert eine Ausgabe der Zyklen pro Lebensdauer der Multimaterial- und FGM-Komponenten.
Die Dog-Bone-Probe mit einer Kaltgasspritzbeschichtung zeigt eine bessere Leistung unter zyklischer Belastung.
Das Team validierte die Ergebnisse und verglich die Vorhersagen zur Ermüdungslebensdauer mit experimentellen Daten. Die Ergebnisse zeigen, dass die mit CrC-Ni kaltgasspritzbeschichtete Dog-Bone-Probe eine verbesserte Ermüdungslebensdauer aufwies und bei zyklischer Belastung weniger stark durch Spannungen beeinträchtigt wurde. Die Ergebnisse stimmten weitgehend mit den Vorhersagen zur Lebensdauer überein.
Die Erkenntnisse von Triton System über die verbesserte Leistungsfähigkeit von Edelstahl mit Kaltgasspritzbeschichtungen basieren auf der Forschung zu Multimaterial- und FGM-Kaltgasspritzkomponenten in zyklisch belasteten Fällen.
Weitere Informationen über die Forschung von Triton Systems finden Sie hier: Predicting Fatigue Life of Cold-Sprayed Multi-Materials and Functionally Graded Materials
Multiphysik-Modellierung unterstützt die Fertigung
Dies sind nur einige Beispiele dafür, wie Ingenieure, Forscher und Wissenschaftler in der Fertigungsindustrie COMSOL Multiphysics® einsetzen, um Produkte und Prozesse zu optimieren und die Effizienz zu steigern.
Auf unserer Seite zur Fertigungsbranche finden Sie zahlreiche weitere Beispiele dafür, was mit Modellierung und Simulation möglich ist.
Referenz
- Global Manufacturing Market Size and Forecast – 2025-2032. (2025, May). Coherent Market Insights. https://www.coherentmarketinsights.com/industry-reports/global-manufacturing-market
Area Printing ist eine eingetragene Marke von Seurat Technologies Inc.
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