Wir machen Strömung und Wärme sichtbar.

Wärmeausbreitung (Thermomanagement)
Aufheiz- oder Abkühlprozessen
Oberflächenlackierung (Kathodische Tauchlackierung)
Vermischungs- und Mehrphasenströmung
Strömungsmaschinen
Aerodynamik.

Eingesetzte Tools:

Siemens Star-CCM+
Ansys Fluent
Ansys EnSight
Converge
Siemens HEEDS
Beta Ansa
Siemens NX
Ansys Spaceclaim

↓ Projekte Strömungssimulation

Aufheiz- und Abkühlprozesse (Trocknungsprozess)

Mehrwert:

Optimierung Anlage
Absicherung Produkt
CFD als kostengünstige Entscheidungshilfe
Einblicke in eingeschränkt messbare Prozesse

Andere Anwendungsbereiche:

Konvektionstrockner
Autoklav
Infrarot-Erwärmung
Laminierung

Weitere Informationen:

Im Trocknungsprozess werden Bauteile thermisch entfeuchtet, z. B. in Konvektionstrocknern durch Aufheizen auf applikationsabhängige Zieltemperaturen zum Einbrennen von Prozessstoffen.

Die Co-Simulation bildet dabei sowohl die Bewegung im Ofen als auch die Wärmeleitung im Bauteil ab und ermöglicht eine wirtschaftliche Optimierung von Produkt und Anlage hinsichtlich Temperaturführung und Energieeffizienz.

Bauteiltemperaturen können anschließend per Mapping auf Finite-Elemente-Netze übertragen und für thermomechanische Verzug-Berechnungen genutzt werden.

Oberflächenlackierung (Kathodische Tauchlackierung)

Mehrwert:

Optimierung Anlage
Absicherung und Optimierung der Produktlinie
Anlagen- und Lackspezifische Kalibrierung
Einblicke in eingeschränkt messbare Prozesse

Andere Anwendungsbereiche:

Beckenströmung
Luftblasen
Badverschleppung

Weitere Informationen:

Zur Sicherstellung eines optimalen Korrosionsschutzes werden Lackierprozesse wie die Kathodische Tauchlackierung (KTL) simuliert. Mit Mehrphasensimulation (VOF) und E-Coating-Modellen lassen sich Schichtdicken, Lufteinschlüsse und deren Wechselwirkungen bestimmen, während der Overset-Mesh-Ansatz die exakte Tauchbewegung abbildet.

Kalibrierungszyklen sichern dabei die Genauigkeit und automatisierte Vernetzung ermöglicht die schnelle Berechnung komplexer Geometrien.

Mehrphasenströmung (Tauchprozesse und Beckenströmung)

Mehrwert:

Optimierung Anlage
Lufteinschlüsse und Badverschleppung
Einblicke in eingeschränkt messbare Prozesse

Andere Anwendungsbereiche:

Beckenströmung
Oberflächenlackierung
Schichtdicke

Weitere Informationen:

Bei Tauchprozessen werden mit CFD- und FE-Berechnungen Drücke, Kräfte und Verformungen analysiert, um Risiken wie plastische Deformation oder Kleberversagen zu minimieren.

VOF-Simulationen zeigen zudem die verbleibenden Restflüssigkeiten, die durch geeignete Öffnungen oder Förderbewegungen entfernt werden können.

Zusätzlich liefern die Simulationen Einblicke in die Strömungssituation, sodass Umströmung und Prozessführung gezielt optimiert werden können.

Mehrphasenströmung (Ölkühlung, VOF)

Beölung von Zahnrädern in Getrieben als auch Spritzschmierung im Bereich der zerspanenden Bearbeitung sind typische Anwendungsfälle für komplexe Mehrphasensimulationen mit bewegten Teilen. Hierbei können benetzte Flächen, Schleppverluste, Wärmeabfuhr und weitere Parameter bestimmt werden, um Verschleißprobleme zu vermeiden oder existierende Schadensbilder zu verstehen.

