Produktentwicklung Validierungsprozess: Zertifizieren mit digitalen Modellen und Simulation

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Siemens setzt erfolgreich auf den digitalen Zwilling. Der Verifizierungs- und Validierungsprozess der digitalen Modelle basiert auf einem von UL Solutions entwickeltem Framework. Heike Thomas, Senior Manager, Strategy, Portfolio, Innovation - Consumer Industries bei UL Solutions, erklärt, wie das Framework funktioniert, was es kann und welche physischen Tests es ersetzt.

Können Sie uns bitte kurz erklären, welche Produkte und Lösungen UL Solutions anbietet?

Heike Thomas: UL Solutions unterstützt Kunden dabei, innovativ zu sein und neue Produkte und Dienstleistungen auf den Markt zu bringen. Mit seinen Tests, Inspektions- und Zertifizierungsdiensten bietet UL Solutions weltweit anerkannte Prüfzeichen, die helfen, eine zuverlässigere und sicherere Welt zu schaffen. Ein wichtiger Bereich sind die auf digitale Modellierung und Simulation basierenden Dienstleistungen. Diese eröffnen einen effizienteren Weg bei Produktdesign und -zertifizierung, da neben den physischen Tests auch verifizierte und validierte digitale Modelle zum Einsatz kommen können. Dieser Prozess führt zu präziseren technischen Details und einem geringeren Bedarf an Produktprototypen.

Die Entscheidung, M&S (Modellbildung und Simulation) -generierte Daten zu verwenden, um die Zertifizierung zu unterstützen, erfordert dabei ein hohes Maß an Vertrauen in die Modelle. Um diese Herausforderung zu schaffen, haben wir einen Prozess der unabhängigen Modellverifizierung und -validierung (Independent Model Verification and Validation -IMV&V) entwickelt, um die Integrität aller M&S-Modellen zu gewährleisten.

Eine robuste Verifizierung und Validierung ist für die Akzeptanz von Simulationsmodellen im Rahmen der Sicherheitszertifizierung unerlässlich. Ein Modell eines Produkttests, das im Rahmen des IMV&V-Prozesses erfolgreich bewertet wurde, unterstützt die Zertifizierung eines Produkts für zukünftige Produktrevisionen. Zu den Dienstleistungen gehören: Ausarbeitung einer Strategie für eine wirksame Vorgehensweise bei der Modellierung und Simulation zur Einhaltung von Vorschriften, Bewertung der Verifizierung und Validierung von Modellierungs- und Simulationssoftware, unabhängige Modellvalidierung sowie Verifizierungs- und Validierungstests.

Validierungsprozess in der Normenwelt

Wie sieht der typische Ablauf einer Zertifizierung zum Beispiel für antriebstechnische Komponenten aus?

Thomas: Zertifizierungen in der heutigen Zeit der Digitalisierung und Konnektivität beinhalten nicht nur viel komplexere technische Aspekte, auch der Grad der Globalisierung stellt viele Hersteller vor Herausforderungen. Typischerweise werden elektronische Produkte und Komponenten nach den für den jeweiligen Absatzmarkt des Herstellers relevanten Normen geprüft. Wenn alles konform ist, wird schließlich eine Zertifizierung erteilt. Der Temperaturtest ist zum Beispiel eine der Prüfungen, die in 99 Prozent der Normenwelt fest verankert ist, um sicherzustellen, dass das Produkt nicht zu warm wird und dadurch ein Feuer oder einen Kurzschluss auslösen kann.

Da heute die allermeisten Produkte bzw. Komponenten vernetzt und softwaregesteuert sind, kommen weitere Prüfungen zur funktionalen Sicherheit, elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV), Wireless, Cyber Security und Nachhaltigkeit wie zum Beispiel Energieeffizienz hinzu, nur um ein paar Beispiele zu nennen.

Welche Anforderungen sind dabei besonders wichtig?

Thomas: In erster Linie fokussieren sich die Normen auf die Produktsicherheit hinsichtlich von Feuer bzw. Brandgefahr und elektrischer Schlag. Aber auch die mechanische Sicherheit ist wichtig. Des Weiteren haben funktionale Sicherheit, EMV und Cyber Security eine hohe Priorität in dem Ranking der Sicherheitsaspekte eingenommen.

Wodurch zeichnet sich das von UL Solutions entwickelte Framework aus?

Thomas: Das von UL-Solutions entwickelte Framework für die Akzeptanz digitaler Modelle als Beitrag zur Zertifizierungsentscheidung basiert auf über 15 Jahren Expertise im Bereich der digitalen Simulation und Künstlicher Intelligenz. Die Anwendung von digitaler Simulation ist seit Jahrzehnten in der Luftfahrt- und Automobilindustrie fest integriert. Dazu gehören auch die Verifizierung und Validierung, um sicherzustellen, dass sie für bestimmte Anwendungen akzeptiert werden kann.

Die Verifizierung und Validierung digitaler Modelle und die wissenschaftlich fundierten Veröffentlichungen in den Bereichen Luftfahrt (NASA Handbuch), Automobil und aus dem medizinischen Umfeld (American Society of Mechincal Engineers - ASME) dienten zunächst als Referenzpunkt.

