Portfolio & Projekte
FEM-Tool für thermische Simulationen
Auf der rechten Seite ist eine Animation eingebettet, die die transiente Temperaturverteilung in einem Heizstabende zeigt. Das zugrundeliegende Simulationstool wurde für einen Hersteller von Heizstäben und Heizsystemen entwickelt, programmiert und getestet. Berechnet und visualisiert wird die zeitliche Temperaturverteilung eines zylindrischen Körpers mit frei definierbaren Materialabschnitten. Das Modell berücksichtigt temperaturabhängige, nichtlineare Materialparameter, Joule-Erwärmung sowie Strahlungs- und Konvektionseinflüsse an den Randflächen. Da sich thermische Modelle mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) effizient und robust in eigenentwickelten Programmen abbilden lassen, konnte das vollständige Projekt trotz fehlender Vorarbeiten innerhalb eines Monats umgesetzt werden.
Umfangreiche, generische Simulationssoftware ist eine gute Wahl, wenn Ergebnisse kurzfristig benötigt werden oder geometrisch und physikalisch komplexe Modelle mit häufig wechselnden Randbedingungen untersucht werden sollen. Die Entwicklung eigener Simulationsprogramme wird oft aus Bedenken hinsichtlich Zeitaufwand, Ressourcen, Know-how, Validität sowie Wartbarkeit verworfen. Dabei bieten maßgeschneiderte Berechnungswerkzeuge zahlreiche Vorteile: effiziente Rechenläufe ohne unnötigen Overhead, einfache Standardisierung und Automatisierung, hohe Vergleichbarkeit zwischen Nutzern, vollständige Kontrolle über die Modellierung und Berechnung – und nicht zuletzt der Verzicht auf Lizenzkosten proprietärer Pakete. Insbesondere bei Modellen mit Symmetrien und gleichmäßigen Berechnungsgebieten ist die Inhouse-Entwicklung daher eine logische und wirtschaftlich sinnvolle Lösung. Genau hier kann ich mein Know-how gezielt einbringen.
Konkrete Features des Tools (für Nerds):
- Achsensymmetrisches 2D-FEM-Modell eines Heizstabes (Halbschnitt, Symmetriebedingung)
- Multiphysikalisch gekoppelte Simulation mit nichtlinearer Joule-Erwärmung; elektrische Leitungsstrecken und Spannungsabfälle werden pro finitem Element und Zeitschritt berechnet
- Flexible Randbedingungen, inklusive Stefan-Boltzmann-Strahlungsgesetz, semi-empirischer Konvektionsmodelle, fester Temperaturvorgaben und isolierter Ränder
- Parametrische Modellbeschreibung: Geometrie- und Materialdaten der einzelnen Abschnitte werden aus einer Excel-Datei eingelesen
- FEM-Solver mit implizitem Euler-Verfahren zur zeitlichen Integration
- Problemgröße: ca. 100.000 Freiheitsgrade (DoF)
- Rechenzeit: ca. 5 Zeitschritte pro Sekunde (AMD Ryzen AI 7 350, Single-Core, 5 GHz, 64 GB DDR5-5600 RAM)
- Lösung der linearen Gleichungssysteme mit einem direkten Sparse-Solver
- Materialdatenbank mit ca. 10 Materialien und temperaturabhängigen thermischen und elektrischen Kennwerten von 300–1500K
- Recheneffiziente, vollständig vektorisierte Matrixoperationen einschließlich der Aktualisierung temperaturabhängiger Materialparameter in jedem Zeitschritt
- Einfacher, robuster Vernetzer (Mesher) mit gleich orientierten bilinearen Rechteckelementen
- Verifikation und Validierung der Simulationsergebnisse durch analytische Lösungen sowie experimentelle Messungen mit innenliegenden und oberflächennahen Thermoelementen
CAD-Konstruktion einer Pumpe für wasserführende Haushaltsgeräte
Zur rechten Seite ist die CAD-Konstruktion einer Pumpe dargestellt, die in wasserführenden Haushaltsgeräten wie Geschirrspülern eingesetzt wird. Die Pumpe nutzt verschiedene konstruktive Besonderheiten, um sich einen Vorteil auf dem Markt zu verschaffen. Sie basiert auf Erfindungen mit einigen unabhängigen Ansprüchen und befindet sich derzeit in der Gebrauchsmusteranmeldung beim österreichischen Patentamt (ÖPA), weswegen das Innenleben hier nicht gezeigt werden kann.
Präzise CAD-Konstruktionen sind das Basiswerkzeug in der Entwicklung. In der modernen Produktentwicklung finden alle Ideen ihren Weg vom kreativen Kopf auf die digitale Leinwand und werden erst dort wirklich greifbar und aussagekräftig. Viele Ideen ergeben sich auch erst beim Konstruieren. Ebenso der Einsatz von additiven Fertigungsprozessen für schnelle Tests von Prototypen basierend auf diesen Modellen ist mittlerweile Standard und bildet den Grundbaustein für eine zeiteffiziente Optimierungsschleife, die wieder zurück zu Änderungen an den CAD-Modellen führt. Das Ganze typischerweise in Kombination mit zielgerichteten Simulationen, um den Verständnisgewinn hinsichtlich der Auswirkungen dieser Änderungen voranzutreiben.