Zusammenhängende Ölmengen aus Ölsumpf oder Ölstrahl werden durch rotierende Teile fein zerstäubt und verteilt. Durch präzise numerische Diskretisierung sowie Modellierung von Hafteigenschaften werden selbst kleinste Ölmengen und deren Interaktion erfasst. Darüber hinaus können mittels VOF-Simulationen Befüllprozesse, wie sie in Kühlkreisläufen oder Batterien stattfinden, abgebildet werden, um beispielsweise Lufteinschlüsse zu lokalisieren und zu eliminieren.

Thermomanagement und Mehrphasenströmung (Ölkühlung E-Motor)

Im Zuge der E-Mobilität werden Berechnungsmethoden benötigt, um die Kühlleistung auf den Wicklungen von Elektromotoren zu berechnen. Aufgrund der unterschiedlichen Zustandsgrößen des Öls handelt es sich hierbei um höchst komplexe Berechnungen. Rotierende Ölstrahlen zerfallen aufgrund der Rotationsgeschwindigkeit und dem Auftreffen auf die Wicklungen in immer kleiner werdende Tröpfchen, die Öl-Wolken bilden. Auf den Wicklungen und den Wänden bildet sich ein Ölfilm, der sich letztendlich an verschiedenen Stellen sammelt. Parallel dazu finden Wärmeübertragung und Elektromagnetismus statt.

Dank hybrider Mehrphasenmodelle können solche Berechnungen heutzutage mit sehr guter Genauigkeit und in einem erschwinglichen Kostenrahmen durchgeführt werden. Die rotierenden Ölstrahlen werden dabei mit Mixture Multiphase in Kombination mit Large Scale Interfaces (MMP-LSI) abgebildet. Der Zerfall in Tröpfchen wird durch eine Lagrange-Phase und die Tröpfchenverteilung durch S-Gamma modelliert. Auf der Außenwand und den Wicklungen bildet sich ein Fluid Film, in den die Tröpfchen eindringen und übergehen können. Durch die Möglichkeit der Kombination dieser verschiedenen Modelle in einer einzigen Simulation ist eine effiziente Berechnung möglich.

Thermomanagement (Luftkühlung)

Der Schlüssel zu einer langen Lebensdauer von Leistungselektronik liegt in ihrer effektiven Kühlung, um die zulässigen Höchsttemperaturen einzuhalten. Zur Entwicklung und Optimierung von Kühlsystemen sind Berechnungsmethoden erforderlich, die sämtliche Wärmeübertragungsmechanismen (Wärmeleitung, freie/erzwungene Konvektion, Wärmestrahlung) sowie aktive Kühlluftströmungen, oft erzeugt durch Lüfterräder, abbilden können. Die Modellierung rotierender Bauteile kann durch einen vereinfachten, stationären und sehr effizienten Moving-Reference-Frame-Ansatz (MRF) erfolgen.

Transiente Methoden sind physikalisch genauer und bieten Vorteile hinsichtlich der Ergebnisgüte, benötigen allerdings mehr Rechenzeit. Durch das tatsächlich rotierende Volumennetz können auch instationäre Effekte aufgelöst werden.

Kühlungsberechnungen ermöglichen Aussagen über Kühlluftmengen, Bauteiltemperaturen und relevante Wärmepfade. So kann ein vollständiges Systemverständnis erlangt und Optimierungspotentiale identifiziert werden.

Optimierung (Adjoint-Solver)

In dem Video wird die Freiformoptimierung einer Geometrie gezeigt, bei der die Massenströme an den beiden Ausgangsöffnungen identisch sein und der Druckverlust minimiert werden sollen. Anstatt viele Geometrien mit einer parametrisierten CFD-Optimierung (beispielsweise HEEDS) zu untersuchen, wird der Adjoint Solver verwendet. Dies ist ein numerischer Algorithmus, der mithilfe einer Zielfunktion berechnet, welche Geometrie innerhalb eines definierten Raumes das beste Ergebnis liefert. Dabei werden die folgenden vier Schritte durchlaufen:

1. Zunächst wird eine CFD-Simulation des aktuellen Designs durchgeführt, um die Strömungsverhältnisse und die Ausgangsleistung zu ermitteln.

2. Dann wird festgelegt, welche spezifische Größe optimiert werden soll, in diesem Fall der Druckverlust und die Massenströme.

3. Der Adjoint Solver wird eingesetzt, um zu bestimmen, wie Änderungen in der Geometrie oder den Randbedingungen die Zielfunktion beeinflussen.

