Laser-Prozesssimulation als App
Software rechnet in Echtzeit auf Tablets oder Smartphones.
Eine verlässliche Simulation von Laserprozessen war bislang eine Sache für Experten. Mit ausgefeilten Software-Paketen und viel Zeit auf Computerclustern können sie inzwischen relativ verlässlich verschiedenste Prozesse simulieren. Für den Anwender in der Werkhalle ist das allerdings kaum geeignet. Dort behilft man sich beim Einrichten neuer Prozesse eher mit Technologietabellen der Systemanbieter.
Abb.: Reduzierte Bohrsimulation mit Strahlverteilung. Die rote Linie zeigt die gute Übereinstimmung mit dem experimentellen Ergebnis. (Bild: Fh.-ILT)
Simulations-Experten am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT haben nun eine Software entwickelt, die deutlich weniger Ressourcen benötigt und deshalb sogar auf Tablets und Smartphones läuft. Dabei können einzelne Parameter mit Schiebern verändert werden – das Simulationsergebnis erscheint daneben und verändert sich in Echtzeit.
Möglich wird das durch eine anwendungsspezifische Reduktion der Rechenmodelle. Dabei führt die Software abhängig von der jeweiligen Applikation bestimmte Vereinfachungen ein, die die Komplexität der Rechnungen drastisch reduzieren und so viel schneller zu einem Ergebnis führen.
Klassische Simulationsprogramme liefern ein komplexes Bild der Prozesse bei der Wechselwirkung von Laserstrahlung und Material. Den Anwender interessiert vor allem, wie sich beispielsweise die Konizität einer Bohrung verändert, wenn sich Parameter wie Fokuslage oder Spotdurchmesser ändern. Mit der vereinfachten Simulation lässt sich der Einfluss solcher Parameter gut untersuchen. Das Ergebnis stimmt laut den Fraunhofer-Forschern sehr gut mit experimentellen Daten überein.
Im Unterschied zu früher und zu den normalen Experimenten werden jetzt die Effekte von veränderten Parametern sofort angezeigt. Geradezu spielerisch können einzelne Parameter verändert werden – das Ergebnis erscheint sofort im Nachbarfenster. Damit lässt sich die Simulation direkt an der Lasermaschine durchführen. Zeitaufwändige Versuche entfallen, Einrichtprozesse laufen schneller.
Die hohe Geschwindigkeit bei der Simulation eröffnet allerdings noch ganz andere Optionen. Für komplexe Simulationen mit vielen Parametern kann man eine Metamodellierung angehen. Dabei entstehen mit den Parametern und mehreren Bewertungskriterien für Prozess- und Produktqualität hochdimensionale Datensätze. Aus ihnen lassen sich einzelne Prozesslandkarten (Hyper Slices) erstellen, die die Abhängigkeit der Ergebnisse von einzelnen Parameterpaaren aufzeigen. Die Qualität des Ergebnisses spiegelt eine Farbkodierung wider, so dass man die optimalen Parameter sofort findet.
Mit dieser erweiterten Simulation lassen sich durch mathematische Manipulation der Datensätze globale und lokale Extremwerte finden, also zum Beispiel Parametersätze für beste und schlechteste Qualität. So eine simultane Optimierung von mehreren Parametern ist mit experimentellen Methoden kaum möglich. Neue Methoden wie die des „Iterative Design" vollziehen sich dadurch in der Fertigung wesentlich schneller.
Fh.-ILT / PH