Die Durchführung und Abstimmung dieser Entwicklungsprozesse über mehrere Köpfe hinweg ist wichtig, um Abhängigkeiten zu minimieren. Gleichermaßen können viele Fehler und falsche Strategien vermieden werden, wenn Entwickler an allen Vorgängen mitwirken und deren Kompetenzen sowie Zuständigkeiten nicht zu stark aufgeteilt sind. Folgerichtig wirke ich für Sie bei allen Schritten des Entwicklungszyklus mit. Hierfür eignen sich sowohl frei zugängliche Programme wie FreeCAD als auch in der Praxis üblicherweise eingesetzte kommerzielle Softwarelösungen wie SolidWorks. In beiden Fällen kann ich Sie unterstützen.
CFD-Simulation einer Kreiselpumpe mit OpenFOAM
Rechts ist eine Untersuchung der Strömungsverhältnisse am Impeller einer Kreiselpumpe dargestellt, berechnet mit OpenFOAM und visualisiert mit ParaView. Der nicht optimale Anstellwinkel der Schaufelfronten ist deutlich erkennbar und führt zu einer Ablösung der Strömung an der Anströmseite, was sich negativ auf die Effizienz auswirkt. Konstruktive Verbesserungen, die andernfalls nur über aufwändige experimentelle Tests und Black-Box-Parameterstudien ermittelt werden könnten, lassen sich auf diese Weise gezielt und unmittelbar ableiten. Neben OpenFOAM sind vergleichbare Untersuchungen mit einer Vielzahl weiterer Programme möglich, mit denen ich ebenfalls praktische Erfahrung sammeln konnte. Entsprechend kann ich Sie bei strömungsmechanischen Analysen unabhängig vom eingesetzten CFD-Werkzeug unterstützen, denn am Ende funktionieren alle ähnlich.
Mit OpenFOAM steht ein leistungsstarkes und validiertes Open-Source-Softwarepaket zur Verfügung, das hinsichtlich Funktionsumfang proprietärer Software in nichts nachsteht. Dies haben auch zahlreiche Forschungsinstitute und Universitäten erkannt, die OpenFOAM für ihre wissenschaftlichen Untersuchungen einsetzen. Auch wenn die anfängliche Bedienung ohne grafische Benutzeroberfläche und mit textbasierten Eingabedateien sowie Terminalbefehlen zunächst ungewohnt ist, erschließt sich schnell der Vorteil der pragmatischen Modellierung und der umfangreichen Möglichkeiten zur Automatisierung. Für fehlende GUI-Funktionen im Pre- und Postprocessing werden bei Bedarf ergänzende, frei verfügbare Programme wie ParaView eingesetzt. Da der Quellcode offen zugänglich ist, lassen sich Fehler direkt im Code analysieren, anstatt auf kryptische Fehlermeldungen angewiesen zu sein. Darüber hinaus bestehen Schnittstellen zu anderen Programmen, etwa zum Einlesen von mit Ansys Fluent erzeugten Netzen, ebenso wie die Möglichkeit zur Implementierung eigener Erweiterungen.
Thermische Analyse des SLS-Druckprozesses mit COMSOL
Die Möglichkeiten der additiven Fertigung haben sich seit ihren Anfängen rasant weiterentwickelt. In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut wurde an der komplexen Simulation eines dieser hochtransienten Prozesse geforscht: dem selektiven Lasersintern (SLS). Ziel der Arbeiten war es insbesondere, die Potenziale für die Forschung auszuloten und ein vertieftes Verständnis der maßgeblichen thermischen Vorgänge sowohl im Fertigungskörper als auch im gesamten Pulverbett zu gewinnen. Eine möglichst genaue Vorhersage der Temperaturverteilung im Pulverbett ist dabei von besonderem Interesse, da sich darauf aufbauend der optimale Energieeintrag an sämtlichen Positionen des dreidimensionalen Bauraums bestimmen lässt. Beim SLS werden Kunststoffpartikel durch einen Laser bei definierter Temperatur teilweise bis vollständig aufgeschmolzen und erstarren – getrennt durch eine Hysterese – erneut. Eine präzise thermische Prozessführung unter Berücksichtigung der beteiligten Enthalpien ist daher essenziell. Da der Bauteilkörper während des Prozesses vollständig schichtweise aufgebaut wird, ermöglichen Simulationen Einblicke in das Prozessgeschehen, die mit experimentellen Messinstrumenten wie Thermosonden nur schwer zugänglich sind.
Die Untersuchungen wurden mit COMSOL durchgeführt, einem kommerziellen Softwarepaket, das insbesondere für seine Stärken in der multiphysikalischen Modellierung bekannt ist. Da der SLS-Prozess von einer Vielzahl gekoppelter physikalischer Einflüsse beeinflusst wird, ist COMSOL ein geeignetes Tool für eine präzise numerische Analyse. Entsprechend kann ich meine Skills auch bei umfangreichen, gekoppelten Simulationen mit kommerzieller Software gezielt für Sie einbringen.