Multiphysik-Simulation: Ganzheitliche Analyse komplexer Fertigungsprozesse

Was ist eine Multiphysik-Simulation?

Eine Multiphysik-Simulation ist ein computergestütztes Verfahren, das mehrere physikalische Disziplinen – wie Elektrik, Thermik und Mechanik – kombiniert, um komplexe Wechselwirkungen realitätsnah zu analysieren. Besonders bei Prozessen wie dem Widerstandsschweißen liefert sie wertvolle Erkenntnisse, die über klassische Berechnungen hinausgehen. Gerade wenn sich physikalische Domänen gegenseitig beeinflussen, reichen analytische Methoden oft nicht aus. Die Multiphysik-Simulation eröffnet hier neue Möglichkeiten: für ein tieferes Prozessverständnis, eine fundierte Optimierung und eine effizientere Produktentwicklung.

CADFEM hat hierzu ein simulationsbasiertes Modell entwickelt, das zentrale Effekte wie Stromverläufe, Wärmeverteilung und mechanische Kräfte sichtbar macht. So lassen sich Prozesse gezielt verbessern – etwa durch optimierte Abkühlraten zur Vermeidung von Nahtversprödung.

Wie beeinflussen sich Elektrik, Thermik und Mechanik gegenseitig in technischen Prozessen?

Wenn elektrischer Strom durch ein Bauteil fließt, entstehen Joulesche Verluste, die zu einer Bauteilerwärmung führen. Insbesondere am Kontakt zweier Bauteile resultieren durch die suboptimalen Kontakteigenschaften erschwerte Bedingungen für den Stromfluss. Daher sind die Verluste und damit die Erwärmung am Kontakt am größten und führen dort zu einer thermischen Dehnung. Genau diese Dehnung wirkt ihrerseits auf den Kontakt und damit auf den Strom und letztlich auf die Erwärmung. Damit ist der Zirkelschluss perfekt. Speziell bei Prozessen im hohen Temperaturbereich ist deshalb die Berücksichtigung der gegenseitigen Beeinflussungen unerlässlich.

Welche Rolle spielt die Multiphysik-Simulation beim Widerstandsschweißen?

Ein Beispiel für diese „Prozesse im hohen Temperaturbereich“ sind Widerstandsschweißverfahren. Dabei wird durch elektrische Energieeinbringung so viel Wärme umgesetzt, dass die bei Raumtemperatur festen Metalle in den Bereich des Phasenwechsels kommen, aufschmelzen und damit eine stoffschlüssige Verbindung der Fügepartner realisieren.

Wem das nicht schon kompliziert genug ist, der verbindet auf diese Weise zwei Geometrien mit unterschiedlichen Materialien. Beim Widerstandspunktschweißen treten genau solche Anforderungen auf. Glücklicherweise können diese komplexen Prozesse in bedienerfreundlichen Simulationsmodellen ausgelegt und analysiert werden.

Der für die Erwärmung nötige elektrische Strom wird über Kupferelektroden auf den ersten Fügepartner übertragen, fließt von dort durch den mechanisch angepressten Kontakt in den zweiten Fügepartner und von dort entweder in eine zweite Elektrode oder das applizierte Erdungskabel. Ziel ist es, den Kontaktpunkt zwischen den beiden Fügepartnern so zu erwärmen, dass die Schweißnaht die späteren mechanischen Kräfte unbeschadet übersteht.

Warum ist gezieltes Kühlen beim Schweißen genauso wichtig wie das Erhitzen?

Während zwischen den zu fügenden Bauteilen viel Wärme umgesetzt werden soll, muss die Temperatur an den Übergängen zu den Elektroden möglichst gering bleiben, um keine parasitären Schweißungen zu erreichen. Das heißt: Nicht nur heizen, sondern auch kühlen! Zwischen den Schweißungen können die Elektroden ihre aufgenommene Wärmeenergie wieder an die Umgebung abgeben. Das braucht allerdings Zeit und verringert die Produktivität. Simulationsmodelle geben Einblick in das globale Temperaturverhalten an jedem Ort zu jeder Zeit und veranschaulichen z.B. über virtuelle Messpunkte die Temperaturen der Elektroden, um daraus Erkenntnisse über mögliche Taktzeiten abzuleiten.

Zeitlicher Verlauf der maximalen Elektrodentemperatur für sechs Schweißzyklen. | © CADFEM Germany GmbH

Auch am Schweißpunkt ist der zeitliche Verlauf der Temperatur interessant. Mit dem Modell lässt sich die örtliche Verteilung der Temperatur im Materialinneren bewerten und dies insbesondere auch nach dem Erreichen der Maximaltemperatur. Wie der Name schon sagt, sind Punktschweißverfahren auf einen Punkt und damit einen kleinen Bereich konzentriert. Da die umliegende metallische Masse dem Schweißpunkt schnell die bereitgestellte Wärme entzieht, kann diese Selbstabschreckung zur Versprödung der Schweißung führen. Und das reduziert die Qualität der Naht.

Einfluss der Elektroden-Temperaturhistorie auf Schweißpunktqualität und Prozessleistung

Um diese Problematik näher zu untersuchen, wurde bei CADFEM ein multiphysikalisch gekoppeltes Simulationsmodell erstellt, das die Effekte aus Elektrik, Thermik, Mechanik, zeitlichem Verlauf und Taktraten kombiniert berücksichtigt.

Temperatur- und Deformationsverteilung im Querschnitt des Schweißpunktes. | © CADFEM Germany GmbH

Auch am Schweißpunkt ist der zeitliche Verlauf der Temperatur interessant. Mit dem Modell lässt sich die örtliche Verteilung der Temperatur im Materialinneren bewerten und dies insbesondere auch nach dem Erreichen der Maximaltemperatur. Wie der Name schon sagt, sind Punktschweißverfahren auf einen Punkt und damit einen kleinen Bereich konzentriert. Da die umliegende metallische Masse dem Schweißpunkt schnell die bereitgestellte Wärme entzieht, kann diese Selbstabschreckung zur Versprödung der Schweißung führen. Und das reduziert die Qualität der Naht.

Multiphysikalische Analyse für bessere Schweißergebnisse

Multiphysikalische Simulationen geben einen umfassenden Einblick in Ort und Stärke der physikalischen Ergebnisgrößen wie elektrische Stromdichten, Wärmegenerationsraten, Kontaktdrücke sowie Bauteiltemperaturen – und dies unter Berücksichtigung nichtlinearer Materialdaten, strukturmechanischer Verformungen sowie zeitlicher Einflüsse. Anhand der Simulationsergebnisse lassen sich letztendlich die kritischen Fragen beantworten: Warum schmelze ich zu viel Material auf? Was muss ich tun, damit ich den richtigen Bereich aufschmelze?

Neben der „Pflicht“ – der Behebung von unerwünschten Effekten – lässt sich das erstellte Simulationsmodell auch für die „Kür“ in Form von Prozessverbesserungen einsetzen. Dazu gehören Fragen wie: Können geometrische Änderungen der Elektroden das Temperaturverhalten beeinflussen? Sollte zur Verringerung der Versprödung das umliegende Material vorerwärmt werden? Welche Prozessalternativen könnte es geben? Wie verhält sich der Prozess bei anderen Materialien?

Die Analyse von Was-wäre-wenn-Szenarien bietet enormes Potenzial für ein noch tieferes Verständnis und damit die Entwicklung verbesserter Prozesse.