Simulation: Experten im Gespräch

AUTOCAD Magazin: Wo liegen heute die größten Herausforderungen im Einsatz von Simulationslösungen, wenn man sich ein mittelständisches Fertigungsunternehmen anschaut?

Christof Gebhardt: In mittelständischen Unternehmen wird Simulation weniger von Berechnungsspezialisten, sondern primär von Entwicklungsingenieuren sehr zielgerichtet durchgeführt, und zwar unter starkem Zeit- und Wettbewerbsdruck. Deshalb muss die Simulation nach der Einführung schnell produktiv nutzbar sein und anschließend auch andauernden Erfolg beisteuern. Dabei geht es nicht um bunte Bilder, vielmehr müssen belastbare Aussagen erzielt werden, weil auf ihrer Basis weitreichende Entscheidungen getroffen werden, die die Qualität des Produktes sowie die Kosten für Material und Herstellverfahren bestimmen.

Dr. Tarik El-Dsoki: In großen Konzernen gibt es spezifische Abteilungen und Fachleute für Simulation. Der Ingenieur im mittelständischen Fertigungsunternehmen macht jedoch oft viele Arbeiten gleichzeitig – Projektmanagement, Konstruktion und Berechnung in einer Person sind keine Seltenheit. Die Unternehmen haben daher Bedenken, nicht das nötige Know-how und Ressourcen für verlässliche Simulationen bereitstellen zu können. Deshalb werden häufig externe Dienstleister mit der Berechnung beauftragt. Durch so entstehende Schnittstellenverluste zahlen Unternehmen im Endeffekt oft mehr und verschenken Potenzial bei der Optimierung ihrer Produkte. Eine andere Einstiegshürde ist sicherlich der Preis. Die Anschaffung einer Simulationssoftware stellt eine bedeutende Investition dar.

AUTOCAD Magazin: Wie lassen sich diese bewältigen? Können Sie hierfür ein Beispiel nennen?

Dr. Tarik El-Dsoki: Ein Ausweg aus diesem Dilemma ist, schrittweise in die Simulation einzusteigen. Wie bieten hierfür beispielsweise kostengünstige Einstiegspakete. Diese Investition lohnt sich bereits bei zwei bis drei Simulationsprojekten im Jahr. Unsere Lösungen decken alle Simulationsdisziplinen ab, das kann schnell sehr komplex werden. Daher wird der Umfang in den Einstiegspaketen auf die Bedürfnisse des Unternehmens reduziert. Das verkürzt die Einarbeitungsphase und Anwender können sich auf ihre spezifische Problemstellung konzentrieren. Hier ist am Anfang zielgerichtetes Training enorm wichtig. Wenn die Anwender sicher in der Anwendung geworden sind oder sich durch die Simulationen neue Geschäftsfelder auftun, können die Einstiegspakete bei Bedarf erweitert werden.

Christof Gebhardt: Dem Zeitdruck lässt sich durch effiziente Arbeitsprozesse bei der Durchführung der Simulation begegnen. Eine logische Benutzerführung ist dabei Voraussetzung, aber nicht ausreichend. Vielmehr müssen in der Simulation ingenieurgerechte Modellobjekte dem Anwender Arbeit abnehmen. So bietet Ansys beispielsweise in der Mechanik Randbedingungen, die das komplexe Verhalten einer Schraube automatisiert abbilden und diese auch direkt nach der Richtlinie VDI2230 bewertet. In der Ansys-Lösung für das Wärmemanagement stehen fertige Bibliothekselemente zum Beispiel für Lüfter, Kühlkörper oder Rohre zur Verfügung. Für viele Anwendungen werden neben den CAE-Methoden basierend auf existierender CAD-Geometrie für die davor stattfindenden Entwicklungsschritte Entwurfswerkzeuge in den Berechnungsprozess integriert. Beispielsweise wird für elektrische Maschinen, Antennen oder Turbomaschinen anhand von Designparametern eine Geometrie automatisiert erzeugt und über vereinfachte Verfahren überschlägig analysiert, um das Design zu bestimmen und anschließend zu verfeinern.
Ein weiterer wichtiger Aspekt – die Belastbarkeit der Aussagen – erfordert realitätstreue Ergebnisse, also eine hinreichend genaue Beschreibung der physikalisch relevanten Effekte. Dazu sind hochwertige numerische Modelle erforderlich, sei es für das Materialverhalten auch mit Nichtlinearitäten wie Plastizität, Hyperelastizität und Sättigung, die Turbulenz in Strömungen, die verschiedenartigen Lasten, die Interaktion mehrerer Bauteile in einer Baugruppe etwa durch Gelenke und Kontakt oder auch das Zusammenspiel mehrerer physikalischer Disziplinen, die sich gegenseitig beeinflussen und unter anderem die Lebensdauer bestimmen. Zunehmend wird auch die Interaktion des physischen Systems mit einer Regelung und Embedded Software relevant. Dabei nutzen Systemingenieure für die physischen Komponenten oft stark abstrahierte Modelle, zum Beispiel für Beziehungen von Feder/Masse oder Kapazitäten/Induktivitäten. Hier kann das Ergebnis aus der 3D-Feldsimulation in sogenannte Verhaltensmodelle überführt werden, die die Genauigkeit der 3D-Simulation mit der Geschwindigkeit von Kompaktmodellen kombinieren, sodass das Wissen der Komponentenentwickler auf Systemebene weiter genutzt werden kann.

