ACCESS rüstet sich mit ´SGI Origin´ für neue Herausforderungen bei der Gieß-Simulation

Mit dem Compute-Server realisiert der Ingenieur-Dienstleister erweiterte Möglichkeiten des virtuellen Experimentierens

München, 27. Sept. 2000 – ACCESS e.V. in Aachen, Anbieter von Ingenieurleistungen für Material- und Prozess-Entwicklung im Bereich Gießtechnik, installiert ein Serversystem ´SGI Origin 2200´ – und baut damit seine Infrastruktur für numerische Simulation und High-Performance-Computing (HPC) deutlich aus. Durch die Anschaffung des mit 8 Prozessoren ausgestat-teten "NumberCrunchers" rüstet sich das Unternehmen, um für das „virtuelle Experimentieren“ mit Füll- und Erstarrungsvorgängen mehr Durchsatzkapazität zu schaffen und bei der Entwicklung innovativer Simulations-Methoden neue Herausforderungen angehen zu können. Der renommierte, technologisch führende Dienstleister begegnet hiermit der steigenden Kundennachfrage aus Großindustrie und Mittelstand nach Hilfestellung, um Herstellbarkeit und Qualität konstruierter Gussteile im voraus zu verifizieren sowie jene optimalen Bedingungen zu finden, unter denen der Herstellungsprozess bei Sand-, Fein- und Kokillen-Guss möglichst schnell und wirtschaftlich erfolgt.

Kunden sind Konzerne aus Kraftwerk– und Automobilbau, Chemie und Luft- & Raumfahrt ebenso wie mittelständische Fertigungs- und Gießereibetriebe. Für sie entwickelt, analysiert und optimiert ACCESS e.V. Gieß- und Erstarrungsprozesse, wobei neben der Errichtung realer Prototypenanlagen und Durchführung realer Experimente die numerische Simulation und damit das virtuelle Experimentieren eine Aktivität von strategischer Bedeutung ist. Die Palette der Gussteile, die Kunden mit Access-Hilfe herstellen, erstreckt sich von Schaufeln und Gehäusen riesiger Gasturbinen bis zu dünnwandigen Instrumenten-Panels, extrem beanspruchbaren Ventilen sowie Siliziumblöcken als recht kompliziert darzustellender Rohstoff für Solarzellen.

CASTS: Jagd nach optimalen Prozess-Parametern auf 8 CPUs

Beim optimalen Gießprozess entstehen beim Erstarrungsvorgang und folgenden Abkühlen bis auf Raumtemperatur weder Hohlräume, Warmrisse noch Bereiche kritisch hoher Restspannungen; zudem ist nicht selten das Fortschreiten einer planaren Erstarrungsfront in eine Vorzugsrichtung gefordert, wünschenswert obendrein ist ein möglichst kurzer Zyklus unter kosteneffizienten Betriebsbedingungen.

Frage: Wie lassen sich Wärmefluss und Temperatur beim Abkühlen des Gussteils raum-zeitlich so steuern, dass dies alles gewährleistet ist? Die Schrauben (Prozess-Parameter), an denen der Gießer bei der Suche nach der richtigen Antwort „drehen“ kann, sind vielfältig: Anordnung, Auslegung und Betrieb diverser Heizer und aktiver und passiver Wärmesenken, Geschwindigkeit beim Durchfahren durch den Ofen usw. Doch die erforderliche Durchführung einer Vielzahl solcher Experimente ist in realer Form unmöglich – schon deswegen, weil der Versuchsaufwand oft enorm zeit- und kostenintensiv ist.

Mit dem eigen entwickelten FEM-Code (Finite-Elemente-Methode) CASTS ist Access in der Lage, das Experiment virtuell durchzuführen, die sich einstellenden thermomechanischen Verhältnisse zu berechnen: Temperatur und Spannung in raumzeitlicher Abhängigkeit – unter Berücksichtigung sämtlicher unterschiedlicher Komponenten und physikalischer Eigenschaften von Gießmetall, Formsand, Feingusskeramik, Dauerformkokillen, Kühlkokillen, Einlagen usw.

Auf dem 8-CPU-Server kann ACCESS jetzt 8 CASTS-Jobs gleichzeitig bearbeiten – sehr effizient, bei hoher Gesamtrechenleistung.

