DE69829844T2

DE69829844T2 - Verfahren zum modellieren von dreidimensionalen objekten und simulation von flüssigkeitsströmung

Info

Publication number: DE69829844T2
Application number: DE69829844T
Authority: DE
Inventors: Gang Hua YU; Roland Thomas
Original assignee: Moldflow Pty Ltd
Current assignee: Moldflow Pty Ltd
Priority date: 1997-03-20
Filing date: 1998-02-27
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2018-02-28
Also published as: CN1158619C; BR9808026A; WO1998043179A1; DE968473T1; CN1251186A; EP0968473B1; JP4384266B2; NZ337718A; DE69829844D1; HK1025822A1; ES2244047T3; CA2284002C; EP0968473B2; CA2284002A1; JP2001519069A; BR9808026B1; DE69829844T3; EP0968473A4; PT968473E; EP0968473A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Modellieren von Feststoffobjekten, insbesondere zur Verwendung bei der Simulierung eines Fluidflusses, das zum Beispiel verwendet werden sollen, um Prototypen vor der Herstellung zu simulieren. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Verfahren beim Entwurf von Artikeln verwendet, die durch Spritzgießen, vorzugsweise aus geschmolzenen Kunststoffmaterialien, hergestellt werden sollen.
Das Modellieren von Feststoffobjekten wird auf verschiedenen Gebieten eingesetzt. Beispielsweise wird ein derartiges Modellieren bei der Simulation eines Spritzgießens verwendet. Auf diesem Gebiet ist es allgemein anerkannt, dass die Füll- und Packphasen des Spritzgießens eine bedeutende Auswirkung auf die visuellen und mechanischen Eigenschaften eines gegossenen Objekts haben. Eine Simulation wird verwendet, um vorgeschlagene Gestalten und Injektionspunkte und somit die abschließende Qualität des letztendlichen Artikels zu analysieren. Eine an jede Spritzgussform gestellte Anforderung besteht darin, dass sie angesichts der Druckgrenzen einer echten Spritzgussmaschine mit einem geschmolzenen Polymer gefüllt werden kann. Eine Simulation kann Informationen darüber liefern, ob die Form gefüllt werden kann, und über das Füllmuster, das erreicht wird. Durch Verwendung der Simulation ist es möglich, optimale Torstellen und Verarbeitungsbedingungen zu ermitteln. Es ist möglich, die Position von Schweißlinien und Lufteinschlüssen vorauszusagen. Aus einer Simulation ergeben sich wirtschaftliche Vorteile, da vor der tatsächlichen Herstellung der Form Probleme vorausgesagt und Lösungen getestet werden können. Dies eliminiert eine kostspielige Nacharbeitung und verringert die Zeit, die benötigt wird, bis ein Objekt in die Produktion gelangt.
Es wurde eine Simulationstechnologie entwickelt, die allgemein Finite-Elemente-/Finite-Differenz-Techniken verwendet, um maßgebliche Gleichungen bezüglich Fluidfluss und Wärmeübertragung zu lösen. Um die Zeit, die für die Analyse benötigt wird, und somit die erforderlichen Computerressourcen zu minimieren, wird die Hele-Shaw-Annäherung herangezogen, um die maßgeblichen Gleichungen zu vereinfachen. Man stellte fest, dass diese Vereinfachung eine ausreichende Genauigkeit für das Spritzgießen liefert, jedoch das Erfordernis einer spezifischen Modellierung des Rechenbereichs erzeugt.
Das Spritzgießen ist ein hervorragender Prozess zum Herstellen, auf wiederholbare Weise, großer Anzahlen von Objekten oder Teilen, die komplizierte Geometrien aufweisen. Eine Charakteristik von spritzgegossenen Komponenten besteht darin, dass die Dicke der Wand allgemein ein geringer Bruchteil der Gesamtlänge der Komponente ist. Angesichts der niedrigen Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen ist dieses physikalische Merkmal wesentlich, um die kurzen Zykluszeiten zu erzielen, die den Prozess so attraktiv machen.
Der Fluss von geschmolzener Masse in einer Spritzgussform wird durch die bekannten Erhaltungssätze in der Strömungsmechanik bestimmt. Die Lösung der Gleichungen in deren ganzer Allgemeinheit stellt mehrere praktische Probleme dar. Auf Grund der charakteristisch dünnen Wände von gegossenen Komponenten ist es jedoch möglich, einige sinnvolle Annahmen zu treffen, die zu einer Vereinfachung der maßgeblichen Gleichungen führen. Diese vereinfachten Gleichungen beschreiben den so genannten Hele-Shaw-Fluss und können unter Verwendung einer geeigneten numerischen Technik wie z.B. des Finite-Elemente- und/oder des Finite-Differenz-Verfahrens ohne weiteres in komplexen Geometrien gelöst werden.
Die Spritzgusssimulation wird nun routinemäßig als wünschenswerter Aspekt des Entwurfs von Kunststoffteilen ange sehen. Desgleichen führte eine verbesserte Technologie des rechnergestützten Zeichnens (CAD-Technologie, CAD = computer aided drafting) zur weit verbreiteten Verwendung eines Oberflächen- und Feststoffmodellierens. Damit verbundene Vorteile sind die Fähigkeit, ein Objekt besser zu visualisieren, numerisches Schneiden zu verwenden, und die Möglichkeit, mehr Gleichzeitigkeit beim technischen Entwurf und der Herstellung zu erzielen. Wenn die Hele-Shaw-Annäherung verwendet wird, erfordert eine Kunststoff-CAE-Analyse immer noch die Verwendung eines Oberflächenmodells, das die Mittelebene der echten Komponente darstellt, die anschließend mit dreieckigen oder viereckigen Elementen, denen geeignete Dicken zugeschrieben werden, vermascht wird. Die Herstellung einer derartigen Masche bzw. eines derartigen Maschenwerks (engl.: mesh) kann beträchtliche Zeit in Anspruch nehmen und erfordert eine beträchtliche Eingabe seitens des Benutzers; da dieser Schritt so arbeitsintensiv ist, erfordert eine Modellherstellung proportional die meiste Zeit, wenn eine Gießsimulation durchgeführt wird, wodurch diese Technik zeitaufwändig wird. Da die Modellherstellung eine interaktive Aufgabe ist, ist diese außerdem mit höheren Kosten verbunden als wenn man einfach ein Computerprogramm laufen lässt.
In „Optimizing injection-molded parts" (Mechanical Engineering, 118 (10) (1996) 89–90) erörtert Dan Deitz einen automatisierten Prozess zum Erstellen einer Mittelebene-Maschenwerk-Darstellung eines dreidimensionalen Objekts. Dieser Lösungsansatz wird in den meisten Fällen als erfolgreich beschrieben, in manchen Fällen erforderte die sich ergebende Mittelebene jedoch eine Verbesserung mittels einer manuellen Manipulation.
Diese herkömmliche Technik zur Simulierung von dreidimensionalen Körpern ist in den 1 bis 3 der beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht, in denen:
1 ein repräsentatives Beispiel eines Artikels ist, der durch Spritzgießen in Form einer T-förmigen Komponente hergestellt werden soll;
2 eine Mittelebene-Darstellung der Komponente der 1 ist, die vermascht ist; und
3 eine Ansicht der wichtigsten Ergebnisse einer herkömmlichen Analyse ist, die die Position der vorrückenden Schmelzmasse zu bestimmten Zeitpunkten zeigt.
Eine Lösung der oben genannten Unzulänglichkeiten besteht darin, die Verwendung der Hele-Shaw-Gleichungen zu vermeiden und die maßgeblichen Gleichungen in ihrer ganzen Allgemeinheit zu lösen. Auf Grund der Dünnwandigkeit von spritzgegossenen Objekten und Teilen bringt dies inhärente Probleme mit sich. Um eine derartige Analyse durchzuführen, muss die Region, die den Gusshohlraum darstellt, in den dann geschmolzenes Polymer eingespritzt bzw. injiziert wird, in kleine Teilbereiche, die als Elemente bezeichnet werden, unterteilt bzw. klassifiziert werden. Üblicherweise weisen diese Elemente eine tetraedrische oder hexaedrische Gestalt auf. Dieser Prozess der Unterteilung wird als Maschenbildung bezeichnet, und das sich ergebende Netzwerk aus Tetraedern oder Hexaedern wird als Maschenwerk bezeichnet.
EP 0 698 467 offenbart einen derartigen Lösungsansatz, bei dem ein dreidimensionales Modell eines Hohlraums, in dem Fluid fließt, in eine Mehrzahl kleiner dreidimensionaler Elemente unterteilt wird; der Flussleitwert des Fluids an jedem Element wird als kleiner Wert ermittelt, wenn sich das Element nahe bei der Hohlraumwand befindet, und wird als großer Wert ermittelt, wenn das Element weit von der Hohlraumwand entfernt ist, und der Druck des Fluids an jedem Element wird auf der Basis dieser Flussleitwerte be stimmt. Dieses Modell wird anschließend zum Analysieren eines Fluidflussprozesses wie z.B. Spritzgießen verwendet.
Auf Grund der komplizierten Gestalt vieler spritzgegossener Objekte und Teile ist es allgemein nicht möglich, den Hohlraum mit hexaedrischen Elementen automatisch zu vermaschen. Jedoch ist es möglich, den Bereich automatisch mit tetraedrischen Elementen zu vermaschen. Die Dünnwandigkeit von spritzgegossenen Objekten und Teilen bedeutet, dass der Kunststoff in der Dickenrichtung der Komponente einem riesigen Wärmegradienten unterworfen ist. Dies erfordert, dass durch die Dicke hindurch eine sinnvolle Anzahl von Elementen vorliegt. Unter Verwendung der vorhandenen Vermaschungstechnologie ist das Ergebnis ein Maschenwerk, das aus Hunderttausenden oder sogar Millionen von Elementen besteht. Die hohe Anzahl von Elementen führt dazu, dass das Problem für alle bis auf die schnellsten Supercomputer schwer zu handhaben ist. Diese trifft man in der Industrie jedoch selten an, da sie in Kauf und Unterhalt extrem kostspielig sind. Obwohl also die dreidimensionale Simulierung eine Lösung liefert, die das Erfordernis eines Mittelebenemodells vermeidet, ist sie noch keine praktische Lösung.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren zur Simulation eines Flusses in einem dreidimensionalen Objekt zu liefern, das Simulationen im Wesentlichen automatisch erzeugen kann, ohne dass die Lösung der maßgeblichen Gleichungen in ihrer ganzen Allgemeinheit erforderlich ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