AUTOCAD Magazin: Autodesk hat ja selbstintegrierte Simulationslösungen im Angebot. In welchen Fällen empfiehlt sich jedoch der Einsatz einer unabhängigen Software?

Dr. Tarik El-Dsoki: Mit einer unabhängigen Software können komplexere Problemstellungen gelöst werden, die über einfache Variantenstudien hinausgehen. Spezielle Berechnungsarten wie starke Nichtlinearitäten, Akustik, Topologie-Optimierung oder Getriebeberechnung sind in den CAD-integrierten Lösungen in der Regel nicht vorhanden. Zudem muss die Geometrie oft für spezielle Berechnungen aufbereitet werden, beispielsweise werden dünnwandige Solid-Geometrien wie Autokarosserien oder Bleche in Schweißkonstruktionen als Schalenmodelle berechnet. Auf diese Modellaufbereitung sind CAD-Programme nicht spezialisiert – Programme wie MSC Apex aber schon. Außerdem ist die Akzeptanz unabhängiger Programme bei Zertifizierungen höher.

Christof Gebhardt: CAD-integrierte Simulationslösungen stellen einen begrüßenswerten Schritt dar, sich mit der Arbeitstechnik der Simulation vertraut zu machen, erste Erfahrungen zu sammeln und ein Gefühl für den Wert der Methode zu erarbeiten. Mit dem Essen wächst dann der Appetit, das heißt die Anforderungen wachsen: Das Material, die Interaktion von Bauteilen oder die Lasten sollen mit weitergehenden Eigenschaften beschrieben werden. Folglich sollte eine leistungsfähigere Simulationslösung den wachsenden Anspruch an die Qualität der Ergebnisse und eine erhöhte Arbeitsgeschwindigkeit einlösen. Neben der Simulationssoftware gehören noch weitere Erfolgsfaktoren zu einem funktionierenden Einsatz: Die Möglichkeit, Simulationsergebnisse direkt nach Regelwerken zu bewerten, Resultate an andere Projektpartner auch ohne CAE-Software weiterzugeben oder systematische Designstudien durchzuführen, die die Grundlage für ein besseres Verständnis und eine effiziente Optimierung sind. Darüber hinaus spielt die Unterstützung durch den CAE-Anbieter eine nicht zu unterschätzende Rolle: Kann er Pilotprojekte realisieren, die einen projektbezogenen Einstieg inklusive Know-how-Transfer ermöglichen? Wie breit ist das Seminarangebot? Ein guter Indikator ist dabei die Nachfrage nach  unterschiedlichen Anwendungsfeldern der jeweiligen Software. Welche Weiterbildungsformen gibt es neben den klassischen offenen Seminaren? Neben individueller Projektberatung auch Literatur, Online-Trainings, E-Learning oder gar einen eigenen Studiengang? Je vielfältiger hier das Angebot ist, desto besser der Investitionsschutz in Software und Know-how.

AUTOCAD Magazin: Industrie 4.0 ist derzeit ein hochgehandeltes Thema. Inwieweit fließen die Anforderungen zum Beispiel an die Intelligenz der Produkte und die Vernetzung mit der Fertigung in die Simulation und die entsprechenden Anwendungen mit ein?

Christof Gebhardt: Industrie 4.0 stellt neue Anforderungen: Noch mehr Datenübertragung, noch mehr Sensorik, noch mehr smarte Produkte. Viele Unternehmen müssen sich deshalb mit neuen Anforderungen auseinandersetzen, wobei Simulation eine wertvolle Quelle für das Verständnis von Zusammenhängen sein kann, zum Beispiel beim Design von Antennen oder autarken Energieversorgungen. Aber auch in der Simulation selbst spielt die zunehmende Interaktion von Komponenten eine Rolle, die über Verhaltensmodelle effizient und genau beschrieben werden können. Es ist vorstellbar, dass Kunden künftig ihre Lieferanten anhand der Verfügbarkeit von solchen Kompaktmodellen – ähnlich der heute üblichen CAD-Daten – auswählen. Dann werden umfassende Kenntnisse und die Weitergabe von Wissen über das Verhalten der Produkte zu einem noch wichtigeren Wettbewerbsvorteil.

Dr. Tarik El-Dsoki: Simulation beschleunigt die Produktentwicklung. Anhand digitaler Modelle sieht man Effekte von Änderungen sofort. Die einzelnen Berechnungsdisziplinen sind auch immer effizienter miteinander verbunden. Beispielsweise kann man aus der Bewegungssimulation Ergebnisse für die Bewertung von Akustik und Lebensdauer erhalten, ohne ein Experte in all diesen Disziplinen sein zu müssen. Oder resultierende Spannungen aus der Umformsimulation können in die Festigkeitsberechnung übernommen werden. So entstehen viel effizientere Workflows.

Die Fragen stellte Andreas Müller.

 

  • Programme wie MSC Apex sind im Gegensatz zu CAD-Lösungen auf die Modellaufbereitung spezialisiert.
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