Beispielhafte Skalierbarkeit und Durchsatzleistung

ACCESS setzt SGI-Hardware seit Jahren ein: Auf etwa zwei Dutzend Unix-Graphik-Workstations betreibt das Unternehmen Pre- und Postprocessing seiner Numerik-Simulationen, Programmentwicklung und bisher auch die CASTS-Rechenläufe selbst. Dass die Wahl bei der Anschaffung eines erforderlich gewordenen dedizierten Compute-Servers wiederum auf SGI fiel, liegt insbesondere an der hohen Eignung der Origin für den hochperformanten Durchsatz-Betrieb.

Dr. Fredy Hediger, Mitglied der ACCESS-Geschäftsführung:
„Wir haben die SGI-Maschine wie auch Hardware anderer Anbieter mit unserem Code gebencht. Im Vergleich zum Wettbewerb, wo die pro CPU verfüg-bare Rechenleistung bei zunehmender Zahl beanspruchter Prozessoren auf bis auf 60% sinkt, bietet die Origin 2200 sehr gute lineare Skalierbarkeit: Bei Belastung aller 8 CPUs trägt jeder Prozessor noch mehr als 95% seiner Einzelleistung bei. Die hohe Durchsatzleistung ist wesentlich, denn nur durch effiziente Einsatzmöglichkeit aller 8 Prozessoren lässt sich die bei den Simulationsprojekten erforderliche Vielzahl unterschiedlicher Prozess-Konfigurationen schnellstmöglich durcharbeiten.“

Für die beispielhafte Skalierbarkeit des Origin-Servers sorgt SGIs mehrfach ausgezeichnete, renommierte ccNUMA-Implementierung einer Distributed-Shared-Memory-Architektur. Sie stellt das optimale Handling der Speicherzugriffe der einzelnen Prozessoren sicher.

Volle Ausstattung – für Anforderungen bis zur 3D-Strahlung

Das Deskside-Modell ´SGI Origin 2200´ ist voll ausgestattet – mit 8 400 MHz schnellen MIPS-Prozessoren R12000, 16 GB Memory und 300 GB RAID-Plattenspeicher (6500 Cyprico). Hohe Rechenleistung und Arbeitsspeicherkapazität sind unabdingbar, denn die Anforderungen eines CASTS-Laufs sind beachtlich. Die FEM-Modelle sind bis zu mehreren Mio Elementen groß und beinhalten pro FE-Knoten die Berechnung von 4 Freiheitsgraden. Bis zu 6 GB adressierbaren Hauptspeicher kann ein Job erfordern.

Besonders rechen- und speicherintensiv sind Simulationen, bei denen es auch den Einfluss der Strahlung auf den Wärmetransport zu berücksichtigen gilt. Wenn komplex geformte Keramikformen zum Feinguss vor dem Füllvorgang aufgeheizt werden, stellen sich sehr uneinheitliche, komplizierte Temperaturverhältnisse ein (Oberflächenelemente strahlen Wärme ab und heizen damit je nach Sichtigkeit wiederum viele andere auf).

Hediger: „Strahlung, in 3D, mitzurechnen, ist eine der besonderen Stärken von ACCESS. Aber nicht nur für solche, auch für die anderen Fälle benötigen wir hohe Rechenleistung, Arbeitsspeicherkapazität und Rechengenauigkeit. Das lässt sich nur mit einem hochperformanten 64-Bit-Compute-Server mit ausbalancierter Architektur erzielen. Einige zusammengebundene PCs, heutzutage gerne als LowCost-Lösung empfohlen, sind hier keine wirkliche NumberCrunching-Alternative.“

Statt Trial&Error: Vom Ziel aus konsequent rückwärts rechnen

Mit welchen Prozess-Parametern sollen die einzelnen Simulatoren (virtuellen CASTS-Experimente) gefüttert und angestoßen werden? Bei ACCESS wird dies nicht nach dem üblichen Trial-&-Error-Prinzip entscheiden, „dies und jenes könnte man einmal probieren und dann sehen, ob das Ergebnis zufriedenstellend ist“. ACCESS ist in der Lage, den umgekehrten, zielstrebigeren Weg zu gehen: Der Dienstleister gibt die gewünschten Eigenschaften, ausgedrückt in einer Qualitätsfunktion, vor – und lässt ein gekoppeltes automatisches Optimierungsprogramm die günstigen Prozessparametersätze selbständig finden. Zum Einsatz kommen dabei evolutionäre Optimierungsalgorithmen.