Das UL-Solutions Expertenteam, repräsentiert von der Produktabteilung, den Simulations- und den Normungsexperten, haben Schwerpunkte definiert, die für die Entscheidung einer Zertifizierung sicherheitsrelevant sind, und nutzte die bestehenden Veröffentlichungen als Referenzpunkt.

Die Vorteile gehen dabei weit über die Zertifizierung hinaus und bieten Herstellern die Möglichkeit, im Rahmen der Produktentwicklung bedeutend effizienter zu werden. Verifizierte und validierte digitale Modelle steigern unter anderem die Genauigkeit und Wiederholbarkeit.

Genaue Prüfungen im Validierungsprozess

Bei einer Zertifizierung für Siemens kam erstmals ein digitales Modell des zu prüfenden Produkts zum Einsatz. Inwiefern ist die Verlässlichkeit eines solchen Modells gewährleistet?

Thomas: Es ist das Zusammenspiel verschiedener Fachkenntnisse und Ingenieursdisziplinen sowie der iterative, strenge Validierungsprozess basierend auf physischen Prüfungen im Labor. Die Validierungsprüfungen im Testlabor sind typischerweise etwas genauer als die in der Norm beschriebene Prüfung, damit das digitale Modell so nah wie möglich an den ‚wahren‘ Wert kommt.

Das heißt aber auch, dass einige technische Parameter unter den Ingenieuren abgestimmt und definiert werden mussten. Diese sind immer produktspezifisch, und daher ist jedes Projekt einzigartig. Der Prozess des Frameworks bleibt dabei immer der gleiche, aber die technischen Parameter führen aufgrund der Produktbeschaffenheit, Geometrie, usw. immer zu unterschiedlichen Ergebnissen.

Wie ergänzen sich digitale Simulation und physische Tests?

Thomas: Heute sind sich alle einig: Es wird keine digitale Simulation ohne die physischen Validierungsprüfungen geben. Der iterative Prozess von Modellierung und Validierungsprüfung ist die Formel für die Genauigkeit aber auch Verlässlichkeit eines Modells.

Welche physischen Tests lassen sich nun in digitaler Form vornehmen?

Thomas: Zurzeit bieten wir die Verifizierung und Validierung im Rahmen der Zertifizierung für thermische und mechanische Prüfungen an. Auch generelle Verifizierungen und Validierungen von CFD Simulationen (zum Beispiel das Austreten der Kühlmittel) können durchgeführt werden.

Welche Schritte waren für die Einführung des Verfahrens bei Siemens erforderlich?

Thomas: Zunächst haben wir gemeinsam mit Siemens einen sogenannten Proof-of-Concept durchgeführt, um zu demonstrieren, dass es eine Möglichkeit gibt, digitale Modelle im Rahmen der Zertifizierung zu akzeptieren. Hierbei mussten zunächst einige kritische technische Parameter identifiziert bzw. definiert werden. Das UL-Solutions Framework diente dabei als roter Faden beim Verifizierungs- und Validierungsprozess, der natürlich auch bei UL Solutions intern genehmigt werden musste.

Nach dem erfolgreichen Abschluss des Proof-of-Concepts war der Mehrwert für alle Beteiligten eindeutig. Insbesondere, was die Genauigkeit und Wiederverwendbarkeit der verifizierten und validierten Modelle angeht.

Komponentenmodellierung ist eine Herausforderung

Wo lagen die Hürden und Herausforderungen?

Thomas: Da dies der erste Versuch einer solchen Herangehensweise war, mussten zunächst einige technische Details in enger Zusammenarbeit abgestimmt werden, was anfangs nicht immer ganz einfach war. Darüber hinaus ist die Komponentenmodellierung eine Herausforderung, da sie die Erfassung kritischer Komponenten erfordert, die für die entsprechende Prüfung notwendig oder für die Physik relevant sind.

Für welche Produkte und Komponenten eignet sich das Verfahren besonders?

Thomas: Das Verfahren ist besonders geeignet für hochkomplexe Endprodukte mit vielen (kritischen) Komponenten; verifizierte und validierte Komponenten würden zu einer weiteren signifikanten Effizienzsteigerung bei der Verifizierung und Validierung des Endgerätes beitragen.

Andererseits ist das Verfahren geeignet für Produkte mit einer großen Anzahl von Designvarianten. Grundsätzlich aber lässt sich bestätigen, dass dieser Ansatz die Effizienz bei der Genehmigung ganzer Produktfamilien mit vielen Designvarianten deutlich erhöht. Insgesamt ist das Ziel, immer sichere Produkte mit einem hohen Maß an Genauigkeit und Zuverlässigkeit auf den Markt zu bringen, was nur in Verbindung mit einer Laborprüfung möglich ist. Allerdings kann dieses Verfahren den Prüfaufwand erheblich reduzieren.

Inwiefern können auch andere Unternehmen vom Einsatz des digitalen Zwillings in der Zertifizierung profitieren?

Thomas: Grundsätzlich kann jeder Hersteller von diesem Verfahren profitieren. Es ist immer eine Kosten-Nutzen-Kalkulation der Hersteller, um letztendlich intern Zeit und Kosten zu sparen.

Frau Thomas, vielen Dank für das Gespräch.