Gemäß einem ersten, breiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist somit ein computerimplementiertes Verfahren zum Erzeugen von Simulationen eines Fluidflusses in einem dreidimensionalen Objekt vorgesehen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Festlegen einer ersten und einer zweiten Oberfläche des Objekts, die einander allgemein gegenüberliegen,
Abstimmen von Paaren von Elementen der ersten und der zweiten Oberfläche, zwischen denen eine sinnvolle Dicke definiert werden kann.
Festlegen eines Fluidinjektionspunkts und
Durchführen einer Flussanalyse, wodurch sich ergebende Flussfronten entlang der ersten und der zweiten Oberfläche synchronisiert werden.
Es ist zu erwähnen, dass in diesem Kontext einander allgemein gegenüberliegende Oberflächen parallel sein können, einander zugeneigt sein können, sich in einem spitzen Winkel oder auf andere Weise treffen können und nicht planar sein müssen, vorausgesetzt, dass dem Raum zwischen den Oberflächen eine sinnvolle Dicke oder sinnvolle Dicken zugewiesen werden können.
Vorzugsweise wird der Injektionspunkt im Wesentlichen vom Beginn der Flussanalyse an mit all den Positionen verbunden.
Vorzugsweise bleibt der Injektionspunkt zu im Wesentlichen jedem Zeitpunkt in der Flussanalyse im Anschluss an das erste Verbinden so verbunden.
Obwohl der Injektionspunkt an einem gewissen Punkt in der Flussanalyse und im Wesentlichen auf kontinuierliche Weise danach mit allen diesen Stellen verbunden werden muss, kann der Injektionspunkt somit anfangs unverbunden bleiben. Obwohl dies die Genauigkeit der abschließenden Analyse negativ verringern kann, kann es trotzdem ermöglichen, dass die Analyse nützliche Ergebnisse liefert.
Vorzugsweise ist die Injektion eine einer Mehrzahl von Injektionspunkten.
Vorzugsweise wird die Synchronisation der Flussfronten regelmäßig geprüft.
Vorzugsweise werden die Flussfronten synchronisiert, wenn festgestellt wird, dass sie nicht oder nicht mehr synchronisiert sind.
Vorzugsweise wird das Prüfen bei jedem Zeitschritt durchgeführt.
Obwohl es für einfache Objekte ausreichend ist, Flussfronten zu synchronisieren, indem der Injektionspunkt oder die Injektionspunkte mit allen Stellen verbunden werden, erfordern komplexere Teile diese Synchronisation somit bei jedem Rechenzeitschritt.
Vorzugsweise sind die erste und die zweite Oberfläche, die einander allgemein gegenüberliegen, eines einer Mehrzahl von Paaren von allgemein gegenüberliegenden Oberflächen.
Wo die vorhandenen Techniken also eine einzelne Mittelebene-Darstellung des Objekts verwenden, in dem ein Fluss zu modellieren ist, und mit dieser Darstellung eine Simulation durchführen, verwendet das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung also lediglich die Außenoberflächen, die das dreidimensionale Objekt definieren, um einen Rechenbereich zu erzeugen. Diese entsprechen Darstellungen (bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vermaschten Darstellungen) des Bereichs, in dem ein Fluss simuliert werden soll, und umfassen beispielsweise vermaschte Darstellungen der oberen und der unteren Oberfläche eines Teils. Somit könnte man bei einem derartigen Beispiel sagen, dass die Erfindung ein Außenhautmaschenwerk und nicht ein Mittelebene-Maschenwerk verwendet. Auf der Basis der Fähigkeit, eine Dicke zwischen solchen Elementen zu identifizieren, werden Elemente der zwei Oberflächen abgestimmt. Dann wird im Wesentlichen auf herkömmliche Weise (beispielsweise mittels der Hele-Shaw-Gleichungen) eine Analyse des Flusses in jedem dieser Bereiche, in denen ein Fluss simuliert werden soll, durchgeführt, jedoch verbunden, um eine Übereinstimmung mit der modellierten physikalischen Realität zu gewährleisten.
Vorzugsweise werden jeglichen nichtabgestimmten Elementen der ersten und der zweiten Oberfläche, da sie Elemente sind, die nichtabgestimmt werden konnten, Dicken zugewiesen, die den Durchschnitt der Dicken benachbarter abgestimmter Elemente, wo derartige benachbarte abgestimmte Elemente existieren, bilden, oder Dicken von benachbarten nichtabgestimmten Elementen, wo derartige benachbarte abgestimmte Elemente nicht existieren und den benachbarten nichtabgestimmten Elementen Dicken zugewiesen wurden.
Somit können schließlich allen abgestimmten und nichtabgestimmten Elementen der ersten und der zweiten Oberfläche Dicken zugewiesen werden.
Vorzugsweise wird jedem Element einer Kantenoberfläche, die eine Oberfläche zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche ist und entweder zu der ersten oder der zweiten Oberfläche benachbart ist, eine Dicke zugewiesen, die proportional zu der Dicke des Elements der ersten oder der zweiten Oberfläche ist, zu dem das Element der Kantenoberfläche benachbart ist.
Vorzugsweise wird jedem Element einer Kantenoberfläche eine Dicke zugewiesen, die zwischen dem 0,5-fachen und dem 1,5-fachen der Dicke des Elements der ersten oder der zweiten Oberfläche, zu dem das Element der Kantenoberfläche benachbart ist, beträgt.
Vorzugsweise wird jedem Element einer Kantenoberfläche eine Dicke zugewiesen, die zwischen dem 0,7-fachen und dem 0,9-fachen der Dicke des Elements der ersten oder der zweiten Oberfläche, zu dem das Element der Kantenoberfläche benachbart ist, beträgt.
Noch stärker bevorzugt wird jedem Element einer Kantenoberfläche eine Dicke zugewiesen, die das 0,75-fache der Dicke des Elements der ersten oder der zweiten Oberfläche, zu dem das Element der Kantenoberfläche benachbart ist, beträgt.
Vorzugsweise wird jedem Element einer Kantenoberfläche, das nicht zu der ersten oder der zweiten Oberfläche benachbart ist, eine Dicke zugewiesen, die die durchschnittliche Dicke benachbarter Elemente der Kantenoberfläche, denen Dicken zugewiesen wurden, beträgt.
Somit gewährleistet ein Zuweisen einer Dicke zu jedem Element beider Oberflächen und von Kantenoberflächen, dass bei der Simulation die größte Genauigkeit erzielt wird.
Vorzugsweise wird ein Fluss bei einer Rate simuliert, die direkt proportional zu einer gewünschten Flussrate für das Objekt ist.
Die gewünschte Flussrate ist üblicherweise eine Flussrate, die einfach auf der Basis des Volumens des zu füllenden Objekts und der gewünschten Füllzeit durch einen Benutzer ausgewählt wird.
Vorzugsweise ist die Rate proportional zu dem Verhältnis des Rechenbereichsvolumens des Objekts zu dem echten Volumen des Objekts.
Stärker bevorzugt ist die Rate im Wesentlichen gleich dem Verhältnis des Rechenbereichsvolumens zu dem echten Volumen.
Dieser Lösungsansatz kann verwendet werden, um die Modifikation des effektiven Volumens des modellierten Objekts auf Grund der Verwendung zweier Bereiche (die z.B. der oberen und der unteren Oberfläche zugeordnet sind) statt eines vermaschten Bereichs, wie bei dem Mittelebene-Lösungsansatz, zu kompensieren. Das Rechenbereichsvolumen ist somit dieses effektive Volumen, das für die Zwecke des Modellierens des Objekts verwendet wird und das am stärksten bevorzugt etwa das Doppelte des echten Volumens beträgt.
Vorzugsweise wird das Verfahren mit einer ersten und einer zweiten Darstellung der ersten bzw. der zweiten Oberfläche durchgeführt, die eine erste bzw. eine zweite Masche oder ein erstes bzw. ein zweites Gitter umfassen, wobei die Elemente Zwischenräume der ersten und der zweiten Masche oder des ersten und des zweiten Gitters sind.
Vorzugsweise sind die Elemente dreieckig oder viereckig.
Wenn die Elemente dreieckig sind, sind die Elemente vorzugsweise im Wesentlichen gleichseitig.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ein Erstellen der ersten und der zweiten Darstellung.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren ein Erzeugen verbesserter Darstellungen der ersten und der zweiten Oberfläche, wodurch die Elemente Elemente der verbesserten Darstellungen sind und das Verfahren mit den verbesserten Darstellungen durchgeführt wird.
Vorzugsweise sind die erste und die zweite Darstellung eine Darstellung oder Darstellungen für eine Stereolithographie des Objekts oder ein Teil derselben.
Somit können Computerdarstellungen der zwei Oberflächen als Eingabe in das Verfahren bereitgestellt werden, können durch das Verfahren hergestellt werden, oder das Verfahren kann – falls es mit Darstellungen der Oberflächen ausgestattet ist – verbesserte Darstellungen erzeugen. Wie oben beschrieben wurde, umfassen besonders bevorzugte Darstellungen diejenigen mit Elementen, die gleichseitige Dreiecke aufweisen.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das oben beschriebene Verfahren mittels eines Computers durchgeführt, der ein Computerprogramm betreibt, das das Verfahren zum Simulieren eines Fluidflusses codiert.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren optional Korrekturen bezüglich nicht-isothermer Temperaturfelder und/oder nicht-Newtonscher Fluide.
