Evaluation and reprocessing of product simulations using geometrical models with deviations

Simulationen sind ein wichtiger Bestandteil der modernen Produktentwicklung. Diese führen zu kürzeren und effizienteren Entwicklungszyklen und können hohe Kosten für aufwändige Tests reduzieren. Eine der großen Herausforderungen für gute Ergebnisse bei Simulationsanwendungen ist die Modellbildung. Für geometrische Analysen wird dabei stets auf das ideale CAD-Modell zurückgegriffen. Dieses ist aber aufgrund unvermeidlicher Ungenauigkeiten im Fertigungsprozess mit Abweichungen behaftet, wodurch die Aussagen der Simulationen verfälscht werden. Diese Arbeit befasst sich mit der Thematik, wie geometrische Fertigungsabweichungen in den Simulationsprozess integriert werden können, um möglichst genaue, simulationsfähige Modell zu erhalten und somit die Ergebnisqualität zu verbessern. Als methodischer Unterbau wird hierzu ein Ebenen-Modell vorgestellt, welches den Produktentwickler dabei anleitet, einen Vergleich von Soll- und Ist-Geometrie auf dessen Aussagekraft zu einer Simulation bewerten zu können. Der Ist-Stand wird hierfür mit hochauflösenden Digitalisierungstechniken erzeugt. Aufgrund dieses Vergleichs wird eine Entscheidung mit dem Anwender forciert, ob eine durchgeführte Simulation mit idealem CAD-Modell ausreichend ist. Durch die in jeder Ebene situativ bereitgestellten Wissenselemente können gezielt Fragestellungen beantwortet werden, um die Signifikanz der auftretenden Abweichungen einschätzen und in Hinblick auf die Relevanz auf Simulationsergebnisse bewerten zu können. Wird auf Basis dieses Prozesses eine Simulation mit realen Geometrieelementen empfohlen, sind für diesen Zweck vier Methoden zur Erzeugung simulationsfähiger Modelle entwickelt worden und dargestellt: Parametrische Korrektur des CAD-Modells bei einfachen Abweichungen; der vollständige aber aufwändige Prozess des Reverse Engineering (RE); Generierung von Hybridmodellen, bestehend aus CAD-Geometrie und Scan-Einsatzteilen aus RE; Adaption von FE-Netzen an die gescannten Datensätze (Punktwolken und Polygonnetze). Alle aufgezeigten Vorgehensmodelle sind zur Verifikation jeweils mit Anwendungsbeispielen aus Industrie und Praxis durchgeführt. Dabei konnten die Simulationsergebnisse verfeinert und näher an die realen Verhältnisse gebracht werden. Das vorgestellte Modell bietet einen Einstieg in die Verbesserung der Simulationsmodelle durch Integration von Fertigungsabweichungen. Eine noch frühzeitigere Verwendung im Entwicklungszyklus ist zur Kostenreduktion anzustreben und kann durch die Verwendung von Prozesssimulationen erfolgen, wenn diese verlässliche Ergebnisse liefert. Da die Datenstrukturen der Scans und Prozesssimulationen ähnlich sind, können die vorgestellten Methoden hier in gleicher Weise eingesetzt werden. Ebenso kann die hier vorgestellte Erzeugungsmethodik für korrigierte, realitätsnahe Geometrien auch außerhalb der Simulationsanwendung einen wichtigen Beitrag leisten, beispielsweise im Rahmen des Digitalen Zwillings.Simulations are an important part of modern product development. These lead to shorter and more efficient development cycles and can reduce high costs for complex tests. One of the biggest challenges for good results in simulation applications is modelling. The ideal CAD model is always used for geometric analyses. However, due to unavoidable inaccuracies in the manufacturing process, this model is subject to deviations which falsify the results of the simulations. This thesis deals with the topic of how geometric manufacturing deviations can be integrated into the simulation process in order to obtain models that are as accurate and fit for simulation as possible and thus improve the quality of the results. As a methodical foundation, a layer-model is presented, which guides the product developer to evaluate a comparison of nominal and actual geometry with regard to its significance for a simulation. The actual state is generated with high-resolution digitization techniques. Based on this comparison, a decision is forced on the user as to whether a simulation carried out with an ideal CAD model is sufficient. The knowledge elements provided at each layer can be used to answer specific questions in order to assess the significance of the deviations that occur and to evaluate their relevance to simulation results. If a simulation with real geometric elements is recommended on the basis of this process, four methods for the generation of simulation-capable models have been developed and presented for this purpose: Parametric correction of the CAD model for simple deviations; the complete but complex process of Reverse Engineering (RE); generation of hybrid models consisting of CAD geometry and scan inserts from RE; adaptation of FE meshes to the scanned data sets (point clouds and polygonal models). All process models shown are carried out for verification with application examples from industry and practice. The simulation results were refined and brought closer to the real conditions. The presented model offers an approach to the improvement of simulation models by integrating production deviations. An even earlier use in the development cycle should be the goal in order to reduce costs and can be achieved by using process simulations if these deliver reliable results. Since the data structures of the scans and process simulations are similar, the methods presented here can be used in the same way. The approach presented here for corrected, more realistic geometries can also make an important contribution outside the simulation application, for example within the context of a digital twin