Effiziente, GPU-basierte Simulation thermischer Spritzprozesse
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Date
2015
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Abstract
Im Rahmen dieser Arbeit wird eine GPU-basierte Beschichtungssimulation für robotergestützte thermische Spritzprozesse vorgestellt, welche die effiziente Berechnung der Schichtdickenverteilung auf komplexen dreidimensionalen Bauteiloberflächen ermöglicht. Zu diesem Zweck wurde ein Footprint-basiertes Beschichtungsmodell entworfen, welches die Modellierung unterschiedlicher Spritzcharakteristiken und -prozesse auf Basis experimentell ermittelter Schichtprofile erlaubt.
Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich daher ausführlich mit der experimentellen Erzeugung, der Digitalisierung und der Nachbearbeitung von Footprintprofilen, deren exakte Erfassung maßgeblich für die Genauigkeit der Beschichtungssimulation ist. Dabei wird zunächst die grundlegende experimentelle und algorithmische Vorgehensweise dargestellt. Im Folgenden werden verschiedene potentielle Probleme in der Herstellung und Vermessung der benötigten Schichtprofile identifiziert und technische sowie algorithmische Lösungen vorgestellt. Zur genauen und wiederholbaren Einmessung der Spritzpistole auf das zu beschichtende Bauteil wird die Konstruktion einer unmittelbar auf der Spritzpistole montierbaren Lasereinmessvorrichtung beschrieben, welche die Kompensation von translatorischen und rotatorischen Abweichungen ermöglicht und ein Referenzkoordinatensystem für die bisher geometrisch schwer erfassbare Spritzrichtung im Lichtbogenspritzprozess definiert. Zur Digitalisierung der sehr dünnen Schichtprofile werden sechs taktile und optische 3D-Scansysteme unterschiedlicher Bau- und Funktionsweise untersucht und miteinander sowie mit lichtmikroskopischen Vermessungsmethoden verglichen. Zur digitalen Nachbearbeitung der Scandaten werden zwei Methoden zur Kompensation thermisch bedingter Verformungen des Substrats vorgestellt und verglichen, durch die eine Verbesserung der Profilgenauigkeit erreicht werden kann. Ferner wird der Einfluss des zur Probenpräparation eingesetzten Sandstrahlprozesses auf die Messungen mit taktilen Systemen untersucht und als nicht zu vernachlässigender Faktor für die Messgenauigkeit identifiziert. Um darüber hinaus auch die vergleichsweise hohe Genauigkeit zweidimensionaler lichtmikroskopischer Messungen in metallographischen Querschliffen für eine Kalibrierung des dreidimensionalen Beschichtungsmodells nutzen zu können, wird ein modellbasiertes Optimierungsverfahren vorgestellt. Dieses Verfahren erlaubt die geometrische Optimierung der dreidimensionalen Footprintform auf Basis mehrerer Querschnitte von Schichtprofilen, die mittels linearer Verfahrbahnen erzeugt werden. Abschließend werden in diesem ersten Teil der Arbeit Methoden zur Darstellung von Footprintprofilen durch die Überlagerung bivariater Gaußfunktionen untersucht. Im Gegensatz zu bisherigen aus der wissenschaftlichen Literatur bekannten Ansätzen wird dabei die Anzahl der Gaußfunktionen nicht auf die Anzahl der Partikelinjektoren beschränkt. Auf diese Weise können die Vorteile funktionaler Repräsentationen, gute Filtereigenschaften und eine kontinuierliche Repräsentation der Massenstromdichte im Randbereich, mit der Fähigkeit einer numerischen Repräsentation, nahezu beliebige Spritzcharakteristiken abbilden zu können, kombiniert werden.
Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit dem Entwurf des dreidimensionalen Footprint-basierten Beschichtungsmodells und des GPU-beschleunigten Simulationssystems. Das Beschichtungsmodell wird darin in drei logische Teile gegliedert. Der erste Teil beschreibt eine grundlegende, den Prozess definierende Massenstromdichteverteilung auf Basis der ermittelten Footprintprofile. Der zweite Teil des Modells definiert eine geometrische Übertragungsfunktion, welche die Umrechnung zwischen Footprintexperiment und allgemeinen im Rahmen der Simulation auftretenden Eingriffssituationen erlaubt. In diesem Kontext werden Übertragungsfunktionen für kegelförmige und zylindrische Strahlformen hergeleitet, veranschaulicht und mit einer vereinfachten Formulierung verglichen. Der dritte Teil des Modells bildet den variablen Haftwirkungsgrad ab, zu dessen Bestimmung eine automatisierte, simulationsgestützte Verfahrensweise vorgestellt wird.
Das Simulationskonzept zeichnet sich insbesondere durch die Abbildung geometrischer Gegebenheiten des Schichtablagerungsprozesses auf den kamerabasierten Bildgenerierungsprozess der OpenGL-Renderingpipeline aus. Dies ermöglicht die Ausnutzung der Rechenleistung moderner Grafikkarten zur Schichtberechnung. Eine hohe Simulationsgeschwindigkeit, welche insbesondere für die Verwendung der Beschichtungssimulation in automatisierten Bahnplanungs- und Bahnoptimierungssystemen notwendig ist, wird durch die Implementierung weiter Teile der Simulation in Form von GLSL-Shaderprogrammen erzielt. Die interaktive Visualisierung der Schichtdickenverteilung und weiterer oberflächen- und bahnbezogener Zielgrößen sowie die vorgestellten Verfahren zur automatisierten Parameterkalibrierung und zur Sensitivitätsanalyse erlauben eine detaillierte Beurteilung und Planung eines Beschichtungsprozesses. In der ausführlichen Evaluation wird die Beschichtungssimulation anhand einfacher Experimente verifiziert und anhand der Beschichtung komplexer Tiefziehwerkzeuge validiert. Im Kontext der Beschichtung von Tiefziehwerkzeugen werden darüber hinaus die Ergebnisse einer Sensitivitätsanalyse präsentiert und der Einsatz der Simulation wird im Rahmen eines automatisierten Bahnoptimierungsverfahrens demonstriert. Ein Vergleich mit einer Implementierung auf Basis der GPU-Bibliothek Optix Prime von Nvidia bestätigt ferner die hervorragenden Laufzeiteigenschaften des in dieser Dissertation konzipierten Simulationssystems.
Description
Table of contents
Keywords
Thermisches Spritzen, Simulation, GPU, Lichtbogenspritzen, Beschichtungsmodell