Entwicklung einer numerischen Simulationsmethode zur digitalen Abbildung des automobilen Decklackierprozesses

Ritz, Verena

In der vorliegenden Arbeit wird eine numerische Simulationsmethode entwickelt, um einen automobilen Decklackierprozess digital abzubilden und zu optimieren. Dabei wird nicht nur die Beschichtung einfacher Geometrien oder einzelner Bauteile untersucht. Die simulative Betrachtung erstreckt sich erstmalig auf eine komplette Fahrzeugkarosserie im Umfeld der Decklackierkabine und umfasst reale Prozesseinstellungen und Roboterbewegungspfade. Das System wird über einen Euler-Lagrange Ansatz für Mehrphasenströmungen abgebildet und mit Hilfe eines kommerziellen CFD (Computational Fluid Dynamics) Software-Pakets gelöst. Die entwickelte Methode gliedert sich in einzelne Teilschritte, deren Komplexität sukzessive zunimmt. Die Idee dieser Vorgehensweise ist es, in Vorabsimulationen Eingangsdaten für den letzten Teilschritt zu generieren, welcher die Simulation der gesamten Decklackierkabine darstellt. Dadurch erst kann der hochkomplexe Decklackiervorgang unter sinnvollem Rechenaufwand abgebildet werden. Bei der Modellierung wird auch der elektrostatisch unterstützte Lackiervorgang berücksichtigt. Auf Basis geeigneter Gleichungen aus der Literatur wird ein Modell gebildet, das die zeitabhängige Aufladung der Lackpartikel in der Umgebung einer Koronaentladung wiedergibt. Über einen Abgleich mit Technikumsversuchen werden die entwickelten Ansätze validiert. Die Bewertung erfolgt anhand der berechneten und gemessenen Schichtdickenverteilungen des Lacks an der Oberfläche. Ziel der Arbeit ist es einerseits, zum generellen Verständnis des Decklackierprozesses beizutragen, das auf Grund der zahlreichen parallel ablaufenden Teilprozesse erschwert ist. In der Simulation können die Teilprozesse detailliert betrachtet und ihre Auswirkungen auf das integrale Prozessgeschehen untersucht werden. VIII Kurzfassung Anderseits wird in der Arbeit ein digitales Analysewerkzeug entwickelt, durch dessen Anwendung Entwicklungs- und Produktionsprozesse unterstützt werden können. Da für das Aufsetzen der Simulation lediglich ein digitales Datenmodell des Fahrzeugs sowie die Bewegungsbahnen der Roboter benötigt werden, kann dies in einer sehr frühen Phase geschehen. Mit Hilfe der Berechnungsergebnisse werden Defizite in Bezug auf Prozessabläufe oder Prozesseinstellungen identifiziert. Optimierungspotentiale können generiert und digital bewertet werden, bevor sie in den realen Prozess einfließen. Auf Basis der Simulationsergebnisse werden für den Prozessschritt der Außenlackierung eine digitale Prozessanalyse durchgeführt und darin die Potentiale der Methode aufgezeigt.

This thesis introduces a numerical simulation method to digitally implement and optimize the automotive top coating process. For the first time the focus of numerical analyses does not lie on simple geometries or individual components but extends to a complete vehicle body including actual process settings and robot motion paths. The system is modelled using an Euler-Lagrange multiphase flow approach and is then solved by using a commercial CFD (computational fluid dynamics) software tool. The method is divided into individual sub-steps whose complexity increases successively. The idea behind this procedure is to generate preliminary input data in order to compute the complex top coating process under reasonable computational costs. Modelling also takes the electrostatically assisted painting process into account. On the basis of eligible equations from literature a model is developed which represents the time-dependent charging of paint particles in the vicinity of corona discharge. Model validation is achieved by comparing computed and measured paint thickness distributions. This work contributes to a general understanding of the top coating process whose complexity originates mainly in numerous simultaneous processes. By use of computational analyses the individual processes can be assessed in detail and their impact on the overall process can be evaluated. On the other hand, a digital analysis tool is developed which supports engineers in development and production processes at an early stage. The simulation results enable to identify deficiencies in process flows or process settings. Improvements can be generated and digitally evaluated before they are implemented within the actual process.

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Ritz, Verena: Entwicklung einer numerischen Simulationsmethode zur digitalen Abbildung des automobilen Decklackierprozesses. 2018.

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