Somit können bekannte Techniken zum Einschließen der Effekte von nicht-isothermen Temperaturfeldern und nicht-Newtonschen Fluiden enthalten sein, so dass physikalisch treuere Simulationen durchgeführt werden können, sowie schnellere Simulationen ohne diese Korrekturen, wenn Geschwindigkeit erwünscht ist, durchgeführt werden können, sogar auf Kosten der Präzision.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Simulieren eines Fluidflusses in einem dreidimensionalen Objekt, das eine erste und eine zweite Oberfläche aufweist, die sich allgemein gegenüberliegen, vorgesehen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Liefern oder Erzeugen einer ersten und einer zweiten Darstellung der ersten beziehungsweise der zweiten Oberfläche;
Erzeugen einer ersten und einer zweiten verbesserten Darstellung aus der ersten beziehungsweise der zweiten Darstellung;
Abstimmen jedes Elements der ersten verbesserten Darstellung der ersten Oberfläche mit einem Element der zweiten verbesserten Darstellung der zweiten Oberfläche, zwischen denen eine sinnvolle Dicke definiert werden kann, wobei ab gestimmte Elemente der ersten verbesserten Darstellung einen ersten Satz von abgestimmten Elementen umfassen, und abgestimmte Elemente der zweiten verbesserten Darstellung einen zweiten Satz von abgestimmten Elementen umfassen,
Festlegen eines Fluidinjektionspunkts,
Durchführen einer Flussanalyse unter Verwendung jedes Satzes der abgestimmten Elemente, wodurch der Injektionspunkt mit allen Stellen auf der ersten und der zweiten verbesserten Darstellung verbunden ist, von denen ein Fluss ausgehen kann, so dass sich ergebende Flussfronten entlang der ersten und der zweiten verbesserten Darstellung synchronisiert werden.
Vorzugsweise sind die erste und die zweite Darstellung eine Darstellung oder Darstellungen für eine Stereolithographie des Objekts oder ein Teil derselben.
Vorzugsweise umfassen die erste und die zweite verbesserte Darstellung kleine gleichseitige dreieckige Elemente.
Gemäß einem weiteren, breit gefassten Aspekt der Erfindung ist ein Computer vorgesehen, der mit einem Computerprogramm versehen ist oder ein Computerprogramm betreibt, das das oben beschriebene Verfahren zum Simulieren eines Fluidflusses codiert.
Bei einem weiteren breit gefassten Aspekt der Erfindung ist ein Computerspeichermedium vorgesehen, das mit einem Computerprogramm ausgestattet ist, das das oben beschriebene Verfahren zum Simulieren eines Fluidflusses verkörpert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Simulieren eines Fluidflusses in einem dreidimensionalen Objekt, das eine erste und eine zweite Oberfläche aufweist, die einander allgemein gegenüber liegen, vorgesehen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Abstimmen jedes Elements der ersten Oberfläche mit einem Element der zweiten Oberfläche, zwischen denen eine sinnvolle Dicke definiert werden kann, wobei abgestimmte Elemente der ersten Oberfläche einen ersten Satz von abgestimmten Elementen bilden, und abgestimmte Elemente der zweiten Oberfläche einen zweiten Satz von abgestimmten Elementen bilden,
Festlegen eines Fluidinjektionspunkts,
Durchführen einer Flussanalyse unter Verwendung jedes Satzes der abgestimmten Elemente, und
Synchronisieren von Flussfronten, die sich aus der Flussanalyse ergeben, entlang der ersten und der zweiten Oberfläche.
Vorzugsweise werden die Flussfronten im Wesentlichen vom Beginn der Flussanalyse synchronisiert.
Alternativ dazu werden die Flussfronten nach dem Beginn der Flussanalyse zum ersten Mal synchronisiert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Simulieren eines Fluidflusses in einem dreidimensionalen Objekt, das eine erste und eine zweite Oberfläche aufweist, die einander allgemein gegenüberliegen, vorgesehen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Abstimmen jedes Elements der ersten Oberfläche mit einem Element der zweiten Oberfläche, zwischen denen eine sinnvolle Dicke definiert werden kann, wobei abgestimmte Elemente der ersten Oberfläche einen ersten Satz von abgestimmten Elementen bilden, und abgestimmte Elemente der zweiten Oberfläche einen zweiten Satz von abgestimmten Elementen bilden,
Festlegen eines Fluidinjektionspunkts,
Durchführen einer Flussanalyse unter Verwendung des ersten Satzes von abgestimmten Elementen,
Anpassen der Flussanalyse an den zweiten Satz von abgestimmten Elementen, und
Synchronisieren von Flussfronten, die sich aus der Flussanalyse und der Anpassung der Flussanalyse ergeben, entlang der ersten und der zweiten Oberfläche.
Somit ist es in manchen Fällen möglich, das Verfahren unter Verwendung lediglich eines der Sätze von Elementen und anhand eines Abbildens des Ergebnisses auf den anderen Satz und eines Vornehmens einer geringfügigen Anpassung der Analyse, um etwaige Unterschiede zwischen den zwei Oberflächen zu berücksichtigen, durchzuführen.
Vorzugsweise wird das Verfahren mit einer ersten und einer zweiten Darstellung der ersten bzw. der zweiten Oberfläche durchgeführt, die eine erste bzw. eine zweite Masche oder ein erstes bzw. ein zweites Gitter umfassen, wobei die Elemente Zwischenräume der ersten und der zweiten Masche oder des ersten und des zweiten Gitters sind.
Vorzugsweise sind die Elemente dreieckig, und am stärksten bevorzugt gleichseitige Dreiecke.
Vorzugsweise sind die Elemente viereckig.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ein Erzeugen der ersten und der zweiten Darstellung und stärker bevorzugt das Erzeugen verbesserter Darstellungen entweder ausgehend von den ursprünglichen Oberflächen oder ausgehend von der ers ten und der zweiten Darstellung, und ein Durchführen des Verfahrens mit Elementen der Darstellungen oder verbesserten Darstellungen.
Bei allen obigen Verfahren gemäß den Aspekten der vorliegenden Erfindung ist bevorzugt, dass die Synchronisierung ein Abstimmen des Drucks und der Temperatur umfasst.
Gemäß einem bestimmten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Simulieren eines Fluidflusses in einem dreidimensionalen Objekt, das eine erste und eine zweite Oberfläche aufweist, die einander allgemein gegenüberliegen, vorgesehen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Abstimmen jedes Elements der ersten Oberfläche mit einem Element der zweiten Oberfläche, zwischen denen eine sinnvolle Dicke definiert werden kann, wobei abgestimmte Elemente der ersten Oberfläche einen ersten Satz von abgestimmten Elementen bilden, und abgestimmte Elemente der zweiten Oberfläche einen zweiten Satz von abgestimmten Elementen bilden,
Festlegen einer Mehrzahl von Fluidinjektionspunkten,
Durchführen einer Flussanalyse unter Verwendung jedes Satzes der abgestimmten Elemente, wodurch die Injektionspunkte mit allen Stellen auf der ersten und der zweiten Oberfläche, von denen ein Fluss ausgehen kann, verbunden sind, so dass sich ergebende Flussfronten entlang der ersten und der zweiten Oberfläche abgestimmte Flussraten aufweisen.
Unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beispielhaft beschrieben. Es zeigen.
4 ein Beispiel eines Stereolithographie-Maschenwerks des T-förmigen Objekts der 1;
5a ein anfängliches Maschenwerk, das bei einem Neuvermaschungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
5b–f das Maschenwerk der 5a, das gemäß dem Neuvermaschungsverfahren progressiv neuvermascht wird;
6 das Maschenwerk der 4, die gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung neuvermascht wird;
7a eine Ansicht eines Maschenwerks, das mittels herkömmlicher Modellierungstechniken für eine flache Platte erzeugt wurde;
7b eine Ansicht einer entsprechenden Masche, die gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung für eine flache Platte erzeugt wurde;
8 eine Oberflächenabstimmung für eine flache Platte gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel;
9 eine der 8 ähnelnde Ansicht, die im Querschnitt die Kanten, abgestimmten Oberflächen und nichtabgestimmten Oberflächen eines weiteren T-förmigen Objekts gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel veranschaulicht;
10 eine Querschnittsansicht, die die Kanten, abgestimmten Oberflächen, abgestimmten verjüngten Oberflächen, nichtabgestimmten Oberflächen und nichtabgestimmten Kanten eines weiteren T-förmigen Objekts gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel veranschaulicht;
11 eine Ansicht eines einfachen Objekts, die Injektionspunkte zeigt;
12 eine Ansicht eines Objekts, das sich schneidende Platten aufweist, mit einem durch einen Benutzer ausgewählten Injektionspunkt gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel;
13 eine vergrößerte Ansicht des Objekts der 12, die die Injektionspunkte zeigt, die benötigt werden, um zu ermöglichen, dass ein Fluss auf richtige Weise von dem ausgewählten Punkt ausgeht, gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel;
14 einen Querschnitt einer Platte, wobei sich eine Flussfront von links vorschiebt und auf der oberen Oberfläche ein wenig in Führung ist, gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel;
15 in einer Querschnittsansicht die Synchronisierung eines Flusses in einer gerippten Platte, wobei sich der Fluss aufteilt und auch eine vertikale Rippe füllt, gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel;
16 in einer Querschnittsansicht die Zuweisung von identischen Drücken an Knoten, um Flussfronten an einer Rippe zu synchronisieren, gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel; und
17 eine der 3 ähnelnde Ansicht, die gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erzeugt wurde.
Ein Verfahren zum Simulieren eines Fluidflusses in einem dreidimensionalen Objekt gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet drei Hauptschritte:

