Automatische Erstellung Digitaler Zwillinge granularer Medien
GeoApp: Generate Granular Statistical Digital Twin
Die Entwicklung und Analyse komplexer granularer Mikrostrukturen ist ein zentrales Element im digitalen Materialdesign – und stellt viele Unternehmen vor eine Herausforderung: Wie lässt sich aus begrenzten Bilddaten ein verlässliches digitales Modell erstellen, das realistische physikalische Eigenschaften abbildet?
Genau hier setzt die Generate Granular Statistical Twin GeoApp an: Auf Basis von 3D- oder sogar 2D-Bilddaten erzeugt sie automatisch statistische digitale Zwillinge (SDTs) granularer Mikrostrukturen. Diese Zwillinge bilden nicht nur die stochastischen geometrischen Merkmale des Originals nach – durch einen integrierten Optimierungsprozess werden auch die physikalischen Eigenschaften exakt auf das reale Material abgestimmt.
SDTs ermöglichen es, verschiedene Materialstrukturen digital zu analysieren, zu variieren und gezielt weiterzuentwickeln – ein entscheidender Vorteil für alle, die Materialentwicklung effizienter und datengestützt gestalten möchten. Besonders innovativ: Selbst aus 2D-Daten wie Dünnschliffen oder SEM-Bildern lassen sich 3D-Geometrien generieren und Eigenschaften wie Permeabilität präzise vorhersagen.
Hauptfunktionen:
- Auswahl der physikalischen und geometrischen Eigenschaften: Definieren Sie, welche Eigenschaften – etwa Korngrößenverteilung, Porengrößenverteilung, spezifische Oberfläche, Permeabilität oder Tortuosität – zwischen SDT und Original übereinstimmen sollen.
- Optimierungsalgorithmus: Der Nelder-Mead-Algorithmus passt die Strukturparameter iterativ an, um die Zielwerte zu erreichen.
- Generierung des Zwillings: In jedem Optimierungsschritt wird eine neue Struktur erzeugt – über drei Prozessschritte: Körnerpackung, Distanzfeld-Berechnung und Thresholding mit bis zu zwei Gaussian Random Fields (GRFs).
- Fehleranalyse und Anpassung: Abweichungen zur Referenzstruktur werden automatisch analysiert und der SDT entsprechend optimiert.
Ergebnis ist eine hochpräzise digitale Repräsentation Ihrer Mikrostruktur – anpassbar, flexibel und simulationsbereit. Die Kombination aus GeoDict und GRFs bildet dabei die Grundlage für ein modernes, automatisiertes Modellierungskonzept.
Digitaler Zwilling eines Kugelpacks
Optimierung für: Poren- und Korngrößen,
Kantenlängen und Oberfläche
(a) Segmentiertes 2D-Bild eines 3D-CT-Scans
(b) Optimierter statistischer digitaler Zwilling (SDTs)
(c) Generierte 3D-Struktur
*Data from SCSK
Digitalen Zwilling einer Li-Ion Batterie
mit NMC-Kathode
Optimierung für: Poren- und Korngrößen
und Oberfläche
(a) Segmentiertes 2D-Bild eines 3D-FIB-SEM
(b) Optimierter statistischer digitaler Zwilling (SDTs)
(c) Generierte 3D-Struktur
*Data from Zeiss
Digitaler Zwilling einer Nordseesandstein
SEM-Aufnahme
Optimieren für: Poren- und Korngrößen,
Kantenlängen und Oberfläche
(a) 2D-REM-Bild
(b) Segmentiert und zugeschnitten
(c) Optimierter statistischer digitaler Zwilling (SDTs)
(d) Generierte 3D-Struktur
* https://doi.org/10.1007/s11242-019-01309-8,
https://www.digitalrocksportal.org/projects/256
Digitaler Zwilling einer gesinterten,
auf Titan basierenden GDL aus einer
Brennstoffzelle
Optimieren für: Poren- und Korngrößen, Kantenlängen
und Oberfläche
(a) 2D-Schnitt aus 3D-CT-Scan
(b) Optimierter statistischer digitaler Zwilling (SDTs)
(c) Generierte 3D-Struktur
GeoApp Features
Workflow Setup
Die Generate Granular Statistical Twin GeoApp bietet einen vollständigen Workflow für die Erstellung statistischer digitaler Zwillinge granularer Mikrostrukturen:
- Beginnend mit dem Laden eines 2D- oder 3D-Datensatzes erzeugt die GeoApp ein digitales Abbild der Mikrostruktur.
- Anschließend wird ein statistischer Zwilling erstellt, dessen Eigenschaften gezielt mit denen des Originals abgeglichen werden – darunter Porengrößenverteilung, Chord Length Distribution, Permeabilität oder Diffusivität.
- Die Rekonstruktion kann in verschiedenen Auflösungen und Volumengrößen erfolgen – auch unabhängig von der Optimierungsschleife.
So entsteht ein leistungsstarkes Werkzeug für die datenbasierte Entwicklung und Optimierung granularer Materialien.
Zusammenfassung der Features
- Referenzstruktur-Analyse: Physikalische Parameter der Originalstruktur werden automatisch erkannt und für die Modellierung aufbereitet.
- 2D-to-3D: 2D-Slices wie SEM-Scans genügen, um 3D-Eigenschaften wie Permeabilität zu berechnen – unter Berücksichtigung der 2D-spezifischen Einschränkungen.
- Integration von GeoDict: Die GeoApp ist vollständig in GeoDict integriert und nutzt GRFs zur realitätsnahen Modellierung.
- Fehleranalyse: Jede Iteration wird auf Abweichungen geprüft – basierend auf einer Fehlerfunktion.
- Automatische Anpassung: Strukturparameter wie Korngrößen oder GRFs werden dynamisch angepasst.
- Neue Modellierungsmethoden: Kombination von Gaußschem Zufallsfeld mit Distanzkarte für realistische Körnerstrukturen.
Die Generate Granular Statistical Twin GeoApp macht die präzise, flexible und automatisierte Erstellung statistisch und physikalisch konsistenter Mikrostrukturen so einfach wie nie zuvor – selbst aus zweidimensionalen Bilddaten.
Für folgende Module ist eine Lizenz notwendig:
| Notwendiges Modul | GrainGeo GeoApp: 2Dto3D (falls diese Einstellung aktiviert ist) |
Diese Module und GeoApps werden oft mit der "Generate Granular Statistical Digital Twin" GeoApp kombiniert:
| Import & Bildverarbeitung | ImportGeo-Vol | ||
| Bildanalyse | MatDict | PoroDict | GrainFind |
| Materialmodellierung | GrainGeo | ||
| Simulation & Vorhersage | FlowDict | DiffuDict | |
| Schnittstellen | |||
Welche Module für Sie am besten passen, ist abhängig von der Art Ihrer Anwendung.