4. Basierend auf den gewonnenen Daten wird das Design angepasst, um die Zielfunktion zu verbessern.

Dieser Prozess wird iterativ wiederholt, bis das gewünschte Ergebnis erreicht ist.

Weitere Beispiele

Co-Simulation

Bei Berechnungsverfahren, bei denen in einer Simulation die Kopplung zwischen zwei Kontinua mit unterschiedlichen Zeitskalen bewertet werden muss, kommt unsere eigens dafür entwickelte Co-Simulation zum Einsatz. Durch diesen Ansatz kann die Berechnungszeit deutlich reduziert werden, bei gleichbleibender Ergebnisgüte. Beispiele sind dabei Kopplungen zwischen transienten Luftströmungen und Solid-Bauteilen, die ein sehr träges thermisches Verhalten aufweisen. Abkühl- und Aufheizvorgänge können mit diesem Ansatz ebenfalls kostengünstig bewertet werden.

Mischprozesse

Bei der Mischung von einphasigen Stoffen setzen wir in unseren Berechnungsmethoden auf die Large Eddy Simulation (LES), um das turbulente Verhalten mit hoher Genauigkeit abzubilden und dabei ein ausgewogenes Verhältnis zu den Simulationskosten zu wahren.

Turbolader- und Verdichtersimulationen

Bei den Turbolader- und Verdichtersimulationen werden sowohl stationäre als auch transiente Berechnungen durchgeführt. Dabei werden Kennfelder durch die Simulation erzeugt. Zusätzlich können die Grenzbereiche definiert werden, in denen die Pump- und Stopfgrenzen erreicht werden. Es ist außerdem möglich, das thermische Verhalten zu bewerten und Versagensschwachstellen zu lokalisieren.

Kondensation und Verdampfung

Vor allem im Bereich von Wasserstoffantrieben sind Phasenübergänge von großer Bedeutung, die durch geeignete Kondensations- und/oder Siedemodelle abgebildet werden können. In Kombination mit der Fluid-Film-Modellierung kann außerdem ein komplexes Mehrphasenproblem einphasig und damit vergleichsweise schnell und kosteneffizient bewertet werden. Zusätzlich ermöglicht die Bestimmung von kritischen Temperaturbereichen Aussagen in Hinblick auf mögliche Vereisung.

Spritzzonenverschleppung

Vor, zwischen und nach Tauchbecken von Beschichtungsprozessen werden Bauteile oder Karosserien in Spritzzonen gereinigt. Durch den Spritzvorgang kann zusätzlich Flüssigkeit ins Innere der Bauteile gelangen. Da in dieser Phase oft die Ausrichtung der Fördertechnik konstant bleibt, kann ein Ablaufen in der Simulation untersucht und abgesichert werden.

Verschmutzungssimulation

Durch Verschmutzungssimulationen lässt sich das Partikelverhalten basierend auf Strömungsfeldern präzise vorhersagen. Dabei werden sowohl feine Schmutzpartikel (Lagrange) als auch gröbere Partikel (Discrete Element Method) analysiert. Besonderes Augenmerk liegt auf der Auftreffwahrscheinlichkeit und dem Verblockungsverhalten der Partikel. Für maximale Flexibilität können vielfältige physikalische Einflüsse wie Partikelform, -größe und Haftkräfte berücksichtigt werden.

Wir bringen Strukturen in Form.

Stanz- und Umformprozesse
Drahtwicklung Elektromotoren
Mechanische Verformung Rohbaukarosserie
Thermomechanische Verformung
Batch-Meshing / Betriebsfestigkeit
Fluid-Struktur Interaktion

Eingesetzte Tools:

Simulia Abaqus
Ansys LS-Dyna
DEFORM
Simufact Forming

↓ Projekte Struktursimulation

Massivumformung Drahtwicklung

Bei der Massivumformung Drahtwicklung wird der Drahtlegungsprozess einer Wickelmaschine in dem gezeigten Beispiel simulativ dargestellt. Solche Simulationen werden zur CAD-Modellierung der Drähte verwendet, wodurch Fehler bei der manuellen Wicklungserstellung in CAD vermieden werden. Zudem ermöglicht die Simulation, den tatsächlichen Prozess des Fertigungsautomaten digital abzubilden. Dadurch können einerseits Kosten durch eine verkürzte Konstruktionszeit eingespart werden, andererseits wird die Funktionsweise einer Elektromotor-Spulen-Wickelmaschine digital abgebildet.