Füll-Vorgang ab 2001

Mit CASTS rechnet ACCESS bislang standardmäßig den Erstarrungs- und Abkühlvorgang. Die numerische Simulation des Füllvorgangs, bisher noch eher in Einzelfällen durchgeführt, wird bei CASTS ab Frühjahr 2001 jedoch auch standardmäßig im Leistungsumfang abgedeckt sein.

Micress – das virtuelle Insitu-Mikroskop

Mit dem HPC-Server SGI Origin 2200 erschließt sich ACCESS eine leistungs-fähige Plattform für sein zweites strategisches Simulationspaket, Micress. Dieser Code erlaubt, jenseits des makroskopischen Experimentierbereichs von CASTS, ganz neuen Fragen auf einer weiteren Längenskala, im mikroskopischen Bereich, nachzugehen.

Wie bilden sich bei komplexen metallischen Werkstoffen im Laufe der Erstarrung oder nachträglichen Wärme/Glüh-Behandlung die Morphologie, die Gefügestrukturen aus? Wie sieht die räumliche Verteilung einzelner Phasen und der Konzentrationen der diversen Legierungselemente im Laufe der Zeit aus? Dies festzustellen, ist heute mit keinem realen Beobachtungsinstrument möglich. Übliche Methoden wie das Anschauen von Schliffen mit dem realen Mikroskop ergebe nur Einblicke in das Endergebnis bei Raumtemperatur, ein Hineinschauen in die spannenden, qualitätsentscheidenden Verhältnisse wie sie in einer 1300° heißen Schmelze zwischen Liquidus und Solidus herrschen, ist auf realem Wege unmöglich.

Mit dem einzigartigen Tool Micress wird dies zumindest modellmäßig möglich. Micress ist ein virtuelles Insitu-Mikroskop. Mit ihm erschließt der Aachener Dienstleister dem Gießer und Werkstoffentwickler erstmals die Möglichkeit, zu verfolgen, wie sich bei mehrkomponentigen-mehrphasigen Werkstoffen die Gefügeausbildung, das Wachstum kristalliner Bereiche, die Entstehung von Einschlüssen usw. über den gesamten Temperatur-Bereich hinweg vollzieht. Der Vorteil wie bei CASTS: Ein virtuelles Mikroskopie-Experiment eröffnet die Möglichkeit, die Verhältnisse für eine Vielzahl alternativer Prozessbedingungen schnell und wirtschaftlich „durchzuforsten“. (Micress modelliert den Stoff- und Wärmetransport – Diffusion und Schmelzeströmung – sowie die Bewegung der Phasengrenzen, bei einer räumlichen Auflösung bis hinab zu Zehntel Mikrometer).

Experimente unter Schwerelosigkeit

Mit Micress simulieren Ingenieure aktuell die Gefügeentwicklung in modernen Stählen und ausgewählten Modell-Legierungen. Im letzteren Bereich finden im Rahmen des Programms „Forschung unter Weltraumbedingungen“ Experimente statt, die auch zur Validierung der Software dienen. Hier erweitert die Gefügesimulation die bisherigen analystischen Methoden und ermöglicht einen tieferen Einblick in den Erstarrungsvorgang komplexer Legierungen.

ACCESS e.V. ist ein privatwirtschaftlich geführtes Unternehmen im hochschulnahen Bereich der RWTH Aachen.

Die Anschaffung des Compute-Servers wird finanziert mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung, des Ministeriums für Schule, Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein-Wesfalen sowie mit Mitteln der Industrie.

Für weitere Informationen über ACCESS e.V. und die Simulationspakete:
Dr. Fredy Hediger, Tel 0241-80-6721, Fax -0241-38578

Weitere Informationen: Marion Moia
Tel 089-46108-240, Fax 089-46108-281
Stefan Ehgartner, Harvard PR:
Tel 089-532957-0, Fax 089-532957-888
Silicon Graphics Inc., Mountain View/Kalifornien, www.sgi.com, stellt als marktführender Anbieter im Bereich Technical Computing die weltweit leistungsfähigsten Server, Supercomputer und Visual Workstations zur Verfügung. Mit Hilfe seines weiten Lösungsspektrums für High-Performance Computing und Visual Computing sind Kunden in den Schlüsselmärkten Fertigung, Forschung und Lehre, Wissenschaft, Telekommunikation und Medien in der Lage, neue Einsichten zu gewinnen und die herausforderndsten Aufgaben zu lösen.