1) Herstellung einer Geometrie,
2) Auswahl von Injektionspunkten und
3) Analyse.

Bevor diese Schritte jedoch bewerkstelligt werden, wird die Eingabe für die Simulation erstellt. Maschengeneratoren zum Erzeugen von Finite-Elemente-Maschen sind allgemein ein kostspieliger Zusatz zu dem CAD-Basissystem. Folglich weisen viele CAD-Installationen nicht die Fähigkeit zu einer Erzeugung von Finite-Elemente-Analyse-Maschen (FEA-Maschen, FER = finite element analysis) auf. Um die Implementierung der Erfindung zu ermöglichen, wurde das Verfahren dazu entworfen, das Erfordernis eines Maschengenerators zu vermeiden. Dies erfolgt durch Verwendung des Maschentyps, der für Stereolithographie zur Verfügung steht. Die Stereolithographie, eine Prototypentwurfstechnik, die in der Industrie in großem Umfang eingesetzt wird, wird verwendet, um zur Montage oder Auswertung Prototypkomponenten zu erzeugen. Sie erfordert eine Stereolithographie-Vorrichtung und nimmt eine Computerdatei, die als „SLA"-Datei bekannt ist, als Eingabe. Die Fähigkeit, SLA-Dateien auszugeben, ist bei CAD-Systemen üblich. Jedoch ist der erzeugte Triangulationstyp nicht gut genug für FEA. Charakteristisch für die SLA-Datei ist der Einschluss mehrerer sehr langer, schmaler Dreiecke eines hohen Seitenverhältnisses, wie sie in 4 gezeigt sind.
Ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst somit einen Neuvermaschungsalgorithmus (oder Neuvermascher), der als Eingabe die Dreiecke aus einer Stereolithographie-SLA-Datei (oder einer ähnlichen Datei) verwendet und neu vermascht, um ein Maschenwerk zu erzeugen, das bei der Analyse verwendet werden kann.
An der Eingabe eines Stereolithographie-Maschenwerks und seiner Weiterentwicklung zu Elementen zur Analyse sind mehrere Schritte beteiligt. Diese Schritte lauten:

• Eingabe eines Maschenwerks
• Prüfen des Maschenwerks
• Unterteilung des Maschenwerks in Oberflächen und
• Neuvermaschung.

