Hochleistungsrechnen für die Modellierung des Stereolithografieprozesses
High Performance Computing for Modelling of Stereolithography Process
Calcul à haute performance pour la modélisation du processus de stéréolithographie
Résumé
In dieser Dissertation wurde ein hochmodernes 3D-Rechenmodell fur den Stereolithografieprozess entwickelt, um die Entwicklung der Eigenschaften in einem MultiphysikRahmen mit der Stabilized Optimal Transportation Meshfree (OTM)-Methode auf der Grundlage eines Kontinuumsansatzes zu untersuchen. Um die Berechnungsleistung zu beschleunigen, wurde ein HPC-Rahmen fur die OTM-Methode entwickelt. Der Stereolithographieprozess ist ein komplexer Prozess, da mehrere physikalische Prozesse daran beteiligt sind. In dieser Arbeit sind einige der Schlusselphanomene, die in den Modellierungsrahmen einbezogen werden, die stark gekoppelte thermo-chemo-mechanische Entwicklung der Harzeigenschaften und die Ausbreitung des UV-Lasers durch das Harz. Die Photopolymerisation wird durch die Wechselwirkung des flussigen Harzes mit dem UV- Licht angetrieben und erzeugt aufgrund ihrer exothermen Natur Warme, die zum Aufbau mechanischer Spannungen fuhrt. Die numerische und geometrische Komplexität, die sich aus diesen Phanomenen ergibt, stellt die gitterbasierten Techniken wie die Finite-Elemente- Methode (FE) vor große Herausforderungen und Komplikationen. Im Allgemeinen werden solche Probleme als Netzverzerrung bezeichnet. OTM-basierte Berechnungsmodelle
sind die Losung für diese Probleme. Die Methode ist recht neu auf dem Gebiet der Stereolithographie-Simulation und sie ist effizient bei der Erfassung der wahrend des Druck- vorgangs entstehenden Verformungen. Daruber hinaus reduziert die Parallelisierung mittels MPI mit dem Ziel der Skalierbarkeit auf großen CPU-Clustern den Berechnungsaufwand. Und die erzielten Ergebnisse fuhren zu hoch skalierbaren Ergebnissen. Das entwickelte Werkzeug kann zur Optimierung der Material- und Prozessparameter wahrend des Druck-prozesses eingesetzt werden, um eine verbesserte Genauigkeit der gedruckten Teile zu erreichen.
In this dissertation, a state-of-the-art 3D computational model has been developed for Stereolithography process to investigate the evolution of properties in a multi-physics framework using Stabilized Optimal Transportation Meshfree (OTM) method based on a continuum approach. In order to accelerate the computational performance, HPC framework of the OTM method has been developed. Stereolithography process is a complex process in the sense that several physical processes are involved therein. In this work, some of the key phenomena incorporated in the modeling framework are highly coupled thermo-chemo-mechanical evolution of resin properties and propagation of the UV laser through the resin. The photopolymerization is driven by the interaction of fluid resin with the UV light and consequently generates heat due to its exothermic nature and resulting in building up of mechanical stresses. The numerical and geometrical complexities arising from these phenomena pose serious challenges and complications in grid-based techniques such as Finite element (FE). Generally, such issues are referred to as mesh distortion. OTM based computational modeling is one solution to these issues. The method is quite new in the field of Stereolithography simulation and it is efficient in capturing the deformations generated during printing process. Moreover, parallelization using MPI with an objective for scalability on large scale CPU clusters reduces the computational efforts. And, the obtained results leads to highly scalable results. The developed tool can be employed to optimize the material and process parameters during the printing process to achieve improved accuracy in the printed parts.
Dans cette thèse, un modèle de calcul 3D de pointe a été développé pour le processus de stéréolithographie afin d'étudier l'évolution des propriétés dans un cadre multi-physique à l'aide de la méthode OTM (Stabilized Optimal Transportation Meshfree) basée sur une approche de continuum. Afin d'accélérer les performances de calcul, un cadre HPC de la méthode OTM a été développé. Le processus de stéréolithographie est un processus complexe dans le sens où plusieurs processus physiques y sont impliqués. Dans ce travail, certains des phénomènes clés incorporés dans le cadre de modélisation sont l'évolution thermochimique hautement couplée des propriétés de la résine et la propagation du laser UV à travers la résine. La photopolymérisation est entraînée par l'interaction de la résine fluide avec la lumière UV et génère par conséquent de la chaleur en raison de sa nature exothermique, ce qui entraîne l'accumulation de contraintes mécaniques. Les complexités numériques et géométriques découlant de ces phénomènes posent de sérieux défis et complications dans les techniques basées sur des grilles telles que les éléments finis (FE). En général, ces problèmes sont désignés sous le nom de distorsion du maillage. La modélisation informatique basée sur l'OTM est une solution à ces problèmes. La méthode est assez nouvelle dans le domaine de la simulation de la stéréolithographie et elle est efficace pour capturer les déformations générées pendant le processus d'impression. De plus, la parallélisation à l'aide de MPI avec un objectif d'évolutivité sur des clusters de CPU à grande échelle réduit les efforts de calcul. Les résultats obtenus permettent d'obtenir des résultats hautement évolutifs. L'outil développé peut être utilisé pour optimiser les paramètres du matériau et du processus pendant le processus d'impression afin d'améliorer la précision des pièces imprimées.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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