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Schneller zur Realität

Virtuelle Hochtemperatur-Versuche

Schneller zur Realität

Die SGL Group ist einer der weltweit führenden Hersteller von Produkten aus Carbon. Für die Entwicklung seiner Produkte, die vom Kohlenstoff- und Graphitprodukten bis hin zu Carbonfasern und Verbundwerkstoffen reichen, verbindet der Spezialist für Hochtemperatur-Prozesse Simulationsanwendungen mit physikalischen Versuchsaufbauten.

Bild: SGL Group

Carbonwerkstoffe weisen einzigartige Materialeigenschaften auf, beispielsweise eine hohe Strom- und Wärmeleitfähigkeit, sehr gute Hitze- und Korrosionsbeständigkeit, hohe Gleitfähigkeit sowie extreme Leichtigkeit bei gleichzeitig hoher Festigkeit. Die Hochleistungsprodukte der SGL Group werden aufgrund der Energie- und Rohstoffknappheit zunehmend in industriellen Bereichen nachgefragt. Aber auch im Alltag halten sie verstärkt Einzug und ersetzen traditionelle Werkstoffe. Aufgrund des sehr breiten Anwendungsportfolios, das auf dem Konzept ‚Broad Base – Best Solutions‘ basiert, werden bei der Unternehmensgruppe sowohl elektrische, thermische, mechanische als auch strömungsmechanische Produkteigenschaften durch Simulationen optimiert und den steigenden Kundenanforderungen angepasst.

Anwendungsbeispiel Elektrode

Eine beispielhafte Anwendung ist die Festigkeit von Hochleistungselektroden aus Graphit, die von der SGL Group mit Durchmessern von bis zu 800 Millimetern gefertigt werden und heute ein Industriestandard sind. Diese Graphitelektroden werden zur Erzeugung von Lichtbögen für die Stahlschmelze eingesetzt und müssen hohen Anforderungen hinsichtlich Beständigkeit und Energieverbrauch erfüllen.

Glühende Graphitelektroden im Modell abbilden

Um die Leistungsfähigkeit ihrer Elektroden und damit die Produktivität ihrer Kunden zu steigern, setzt das Unternehmen auf Simulationen nach der Finite-Elemente-Methode (FEM). Dazu kommt die Software Ansys zum EInsatz. In thermo-mechanisch gekoppelten Analysen werden so die thermischen Spannungen in der Elektrode berechnet und zur optimalen Auslastung herangezogen. Um Entscheidungen über mögliche Leistungssteigerungen mit hoher Sicherheit treffen zu können, werden die relevanten physikalischen Effekte in der FEM sowie einer Simulation der numerischen Strömungsmechanik oder ‚Computational fluid dynamics‘ (CFD) genau abgebildet.

Dadurch kann auch komplexes Materialverhalten in Bezug auf die elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften abgebildet werden. Denn die Vielzahl der Materialparameter, ihre Temperaturabhängigkeit, der große Temperaturbereich und die Bauteilabmessungen machen Messungen an realen Strukturen extrem aufwändig. „Wir sind bei der Simulation oftmals mit Inputparametern konfrontiert, deren Messungen unter realen Prozessbedingungen nur sehr eingeschränkt möglich ist. Beispielsweise erfordern realitätsnahe Messreihen mit Graphit oder CFC-Bauteilen Temperaturen von über 1.000 Grad Celsius, was zu erheblichen Einschränkungen führt“, erläutert Dr. Raphael Gutser, seit 2010 bei der SGL Group in Meitingen bei Augsburg beschäftigt.