Jeder dieser Schritte wird nachfolgend beschrieben.
Eingabe eines Maschenwerks
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das eingegebene Maschenwerk die für die Stereolithographie verwendete Form auf. Alternativ dazu könnte die Eingabe jedoch auch IGES-Oberflächen (die dann intern vermascht würden), ein Oberflächenmaschenwerk von Vierecken oder eine Mischung aus Vierecken und Dreiecken, tetraedrische oder hexaedrische Maschenwerke sein.
Prüfen des Maschenwerks
Das eingegebene Maschenwerk wird geprüft, um zu gewährleisten, dass es geschlossen und ausrichtbar ist. Das Maschenwerk wird einheitlich ausgerichtet, so dass eine Einheit, die zu jedem Element senkrecht ist, von dem Innenvolumen, das die Feststoffregion definiert, die das modellierte Objekt oder Teil darstellt, nach außen zeigt. Das Volumen dieser Region und die Fläche des Maschenwerks werden berechnet und gespeichert. Die durch das eingegebene Maschenwerk definierte Anzahl von Teilen wird ebenfalls ermittelt.
Unterteilung eines Maschenwerks in Oberflächen
Die folgenden Eigenschaften für jedes Element in dem Maschenwerk werden festgestellt oder berechnet und gespeichert:

• Fläche
• Senkrecht an dem Massepunkt des Elements
• Kantenlängen des Elements
• Innenwinkel an den Scheitelpunkten der Elemente
• benachbarte Elemente (die Elemente, die an jeder Seite des betrachteten Elements angebracht sind) und
• Biegewinkel zwischen benachbarten Elementen (der Winkel zwischen Senkrechten von benachbarten Elementen).

Anschließend werden Knoteneigenschaften festgestellt, berechnet und gespeichert. Diese lauten:

• Messung der minimalen Krümmung (wird berechnet, indem die an einem Knoten angebrachten Elemente betrachtet werden und indem der Winkel zwischen jedem benachbarten Paar von Elementen festgestellt wird, wodurch die Messung der minimalen Krümmung dann der geringste derartige Winkel zwischen angebrachten Paaren von Elementen ist)
• Verbindungselemente (der Satz von mit dem Knoten verbundenen Elementen) und
• Anzahl von mit dem Knoten verbundenen Kanten.

Anschließend werden unter Verwendung eines Wertes eines Biegewinkels Oberflächenkanten berechnet, um Elemente in Oberflächen zu gruppieren. Auf diese Weise gebildete Oberflächen werden anschließend in folgende unterteilt:

• planare Oberflächen und
• Oberflächen mit geringer Krümmung.

Anschließend erfolgt eine weitere Unterteilung, um Oberflächen und Kanten mit hoher Krümmung zu erzeugen. Die folgenden Eigenschaften von Kanten werden festgestellt oder berechnet und gespeichert:

• Länge
• Biegewinkel
• Biegerichtung (nach innen oder nach außen) und
• benachbarte Elemente.

Anschließend werden Oberflächenschleifen erzeugt. Diese sollen definitionsgemäß die ausgerichteten Kanten von Oberflächen sein. Man sollte beachten, dass eine Oberfläche, die ein Loch aufweist, zwei zugeordnete Schleifen aufweist – eine für die Außenkanten und eine, die das Innenloch beschreibt. Schleifeneigenschaften werden anschließend festgestellt oder berechnet und gespeichert:

• Länge und
• mit der Schleife verbundene Kanten.

Die folgenden Oberflächeneigenschaften werden festgestellt oder berechnet und gespeichert:

• Umfang
• Fläche
• Knoten in der Oberfläche
• Elemente in der Oberfläche
• Kanten und
• minimales Krümmungsmaß.

Neuvermaschung
Nachdem die Oberflächen klassifiziert bzw. unterteilt wurden, wird das jeder Oberfläche zugeordnete Maschenwerk unter Verwendung eines Halbierungsalgorithmus, der die längste Seite eines Dreiecks halbiert und zusätzliche Elemente erzeugt, weiterentwickelt. Dies ist in den 5a–f veranschaulicht. 5a zeigt das anfängliche Maschenwerk. Das Maschenwerk wird weiterentwickelt, indem an dem Mittelpunkt der längsten Elementseite ein Knoten definiert wird und indem Linien zu Scheitelpunkten verlängert werden, um zusätzliche Dreiecke zu definieren. In den 5b bis 5f definieren der Mittelpunkt der längsten Seite (mit o bezeichnet) und die gestrichelten Linien, die sich von diesem Punkt an erstrecken, die neuen Elemente. Die Neuvermaschung wird fortgesetzt, bis die Elemente ein Größenkriterium erfüllen.
Das Ergebnis des Neuvermaschungsalgorithmus, wenn er auf das in 4 gezeigte Maschenwerk angewandt wird, ist in 6 gezeigt. Diesbezüglich ist das ideale Dreieck gleichseitig: man kann sehen, dass die Dreiecke in 6 viel gleichmäßiger sind und diesem Ideal viel näher kommen.
Das Verfahren wird somit als Eingabe Stereolithographie-Dateien (die üblicherweise mit einer Dateinamenerweiterung „.stl" erzeugt werden) und andere Dateien akzeptieren, die ähnlich sind, z.B. „Wiedergabe"-Dateien („render"-Dateien) (die von „Pro-Engineer" mit einer „.slp"-Erweiterung erzeugt werden).
In der Praxis kann als Eingabe in die Erfindung jegliches Dateiformat verwendet werden, das ein Maschenwerk (beispielsweise eines Gitters oder eines Vierecks), das die Außenoberflächen der Feststoffregion abdeckt, beschreibt. Der Neuvermascher wird immer verwendet, um die Maschenqualität zu verbessern und um das dreieckige Maschenwerk zum Zweck einer anschließenden Bearbeitung zu erzeugen.
Der erste Schritt ist dann die Herstellung der Geometrie, wobei die Geometrie des dreidimensionalen CAD-Feststoffmodells anhand herkömmlicher Techniken verarbeitet wird, um ein Oberflächenmaschenwerk zu liefern, das die Außenoberflächen eines Feststoffkörpers abdeckt, und nicht ein Mittelebene-Maschenwerk, wie es seitens des herkömmlichen Simulationslösungsansatzes benötigt wird. Diese Unterscheidung ist in den 7a und 7b dargestellt. 7a zeigt das Mittelebene-Maschenwerk für eine einfache Platte, die seitens der herkömmlichen Technik benötigt wird, wohingegen 7b das Maschenwerk zeigt, das gemäß der vorliegenden Erfindung für dasselbe Objekt verwendet wird. Ferner muss die Flussfront auf beiden Seiten der Oberfläche, in der das Material fließt, synchronisiert werden. Wenn in der Mitte der Platte Material eingespritzt wird, so fließt das Material im herkömmlichen Fall zu der Grenze des Teils oder Objekts und hält ohne jede Schwierigkeit an. Für das Oberflächenmaschenwerk auf dem Feststoffmodell (7b) fließt das Material zu der Außenkante, über die Kante hinweg und anschließend unter die obere Oberfläche. Dies weist sicherlich nicht auf das physikalische Phänomen eines Flusses in einer Platte hin, und somit werden dem Fluss bei Verwendung des Oberflächenmaschenwerks gemäß der Erfindung einige Einschränkungen auferlegt. Diese Einschränkungen bestehen darin, dass der Injektionspunkt alle Oberflächen, von denen ein Fluss ausgeht, verbinden muss, und dass die Flussfront entlang des oberen und des unteren Maschenwerks des Oberflächenmaschenwerks synchronisiert werden muss. Vorzugsweise wird diese Verbindung von dem Beginn der Flussanalyse an eingerichtet, eine erfolgreiche (wenn auch etwas weniger genaue) Analyse des Flusses kann jedoch auch dann durchgeführt werden, wenn diese Verbindung später beginnt. Um diese Aufgaben durchzuführen, muss das Oberflächenmaschenwerk in Oberflächen kategorisiert werden, die anschließend weiter klassifiziert werden, um eine Injektionsknotenauswahl und -synchronisation zu ermöglichen. Somit wird das Oberflächenmaschenwerk gemäß der vorliegenden Erfindung anschließend in einzelne Oberflächen gruppiert und klassifiziert. Die Oberflächenkategorien lauten:

