Effizienz steigern mit Multi­physik­simu­lationen

Fritz Hoffmeister entwickelt ein Multi­physik-Simu­lations­modell, um ein kompliziertes Verfahren zur elektro­chemischen Fertigung von Triebwerks­schaufeln erstmals komplett digital abbilden zu können.

05.2019 | Autor: Thorsten Rienth

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Thorsten Rienth schreibt als freier Journalist für den AEROREPORT. Seine technik­journalistischen Schwerpunkte liegen neben der Luft- und Raumfahrt­branche im Bahn­verkehr und dem Transportwesen.

Der Bild­schirm zeigt zwei Me­tall­stü­cke. Links ein klei­nes run­des, rechts ein grö­ße­res läng­li­ches. Wie in ei­nem Wes­pen­nest schwir­ren zwi­schen ih­nen klei­ne Punk­te hin und her. Ei­ni­ge neh­men den kür­zes­ten Weg, an­de­re ei­nen gro­ßen Um­weg, zum Bei­spiel vom obe­ren En­de des läng­li­chen Me­tall­stücks zur hin­te­ren Sei­te des klei­nen run­den. Die schwir­ren­den Punk­te ent­spre­chen ge­la­de­nen Io­nen in ei­nem elek­tri­schen Feld.

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Wie klei­ne Shut­tles auf Atom­grö­ße tra­gen sie Me­tall von ei­nem Werk­stück ab. Für das Werk­zeug – die Ka­tho­de – ist die­ses elek­tro­che­mi­sche Ab­tra­gen na­he­zu ver­schleiß­frei. Bei den hoch­fes­ten Ma­te­ria­li­en von Trieb­werks­schau­feln er­mög­licht es ei­ne völ­lig neue Her­an­ge­hens­wei­se. Wür­de das Me­tall spa­nend ab­ge­tra­gen, wä­re der Werk­zeug­ver­schleiß der­art enorm, dass der ge­sam­te Vor­gang un­wirt­schaft­lich wür­de.

Elec­tro­che­mi­cal Ma­chi­ning nennt die Fach­welt das Ver­fah­ren, kurz: ECM. Doch wel­che Ar­beits­span­nung bringt bei wel­chem Vor­schub die bes­ten geo­me­tri­schen Er­geb­nis­se? Wie hängt die Strom­dich­te mit dem ent­ste­hen­den Was­ser­stoff­gas und der Ober­flä­chen­qua­li­tät zu­sam­men? Und über­haupt: Wie wirkt sich ei­gent­lich der Druck der Elek­tro­lytströ­mung auf all das aus? „Bis­lang muss­te man dies mit ei­nem ‚Try-and-Er­ror‘-An­satz er­pro­ben“, er­klärt Fritz Hoff­meis­ter.

Über ein Simulations­modell sollen alle Wechsel­wirkungen der elektro­chemischen Ferti­gung von Triebwerks­schaufeln digital dargestellt werden. Fahren Sie über das Bild für eine größere Ansicht

Über ein Simulations­modell sollen alle Wechsel­wirkungen der elektro­chemischen Ferti­gung von Triebwerks­schaufeln digital dargestellt werden.

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Über ein Simulations­modell sollen alle Wechsel­wirkungen der elektro­chemischen Ferti­gung von Triebwerks­schaufeln digital dargestellt werden.

Den Weg zur MTU fand der 29-Jährige über seine Master­arbeit, die bereits über die Multi­physik­simu­lation im ECM-Verfahren handelte. Fahren Sie über das Bild für eine größere Ansicht

Den Weg zur MTU fand der 29-Jährige über seine Master­arbeit, die bereits über die Multi­physik­simu­lation im ECM-Verfahren handelte.

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Den Weg zur MTU fand der 29-Jährige über seine Master­arbeit, die bereits über die Multi­physik­simu­lation im ECM-Verfahren handelte.

Not­ge­drun­gen, denn an­de­re Mög­lich­kei­ten gab es bis­her nicht. Der Auf­wand der Er­pro­bung sei enorm: Ver­such vor­be­rei­ten, ihn durch­füh­ren, das Bau­teil ver­mes­sen. Ein, zwei Pa­ra­me­ter än­dern. Al­les wie­der von vor­ne – und bei je­dem neu­en Bau­teil von neu­em. Na­tür­lich hel­fen die be­reits ge­sam­mel­ten Er­fah­run­gen die­sen Pro­zess zu be­schleu­ni­gen. Fritz Hoff­meis­ter, ge­ra­de 29 Jah­re alt ge­wor­den, sucht nach ei­ner Ab­kür­zung. „Was, wenn wir all die Wech­sel­wir­kun­gen si­mu­lie­ren könn­ten, mit Ge­nau­ig­kei­ten im Mi­kro­me­ter­be­reich?“

Mul­ti­phy­sik­si­mu­la­ti­on lau­tet der An­satz, über den Hoff­meis­ters Weg führt. „Wir ent­wi­ckeln ein Si­mu­la­ti­ons­mo­dell, das che­mi­sche Re­ak­tio­nen, Wär­me­über­tra­gung, Mehr­pha­sen­fluid­strö­mung und das elek­tri­sche Feld ver­eint.“ Im Kern geht es dar­um, über den si­mu­lier­ten Strom­fluss den ex­ak­ten Me­tall­ab­trag und da­mit das ex­ak­te geo­me­trische End­re­sul­tat be­rech­nen zu kön­nen. „Ver­ein­facht ge­sagt: Wir schi­cken die Geo­me­trie ei­nes neu­en Bau­teils in ei­nen Su­per­rech­ner und füh­ren die Ite­ra­tio­nen vir­tu­ell durch. Zwei­di­men­sio­nal be­kom­men wir das schon ganz gut hin. Für ei­ne in­dus­tri­el­le An­wen­dung ist al­ler­dings be­son­ders die drei­di­men­sio­na­le Be­trach­tung ent­schei­dend. Dar­an ar­bei­ten wir auf Hoch­tou­ren.

Zu­erst hat­te Hoff­meis­ter den Ma­schi­nen­bau-Ba­che­lor ge­macht und für den Mas­ter of Science dann den Stu­di­en­gang „Tech­ni­sche Be­rech­nung und Si­mu­la­ti­on“ an der Hoch­schu­le Mün­chen dar­auf­ge­setzt. Ne­ben­her ar­bei­te­te er be­reits bei ei­nem Un­ter­neh­men im Au­to­mo­bil­sek­tor. Dort be­rech­ne­te er Car-Crash­si­mu­la­tio­nen so­wie Mul­ti­phy­sik-Air­bagsi­mu­la­tio­nen. Zur MTU kam er über sei­ne Mas­ter­ar­beit: „Nu­me­ri­sche Si­mu­la­ti­on der 3D-Elek­tro­lytströ­mung so­wie der voll­ge­kop­pel­ten 2D-Mul­ti­phy­sik beim ECM-Ver­fah­ren“.

Dass der Ti­tel ge­nau dem ent­spricht, was Hoff­meis­ter heu­te bei der MTU macht, ist kein Zu­fall. Als er mit der Mas­ter­ar­beit auf die sprich­wört­li­che Ziel­ge­ra­den ein­bog, be­kam er ein Über­nah­me­an­ge­bot – und un­ter­schrieb.

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