Simulation im Hochtemperatur-bereich: Durch den Einsatz von Software kann die SGL Group die Zahl der aufwändigen Messreihen bei Temperaturen von mehr als 1.000 Grad Celsius reduzieren. Bild: SGL Group

Kombination von Versuch und Simulation

Die Ermittlung der Materialeigenschaften erfolgt meist durch eine Kombination von Versuch und Simulation. Die Eigenschaften des Materials werden durch Versuche erfasst und durch eine systematische, automatische Variation der Materialparameter an die Messdaten angenähert, sodass für nachfolgende Analysen ein abgeglichenes Materialmodell zur Verfügung steht. Der kombinierte Einsatz verschiedener Software-Pakete zur Optimierung sowie FEM/CFD Solver-Technologie ermöglichen es, dass sehr viele verschiedene Materialdesigns mit einer Fülle von variierenden Materialparametern durch intelligente Versuchsplanung nach der Six-Sigma Methodik effizient berechnet werden.

Dadurch ist das Unternehmen in der Lage, die verschiedenen Einflussgrößen leichter zu verstehen und die speziellen Anforderungen an ein Material und die besonderen Wünsche der Kunden besser zu erfüllen. „Die Zielfunktion für die Berechnung wird uns durch das Experiment vorgegeben“, erklärt Gutser. „Mit der Simulation besteht dann die Möglichkeit, die Zielfunktion auszuwerten, wobei mathematische Optimierung und Six-Sigma Methodik uns möglichst schnell zu einem kalibrierten Simulationsmodell führen. Als Ergebnis erhalten wir dann die typischen thermischen, mechanischen oder elektrischen Eigenschaften des entsprechenden Bauteils beziehungsweise der verwendeten Materialien. Auf der Grundlage des kalibrierten Simulationsmodells kann dann eine effiziente Weiterentwicklung von Bauteilen und Materialien erfolgen.“

Simultane Berechnung gestattet hohe Variantenzahl

Die traditionelle Methode funktionierte nach dem Prinzip ‚Trial-and-error‘. Dabei erfolgte eine manuelle Variation der Parameter, was einen hohen Zeitbedarf für Berechnung und Auswertung zur Folge hatte. Heute werden bei der SGL Group intelligente Automatismen genutzt, mit denen sich das System autonom mit mathematischen Routinen dem optimalen Ergebnis nähert und die erforderlichen Parameter mit minimalem Aufwand ermittelt. Noch mehr Effizienz lässt sich durch die simultane Berechnung erzielen, indem beispielsweise acht, 16 oder gar 32 Varianten mit verschiedenen Parametersätzen gleichzeitig berechnet werden. Damit lässt sich nicht nur viel Zeit und Geld sparen, sondern es können auch erheblich mehr Varianten berechnet werden, so dass eine noch bessere Produktgestaltung realisierbar ist und ein umfassenderes Know-how über die eigenen Produkte erarbeitet werden kann.

Umfassender Blick auf alle Prozessparameter

„Für einen Entwickler ist es ein großer Unterschied, ob er seine Aufgabenstellung jeden Tag nur durch ein kleines Fenster betrachten kann, oder ob er in kürzester Zeit den gesamten Parameterraum aufspannen kann und dadurch einen guten Überblick über das entsprechende Verhalten erhält“, betont Dr. Raphael Gutser. „Dann kann der Entwickler sicher sein, dass er sich auf sicherem Grund bewegt.“ Traditionell erfordert die gleichzeitige Analyse von mehreren Designvarianten eine entsprechende Anzahl von Software-Lizenzen, so dass Parameterstudien oft nicht in dem gewünschten Maße durchgeführt werden können. „Mit einer einfachen Ansys-Lizenz kann eine komplexe Berechnung mehrere Wochen oder gar Monate dauern“, berichtet Gutser. „Der Anbieter hat sich dieser Herausforderung gestellt und uns – als einem der ersten Anwender – eine kosteneffiziente und gut nutzbare Lizensierungsoption für parametrische Designs angeboten, mit der wir eine solche Berechnung in weniger als einer Woche erledigen. Dies verschafft uns einen Wettbewerbsvorteil, da wir auf die Wünsche unserer Kunden schneller und zielgerichteter reagieren können.“