• abgestimmt
• nichtabgestimmt und
• Kanten

Abgestimmte Oberflächen sind definitionsgemäß diejenigen, die eine Beziehung zu einer anderen Oberfläche haben, so dass eine Vorstellung einer Dicke zwischen denselben sinnvoll definiert werden kann. 8 veranschaulicht diese Idee. Die Oberflächen abcd und efgh können deutlich zugeordnet sein, so dass die Dicke t zwischen denselben definiert ist. Die Oberflächen abfe, bcgf, cdhg und daeh sind Kantenoberflächen und nichtabgestimmt.
9 verdeutlicht diese Konzepte näher. Diese Figur zeigt einen Querschnitt durch eine abgerundete Rippe. Hier befinden sich ab, cd und gh auf Kantenoberflächen. Die Linien aj und ed sind auf bc abgestimmt, fg und hi sind abgestimmt, und die gekrümmten Abschnitte ij und ef sind nichtabgestimmt. Es ist zu beachten, dass es nicht möglich ist, eine Dicke von nichtabgestimmten Oberflächen auf die oben beschriebene Weise sinnvoll zu definieren. Als letztes Beispiel veranschaulicht 10 einen verjüngten Rippenquerschnitt. Hier sind ab, cd und gh Kanten wie in 9. Die Linien aj und ed sind auf die Linie bc abgestimmt, und die gekrümmten Linien of und ij sind wie in 9 nichtabgestimmt. Jedoch werden fg und hi trotz der Verjüngung als abgestimmt angesehen. Wenn die Verjüngung extrem ist, ist es natürlich möglich, dass die die verjüngten Rippen bildenden Oberflächen eventuell nichtabgestimmt sind.
Wenn Oberflächen klassifiziert wurden, ist es möglich, Elementen auf abgestimmten Oberflächen eine Dicke zuzuweisen, die gleich der Entfernung zwischen den Oberflächen ist. Elementen auf Kantenoberflächen wird die Dicke der abgestimmten Oberflächen gegeben, an denen sie angebracht sind. Schließlich wird Elementen auf nichtabgestimmten Oberflächen die durchschnittliche Dicke von umgebenden Elementen auf abgestimmten Oberflächen gegeben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Maschenwerk auf jeder Seite des Objekts analysiert. Ein Schlüsselaspekt hierbei besteht darin, auf jeder Seite der abgestimmten Oberflächen eine ähnliche Flussfront zu erhalten. Da der Eintrittspunkt für den Fluss der Injektionsknoten ist und durch den Benutzer ausgewählt ist, gewährleistet das Verfahren, dass – ungeachtet dessen, wo der Benutzer Kunststoff einspritzen möchte – alle abgestimmten Oberflächen in der Nähe des Punktes an den Injektionsknoten gebunden sind. „Gebunden" beinhaltet, dass derselbe Druck und dieselbe Schmelztemperatur an dem Einspritzknoten allen anderen gebundenen Knoten zuteil wird.
11 zeigt einen Querschnitt einer rechteckigen Platte. Punkt A ist die Stelle, wo der Benutzer Kunststoff einspritzen möchte. Punkt AA ist der entsprechende Punkt auf der anderen Seite der Oberfläche. Punkt AA wird unter Verwendung der Informationen von der oben beschriebenen Klas sifikation von Oberflächen erfindungsgemäß automatisch bestimmt. Eine Einspritzung an diesem Punkt gewährleistet, dass der Fluss auf der oberen und der unteren Oberfläche abgestimmt ist. Desgleichen ist Punkt B der durch den Benutzer gewählte Punkt, und BB ist der entsprechende Punkt, der durch das Verfahren gemäß der Erfindung bestimmt wird, um zu gewährleisten, dass ein Fluss entlang der oberen und der unteren Oberfläche abgestimmt ist.
Die Auswahl eines Injektionsknotens bzw. von Injektionsknoten kann ziemlich komplex sein. Dies ist in 12 veranschaulicht, die ein aus sich schneidenden Platten zusammengesetztes Objekt zeigt. Der kleine Pfeil in der Nähe des Schnittpunktes der Platten gibt den seitens des Benutzers ausgewählten Injektionspunkt an. 13 ist eine vergrößerte Ansicht des Injektionsbereichs und zeigt die tatsächlichen Injektionspunkte, die benötigt werden, um zu ermöglichen, dass der Fluss richtig von dem ausgewählten Punkt ausgeht. In diesem Fall sind acht Injektionspunkte nötig, von denen einer durch den Benutzer bereitgestellt wird und die sieben anderen durch die Erfindung bestimmt werden.
Dieses Verfahren identifiziert, welche Punkte bei dem Konzept des Abstimmens mit dem ausgewählten Injektionspunkt verbunden werden müssen. Für einen durch den Benutzer festgelegten gegebenen Injektionspunkt wird ein Satz definiert, der aus allen Oberflächen besteht, die auf alle mit dem Injektionspunkt verbundene Oberflächen abgestimmt sind. Die folgenden Schritte werden dann durchgeführt:

1. Für jede Oberfläche in diesem Satz wird der dem ausgewählten Injektionspunkt am nächsten liegende Punkt festgestellt. Diese nächstliegenden Punkte bilden einen Satz von Punkten, die potentiell mit dem seitens des Benutzers ausgewählten Injektionspunkt verbunden werden sollen.
2. Jeder Angehörige des Satzes von potentiellen Injektionspunkten wird geprüft, um zu sehen, ob er bereits ein durch den Benutzer festgelegter Injektionspunkt ist. Wenn er bereits dahingehend bestimmt wurde, wird er in dem Satz weggelassen.
3. Für jeden verbleibenden potentiellen Injektionspunkt wird ein Satz definiert, der aus allen Oberflächen besteht, die auf alle mit dem potentiellen Injektionspunkt verbundene Oberflächen abgestimmt sind.