Mehrphasige Umformprozesse

Mehrphasige Umformprozesse sind Umformverfahren, die in mehreren aufeinanderfolgenden Prozessschritten durchgeführt werden, um ein Werkstück schrittweise in die gewünschte Form zu bringen. Dabei können unterschiedliche Umformmethoden (Biegen, Prägen usw.) kombiniert oder ein einzelnes Verfahren in mehreren Stufen angewendet werden.

Die Umformsimulation liefert Informationen über Materialfluss, Prozesskräfte und auftretende Spannungen und unterstützt die Auslegung sowie Optimierung von Prozessen.

Thermomechanischer Verzug

Während eines Trocknungsprozesses kommt es durch hohe Temperaturgradienten zwischen den Bauteilen zu unterschiedlichen Ausdehnungsbewegungen im Materialmix einer Baugruppe. Diese Bewegungen können durch aushärtende Kleber »eingefroren« werden, woraus bleibende Verformungen resultieren.

Auf Basis der Simulation findet eine Optimierung der Fügetechnik und der Bauteile in kritischen Bereichen statt. Eine detaillierte Bewertung der Fügetechnik ist ebenfalls möglich. Die benötigten Temperaturrandbedingungen werden durch eine zuvor durchgeführte CFD-Simulation oder Messungen bestimmt und auf das FE-Netz projiziert.

Fluid-Struktur Interaktion

Interaktionen zwischen Fluiden und frei beweglichen Festkörpern werden mithilfe von Dynamic Fluid Body Interaction-Simulationen abgebildet. Dabei können Objekte durch entstehende Störgrößen wie Gravitation, Strömungskräfte, Haftreibung usw. bewegt werden. Beispiele für mögliche Anwendungsfälle sind Eintauchbewegungen von Schiffen, Schiffsschrauben und Turbinen von Wasserkraftanlagen oder pneumatische Ventile.

Darüber hinaus kann mittels Fluid Structure Interaction-Simulationen die Verformbarkeit des Körpers berücksichtigt werden. Diese Modellierungsmethode ermöglicht komplexe Berechnungen, beispielsweise im Bereich der Medizintechnik bei Herzklappen, aber auch bei der Verformung von Solarmodulen welche durch den Wind beeinflusst werden.

Weitere Beispiele

Batteriemontage

Die Montage der Batteriebaugruppe erzeugt Verformungen im gesamten Rohbau. Insbesondere ungünstige Toleranzfelder der Batterie und des Rohbaus können diese Verformung weiter verstärken. Die Verformung in unterschiedlichen Toleranzlagen gilt es abzusichern. Außerdem können Kräfte in den Schraubverbindungen ermittelt werden, die aus dem Toleranzfeld resultieren.

Fügesimulation

Beim Fügen von Baugruppen durch thermische und mechanische Fügeverfahren wie zum Beispiel: Punkt- und Laserschweißen, Clinchen oder Rollfalzen entstehen Spannungen sowie plastische Verformungen. Durch die Fügesimulation lassen sich diese Prozesse detailliert analysieren. Sie ermöglicht die Vorhersage von Spannungen und Verformungen, sodass gezielte Optimierungsmaßnahmen für einzelne Bauteile und Betriebsmittel abgeleitet werden können. Auf diese Weise lassen sich bestehende Fertigungsprobleme erkennen und effizient lösen. Begleitend zur digitalen Produktentwicklung trägt die Fügesimulation dazu bei, den Einsatz von Hardware zu minimieren und die Qualität zu steigern.

Skidauflage

Die Positionierung und Umsetzung der Fahrzeugkarosserie auf unterschiedlichen Skids erzeugt wechselnde Verformungszustände durch das Eigengewicht.
Anbauteile (Gewichtsvariationen), die im Entstehungsprozesse hinzugefügt werden, können zusätzlich abgesichert werden.

Einseitiges Anheben

Das einseitige Anheben der Motorhaube erzeugt eine Verdrehung der Baugruppe. Dies zeigt sich an einem kleiner werdenden Spalt zwischen Kotflügel und Motorhaube. Eine Kollision oder Berührung gilt es zu vermeiden.