Diese Schritte werden wiederholt, bis der Satz von potentiellen Punkten unverändert ist. Der Satz bildet anschließend den Satz von Punkten, die mit dem durch einen Benutzer spezifizierten Injektionspunkt verbunden werden sollen.
Diese Vorgehensweise ist für die einfache Geometrie zweier gekreuzter Platten, für die der Benutzer eine Injektion an dem Schnittpunkt der Platten festlegt, ohne weiteres verständlich. In dem Fall, dass die mit dem bzw. den festgelegten Injektionspunkt(en) verbundenen Oberflächen auf keine anderen Oberflächen abgestimmt sind, wird kein Versuch unternommen, andere Punkte mit dem bzw. den Injektionspunkten) zu verbinden. Stattdessen wird ermöglicht, dass der Fluss austritt, bis er Punkte erreicht, die an Oberflächen angebracht sind, die auf gegenüberliegende Oberflächen abgestimmt sind. Die Flussfronten werden anschließend auf den gegenüberliegenden Oberflächen synchronisiert, indem Verbindungen zwischen Punkten auf den gegenüberliegenden Oberflächen auf eine Weise zugewiesen werden, die der oben Beschriebenen zum Verbinden von Punkten mit dem Injektionspunkt ähnlich ist.
Die Analyse verwendet einen Löser vom Heli-Shaw-Typ. Die Injektionsflussrate ist ungefähr doppelt so hoch wie die für das Volumen des Objekts, da jedes Element in dem Oberflächenmaschenwerk eine Dicke aufweist, die gleich der Zwischenraumdicke ist, und somit ist das Maschenwerksvolumen etwa doppelt so hoch wie das des Objekts. Der Zeitschritt für eine Flussfrontvorrückung wird durch die geometrische Verbindbarkeit der an jedem Knoten angebrachten Steuervolumina bestimmt.
Der Löser hat die Fähigkeit, während der Analyse einen Fluss auf abgestimmten Oberflächen zu synchronisieren. 14 zeigt einen Querschnitt einer Platte, wo angenommen wird, dass sich die Flussfront von links vorschiebt und auf der oberen Oberfläche ein wenig in Führung ist. Definitionsgemäß kann jeder Knoten leer, teilweise gefüllt oder gefüllt sein. Bei jedem Zeitschritt wird geprüft, ob alle zu einem Element gehörenden Knoten gefüllt sind. In dem Moment, in dem dies erfolgt, wird das Element als das derzeit letzte zu füllende Element definiert, und eine Linie wird von dessen Massepunkt zu seinem abgestimmten Element (das abgestimmte Element ist aus der oben beschriebenen Oberflächenklassifizierung bekannt) gezogen, wodurch der Prüfpunkt definiert wird. Diese „Prüflinie" ist in 14 angegeben. Dem dem Prüfpunkt am nächsten liegenden Knoten wird anschließend derselbe Druck wie dem letzten zu füllenden Knoten zugewiesen, wie in 14 angegeben ist. Die Flusssynchronisation erfolgt für alle abgestimmten Oberflächen, und alle Elemente in der Nähe der Flussfront (auf der oberen und der unteren Oberfläche) werden bei jedem Zeitschritt geprüft.
Die Synchronisation wird nicht auf nichtabgestimmten Oberflächen durchgeführt.
Ein Beispiel, das die Rolle der Synchronisation unterstreicht, ist in 15 gezeigt, die den Querschnitt einer gerippten Platte zeigt. Der Fluss teilt sich physisch auf und füllt einerseits die vertikale Rippe, andererseits setzt er sich nach rechts fort. Auf Grund der Verwendung des Oberflächenmaschenwerks ist es notwendig, eine Synchronisation aufzuerlegen, oder der Fluss setzt sich durch den Knoten F bis zum oberen Ende der Rippe und dann wieder nach unten zu E und C fort. Dies wird durch Verwendung einer Abstimmung durchgeführt. Da das die Knoten D und F aufweisende Element und das die Knoten C und E aufweisende Element abgestimmt sein werden (da sie abgestimmten Oberflächen zugeordnet sind), ist es möglich, dieselben Drücke an Knoten zuzuweisen, um die Fronten zu synchronisieren. Dies ist in 16 veranschaulicht. Hier ist eine Linie von dem Massenpunkt des die Knoten D und F aufweisenden Elements zu seinem abgestimmten Element (das die Knoten C und E aufweist) gezogen, um den Prüfpunkt zu definieren. Da der dem Prüfpunkt am nächsten liegende Knoten C ist, wird ihm für die ganze nachfolgende Zeit derselbe Druck auferlegt wie dem Knoten D. Nun tritt ein Fluss aus dem Knoten C aus, wie gezeigt, und somit geht der Fluss an beiden Seiten an der Rippe nach oben, wie erforderlich ist. Wenn Verbindungen zum Zweck einer Synchronisation eingerichtet werden, werden Verbindungen lediglich mit leeren Knoten hergestellt, an denen lediglich leere Knoten angebracht sind.
Ein Musterergebnis der Analyse gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 17 gezeigt. Diese Figur entspricht 3, die die Ergebnisse der vergleichbaren, herkömmlichen Analyse des in 1 gezeigten selben Feststoffmodells zeigt. Da die vorliegende Erfindung ein Oberflächenmaschenwerk statt eines Mittelebene-Maschenwerks verwendet, sind die Ergebnisse auf dem Feststoffmodell (17) dargestellt, und nicht auf der Mittelebene-Darstellung, wie bei der herkömmlichen Analyse (3). Abgesehen davon, dass sie für die Bedienperson natürlicher ist, ist die Anzeige visuell bedeutungsvoller.
Somit umfassen fundamentale Quantitäten, die durch die Erfindung berechnet werden, folgende:

• die Position der Schmelmassefront zu jedem beliebigen Zeitpunkt (als „Füllkonturen" bekannt)
• den Druck an dem Injektionsknoten und die Druckverteilung über den Kunststoff zu jedem beliebigen Zeitpunkt während der Füll- oder Packphasen (auch als „Druckverteilung" bekannt) und
• die Temperatur der geschmolzenen Kunststoffmasse an jedem beliebigen Punkt in dem Teil zu einem beliebigen Zeitpunkt während der Füll- oder Packphasen (auch als „Temperaturverteilung" bekannt).

Diese können dem Benutzer des Programms direkt angezeigt werden oder können verarbeitet werden, um dem Benutzer des Programms abgeleitete Informationen zu liefern, z.B. Verteilungen der Scherrate, Scherbeanspruchung, Geschwindigkeit, Viskosität, Flussrichtung und Ausrichtung von Verstärkungsmaterial. Auf der Basis dieser abgeleiteten Informationen und der fundamentalen berechneten Quantitätsdaten können Veränderungen der Komponentengeometrie, der Position von Injektionsstellen (Tore), der Verarbeitungsbedingungen, die durch die Spritzgussmaschine oder das Material zum Gießen verwendet werden, bezüglich ihrer Effizienz beim Verbessern der Qualität oder Herstellbarkeit des Teils bewertet werden. Dies ist allgemein ein iterativer Vorgang, bei dem eine Analyse durchgeführt wird, Ergebnisse betrachtet werden und Änderungen durchgeführt werden, um eine Verbesserung zu bewirken. Anschließend wird eine weitere Analyse durchgeführt, um zu gewährleisten, dass die Veränderungen die Ergebnisse in der Tat verbessert haben. Häufige Veränderungen der Teilegeometrie werden offenbart. Diese werden in dem CAD-System vorgenommen, und das überarbeitete Modell wird einer weiteren Analyse unterzogen. Gerade dieser Aspekt wird durch die Erfindung unterstützt, da das Erfordernis, dass der Entwerfer jedes Mal dann, wenn eine Änderung vorgenommen wird, wieder ein neues Modell zum Zweck einer Analyse erzeugt, eliminiert wird.
Somit wird eine Erhöhung der Geschwindigkeit des Auswertens vorgeschlagener Teilegestalten erzielt.
Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung können ohne weiteres von Fachleuten durchgeführt werden. Beispielsweise kann bei alternativen Verfahren ein Verbinden durchgeführt werden, zum Beispiel – wenn mehrere Injektionspunkte seitens eines Benutzers ausgewählt werden – ein Zuweisen derselben Flussrate zu den verbundenen Knoten. Somit muss man verstehen, dass diese Erfindung nicht auf die jeweiligen Ausführungsbeispiele, die oben beispielhaft beschrieben wurden, beschränkt ist.