Glasfestdach

Das Glasfestdach wird mittels einer Klebeverbindung mit dem Rohbau gefügt. Das Einbringen erfolgt mittels Greifer an definierten Stellen.
Es gilt die Spannungen und absolute Verformungen des Klebers im Montageprozess abzusichern und die Greiferpositionen zu Optimieren. Es wird das Glasdach und auch die Aufnahme am Rohbau untersucht und abgesichert.

Verrollen

Das Verrollen ist ein Umformverfahren, bei dem ein Werkstück durch die Bewegung von Rollen plastisch verformt wird und zur Herstellung von Baugruppen genutzt werden kann. Durch Simulationen wird das Prozessverständnis vertieft und der Einfluss kritischer Prozessparameter auf die Qualität der Baugruppe analysiert. Zudem lassen sich Experimente zur quantitativen Bewertung der Baugruppe simulativ abbilden, sodass eine direkte Validierung möglich ist.

Die Vielfalt unserer Berechnungsverfahren erfordert flexible und anpassungsfähige Automatisierungslösungen, die auf die individuellen Bedürfnisse unserer Kunden abgestimmt sind. Wir entwickeln eigenständige Programme, die das Pre- und Post-Processing für CAE-Anwendungen automatisieren und für den Endanwender mit einer benutzerfreundlichen grafischen Oberfläche visualisiert werden.

Durch gezielte Prozessautomatisierung steigern wir die Effizienz, senken Kosten und minimieren Fehler. So ermöglichen wir verlässliche Liefertermine und höchste Qualitätsstandards für all unsere Kunden.

Eingesetzte Programmiersprachen:

JAVA
Python
Bash-Scripting
C

↓ Prozessautomatisierung

Toolbox

Aufgrund der Anforderungen an hohe Flexibilität und ein großes Anpassungsvermögen unserer Automatisierung haben wir im Rahmen eines ZIM-Projekts einen universellen Prozess entwickelt. Unsere Mitarbeiter werden bei der Anwendung dieses Prozesses durch unseren hauseigenen Simulations-Assistenten unterstützt. Die Vielzahl der darin enthaltenen Werkzeuge wird durch folgende Funktionen ergänzt:

Automatischer Geometrie-Import und Benamung nach Nomenklatur
Automatisches Setup (Vorgabe der Randbedingungen im Excel- oder JSON-Format)
Automatische Power-Point Auswertung für Folgeberechnungen

Stark nachgefragte Berechnungsverfahren, deren Entwicklung abgeschlossen ist, können auf der Basis der im Simulations-Assistenten verwendeten Funktionen fast vollständig automatisiert werden.

Weitere Beispiele

EnSight Toolbox

Die EnSight Toolbox unterstützt Mitarbeitende dabei, Simulationsergebnisse effizienter in Ansys EnSight zu importieren und das Erstellen von Post-Processing-Objekten (wie Schnittebenen, Vektordarstellungen, Isosurfaces und -volumen, etc.) zu automatisieren. Die Datensätze werden verfahrensspezifisch über eine GUI eingelesen, wobei bis zu sechs Simulationsergebnisse miteinander verglichen werden können.

Des Weiteren ermöglicht ein JSON-Importer, Scenes aus Siemens Star-CCM+ in EnSight nachzubilden. Die erstellten Scenes werden in States gespeichert, wodurch sie von den Mitarbeitenden angepasst werden können.

ANSA Batch-Mesh

Die ANSA Batch-Mesh Funktion ermöglicht es Mitarbeitenden, den Prozess der Netzgenerierung für Simulationen zu automatisieren und zu optimieren. Mit dieser Funktion können große Mengen an Geometrien effizient und konsistent verarbeitet werden, wodurch die Qualität und Genauigkeit der Simulationsergebnisse verbessert wird.

Über eine benutzerfreundliche GUI können verschiedene Netzparameter und Einstellungen konfiguriert werden, um den spezifischen Anforderungen der jeweiligen Simulation gerecht zu werden. Die Batch-Mesh Funktion unterstützt zudem die parallele Verarbeitung mehrerer Geometrien, was die Gesamtbearbeitungszeit erheblich reduziert.