Claims

Ein computerimplementiertes Verfahren zum Erzeugen von Simulationen eines Fluidflusses in einem dreidimensionalen Objekt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Festlegen einer ersten und einer zweiten Oberfläche des Objekts, die einander allgemein gegenüberliegen, Abstimmen von Paaren von Elementen der ersten und der zweiten Oberfläche, zwischen denen eine sinnvolle Dicke definiert werden kann, Festlegen eines Fluidinjektionspunkts und Durchführen einer Flussanalyse, wodurch sich ergebende Flussfronten entlang der ersten und der zweiten Oberfläche synchronisiert werden.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner ein Bilden einer ersten und einer zweiten Darstellung der ersten beziehungsweise der zweiten Oberfläche umfasst, wobei die erste und die zweite Darstellung eine erste beziehungsweise eine zweite Masche oder ein erstes beziehungsweise ein zweites Gitter umfassen und wobei die Elemente Zwischenräume der ersten und der zweiten Masche oder des ersten und des zweiten Gitters sind.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem jedem Element jedes der abgestimmten Paare von Elementen jeweils die Dicke zugewiesen wird.
Ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem abgestimmte Elemente der ersten Oberflä che einen ersten Satz abgestimmter Elemente darstellen und abgestimmte Elemente der zweiten Oberfläche einen zweiten Satz von abgestimmten Elementen darstellen.
Ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Flussfronten nach dem Beginn der Flussanalyse synchronisiert werden.
Ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Flussfronten nach dem Beginn der Flussanalyse zum ersten Mal synchronisiert werden.
Ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Injektionspunkt zu im wesentlichen jedem Zeitpunkt in der Flussanalyse mit Stellen auf der ersten und der zweiten Oberfläche verbunden bleibt, nachdem er zum ersten Mal so verbunden wurde.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem das Durchführen der Flussanalyse unter Verwendung jedes Satzes von abgestimmten Elementen ein Durchführen einer Flussanalyse unter Verwendung des ersten Satzes von abgestimmten Elementen und ein Anpassen der Flussanalyse an den zweiten Satz von abgestimmten Elementen umfasst.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Durchführen der Flussanalyse ein Abstimmen des Druckes oder ein Abstimmen des Druckes und der Temperatur umfasst.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Injektionspunkt mit allen Stellen auf der ersten und der zweiten Oberfläche, von denen ein Fluss ausgehen kann, verbunden ist.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem der Injektionspunkt im wesentlichen vom Beginn der Flussanalyse an mit allen Positionen verbunden ist.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, bei dem der Injektionspunkt zu im wesentlichen jedem Zeitpunkt in der Flussanalyse mit allen Stellen verbunden bleibt, nachdem er zum ersten Mal so verbunden wurde.
Ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Injektionspunkt einer einer Mehrzahl von Injektionspunkten ist.
Ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Synchronisierung der Flussfronten regelmäßig geprüft wird.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem das Prüfen bei jedem Zeitschritt durchgeführt wird.
Ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Flussfronten synchronisiert werden, wenn festgestellt wird, dass sie nicht oder nicht mehr synchronisiert sind.
Ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste und die zweite Oberfläche, die einander allgemein gegenüberliegen, eines einer Mehrzahl von Paaren von allgemein gegenüberliegenden Oberflächen sind.
Ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jeglichen nichtabgestimmten Elementen der ersten und der zweiten Oberfläche, da sie Elemente sind, die nicht abgestimmt werden konnten, Dicken zugewiesen werden, die den Durchschnitt der Dicken benachbarter abgestimmter Elemente, wo derartige benachbarte abgestimmte Elemente existieren, bilden, oder Dicken von benachbarten nichtabgestimmten Elementen zugewiesen werden, wo derartige benachbarte abgestimmte Elemente nicht existieren und den benachbarten nichtabgestimmten Elementen Dicken zugewiesen wurden.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 18, bei dem jedem Element einer Kantenoberfläche, die eine Oberfläche zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche ist und entweder zu der ersten oder der zweiten Oberfläche benachbart ist, eine Dicke zugewiesen wird, die proportional zu der Dicke des Elements der ersten oder der zweiten Oberfläche ist, zu dem das Element der Kantenoberfläche benachbart ist.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 19, bei dem jedem Element einer Kantenoberfläche eine Dicke zugewiesen wird, die zwischen dem 0,5-fachen und dem 1,5-fachen der Dicke des Elements der ersten oder der zweiten Oberfläche, zu dem das Element der Kantenoberfläche benachbart ist, beträgt.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 20, bei dem jedem Element einer Kantenoberfläche eine Dicke zugewiesen wird, die zwischen dem 0,7-fachen und dem 0,9-fachen der Dicke des Elements der ersten oder der zweiten Oberfläche, zu dem das Element der Kantenoberfläche benachbart ist, beträgt.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 19, bei dem jedem Element einer Kantenoberfläche, das nicht zu der ersten oder der zweiten Oberfläche benachbart ist, eine Dicke zugewiesen wird, die die durchschnittliche Dicke benachbarter Elemente der Kantenoberfläche, denen Dicken zugewiesen wurden, beträgt.
Ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Fluss bei einer Rate simuliert wird, die direkt proportional zu einer gewünschten Flussrate für das Objekt ist.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 23, bei dem die Rate proportional zu dem Verhältnis des Rechenbereichsvolumens des Objekts zu dem echten Volumen des Objekts ist.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 24, bei dem die Rate im Wesentlichen gleich dem Verhältnis des Rechenbereichsvolumens des Objekts zu dem echten Volumen des Objekts ist.
Ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Verfahren zuerst mit einer ersten und einer zweiten Darstellung der ersten beziehungsweise der zweiten Oberfläche durchgeführt wird, die eine erste beziehungsweise eine zweite Masche oder ein erstes beziehungsweise ein zweites Gitter umfassen, wobei die Elemente Zwischenräume der ersten und der zweiten Masche oder des ersten und des zweiten Gitters sind.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 26, wobei das Verfahren ein Erzeugen der ersten und der zweiten Darstellung umfasst.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 26 oder 27, wobei das Verfahren ein Erzeugen einer verbesserten Darstellung der ersten und der zweiten Oberfläche umfasst, wodurch die Elemente Elemente der verbesserten Darstellungen sind und das Verfahren mit den verbesserten Darstellungen durchgeführt wird.
Ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 26 bis 28, bei dem die erste und die zweite Darstellung eine Darstellung oder Darstellungen für eine Stereolithographie des Objekts sind oder ein Teil derselben sind.
Ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Elemente dreieckig oder viereckig sind.
Ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Verfahren Korrekturen für nicht-isotherme Temperaturfelder und/oder nicht-Newtonsche Fluide umfasst.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 4, das folgende Schritte umfasst: Liefern oder Erzeugen einer ersten und einer zweiten Darstellung der ersten beziehungsweise der zweiten Oberfläche; Erzeugen einer ersten und einer zweiten verbesserten Darstellung aus der ersten beziehungsweise der zweiten Darstellung; Durchführen des Verfahrens mit der ersten und der zweiten verbesserten Darstellung der jeweiligen Oberflächen, wodurch jedes Element der ersten Oberfläche ein jeweiliges Element der ersten verbesserten Darstellung umfasst und jedes Element der zweiten Oberfläche ein jeweiliges Element der zweiten verbesserten Darstellung umfasst, so dass ein Abstimmen jedes Elements der ersten Oberfläche mit einem Element der zweiten Oberfläche ein Abstimmen jedes Elements der ersten verbesserten Darstellung mit einem Element der zweiten verbesserten Darstellung umfasst, wobei der erste Satz von abgestimmten Elementen abgestimmte Elemente der ersten verbesserten Darstellung umfasst, wobei der zweite Satz abgestimmter Elemente abgestimmte Elemente der ersten verbesserten Darstellung umfasst und der Injektionspunkt mit allen Stellen auf der ersten und der zweiten verbesserten Darstellung verbunden ist, von denen ein Fluss ausgehen kann, so dass sich ergebende Flussfronten entlang der ersten und der zweiten verbesserten Darstellung synchronisiert werden.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 32, bei dem die erste und die zweite Darstellung eine Darstellung oder Darstellungen für eine Stereolithographie des Objekts sind oder ein Teil derselben sind.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Objekts, das eine erste und eine zweite Oberfläche aufweist, die einander allgemein gegenüberliegen, einschließlich eines Simulierens eines Fluidflusses in dem Objekt gemäß dem Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche.
Ein Computerprogrammprodukt, das auf einem computerlesbaren Medium gespeichert ist, das ausgelegt ist, einen Computer zu veranlassen, die Schritte des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 34 durchzuführen.
Ein computerlesbares Medium, auf dem ein Programm aufgezeichnet ist, wobei das Programm darin besteht, einen Computer zu veranlassen, ein Verfahren auszuführen, das in einem der Ansprüche 1 bis 34 definiert ist.