Perfekte Symbiose Konstruktionsnahe Simulation: Produktideen frühzeitig absichern

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Die Anforderungen an Konstrukteure steigen rasant – von komplexen Kundenwünschen über strengere Gesetzesvorgaben bis hin zu verkürzten Entwicklungszeiten. Doch wie gelingt es ihnen, Produktideen frühzeitig abzusichern und gleichzeitig innovative Lösungen zu entwickeln? Die Antwort liegt in der perfekten Symbiose aus CAD und Simulation. 

Die Anforderungen an Konstrukteure werden immer vielfältiger. Die Entwicklung von Lösungen und Funktionen für einzelne Komponenten oder Baugruppen wird durch wachsende Kundenwünsche und komplexer werdende Anforderungen zunehmend anspruchsvoller. Gleichzeitig nehmen Gesetzesvorgaben, insbesondere zu Nachhaltigkeit und Kreislaufwirtschaft, zu. Diese Rahmenbedingungen beeinflussen maßgeblich den wirtschaftlichen Erfolg eines Produkts und müssen daher bereits in der frühen Konzeptphase berücksichtigt und optimiert werden – zusammen mit Kosten und Entwicklungszeit.

Produktideen frühzeitig absichern – aber wie?

Hier liegt die Herausforderung für Konstrukteure und ihre CAD-Werkzeuge. Aktuelle 3D-CAD-Lösungen unterstützen zwar die Geometrieerstellung und technische Dokumentation, etwa in Form von 2D-Zeichnungen mit Fertigungsinformationen. Jedoch sind Simulationslösungen oft von Drittanbietern und wenig oder gar nicht in die CAD-Anwendung integriert. Wie kann der Konstrukteur also zusätzliche Anforderungen schon in der Konzeptphase umsetzen und optimieren?

Die Lösung: CAD-integrierte Simulation 

Die Antwort liegt in CAD-integrierter Simulation. Angesichts des globalen Kostendrucks sowie der Notwendigkeit, Entwicklungszeiten zu senken und gleichzeitig eine hohe Produktqualität zu gewährleisten, wird schnell klar, warum Konstrukteure solche Lösungen benötigen. Digitale Simulationen direkt im CAD-System senken Entwicklungskosten, verkürzen die Entwicklungszeit und steigern die Produktqualität (siehe Abbildung 1).

Die Siemens NX X Lösungen bieten eine konstruktionsnahe Simulation zur Absicherung der Produktidee in allen Reifegraden der Produktentwicklung und in verschiedenen Fachdisziplinen wie Festigkeit, Strömung oder Kinematik. Gleichzeitig aber auch skalierbar, sodass Informationen zu Einspannungen, Lastfällen und Geometrien problemlos in Experten-Tools wie die Simcenter Plattform übertragen werden können.

Token-Lizenzierungskonzept ermöglicht sofortigen Zugriff

Die Lösungen bieten nicht nur die Absicherung von Produktideen, sondern ermöglichen auch die schnelle Evaluierung zahlreicher Alternativen. Funktionen wie die Topologie-Optimierung sind zukunftsweisende Werkzeuge für Konstrukteure. In Kombination mit der Parameteroptimierung erlauben sie die automatisierte Erstellung völlig neuer Entwürfe – einfach und effizient. Um diese Lösungen nahtlos nutzbar zu machen, setzt Siemens Digital Industries Software (Siemens DISW) auf ein flexibles Token-Lizenzierungskonzept: Ein gemeinsamer Token-Pool ermöglicht den sofortigen Zugriff auf nahezu alle konstruktionsnahen Lösungen, einschließlich der Analyse zur Nachhaltigkeit. Hier eine Auswahl (jeweils mit  Kernfunktion):

• NX Performance Predictor: Linear statische Berechnung – Verformung und Hauptspannungen.
• NX Design Explorer: Multi-Parameter-Optimierung – Schnelle Iterationen von Lösungsräumen.
• NX CFD Designer: Interne und externe stationäre Strömungen, Fließlinien, Druckverteilung.
• NX Animation Designer: Bewegungsmodelle – Zeitliche Abläufe und Ein-/Ausbau-Situationen. 
• NX Motion: Mehrkörpersimulation – Geschwindigkeiten und Gelenkkräfte. 

• NX Topology Optimization: Generative Bauteilerstellung über Krafteinleitung.
• NX Sustainability Analysis: Nachhaltigkeitsbewertung – CO₂-Fußabdruck und mehr.
• NX Molded Part Designer: Bewertung der Herstellbarkeit von Kunststoffbauteilen,  z. B. Hinterschnitte.
• NX Mechatronic Concept Designer: Mechatronisches Konzept bis zur virtuellen Inbetriebnahme.

Ziel ist es, das Verhalten von Bauteilen und Baugruppen so einfach und schnell wie möglich während der Konstruktion abzusichern und zu optimieren. Dadurch unterstützt Siemens DISW seine Kunden bei der umfassenden Beschreibung ihres digitalen Zwillings.

Demokratisierung  der Simulationslösungen

Das Thema konstruktionsnahe Simulation ist nicht unbedingt neu. Warum ist es aber heute relevanter denn je und auch so vielversprechend? Zum einen haben sich die Algorithmen in den verschiedenen Simulationsdisziplinen über die Jahre bewährt und kontinuierlich verbessert. Zum anderen wurden die Bedienkonzepte so stark vereinfacht, dass heute kein Expertenwissen mehr nötig ist – selbst bei komplexen Berechnungen. Mit der NX X Plattform hat Siemens DISW eine „Demokratisierung der Simulationslösungen“ geschaffen. Die Lösungen basieren auf bewährten Experten-Algorithmen (Solvern), die Vorbereitung der Berechnung innerhalb der CAD-Lösung wurde aber sehr einfach und skalierbar gestaltet.

Ein Beispiel ist der NX Performance Predictor (siehe Abbildung 2): Mithilfe moderner Technologien wie der Voxel-Technik werden alle notwendigen Informationen für eine Festigkeitsberechnung direkt im Bauteil hinterlegt. Änderungen an der Geometrie können so per Knopfdruck neu berechnet werden – ohne komplizierte Vorbereitung oder Vernetzung der Modelle.  

Auch die Nutzung von Hardware-Ressourcen (CPU/GPU) wurde optimiert, sodass selbst anspruchsvolle Berechnungen während der Entwicklungsphase in vertretbarer Zeit auf Standard-CAD-Workstations durchgeführt werden können. Der Anwender erhält schnelle und richtungsweisende Ergebnisse.

Einfache Bedienbarkeit  innerhalb der CAD-Anwendung

in zentraler Aspekt moderner Simulationslösungen ist ihre einfache Bedienbarkeit innerhalb der CAD-Anwendung. Die Menüführung ist so gestaltet, dass sie den gewohnten CAD-Funktionen entspricht. Alle für die jeweilige Disziplin notwendigen Eingaben erfolgen direkt in der CAD-Umgebung über eine intuitive und geführte Benutzeroberfläche. Der NX X Copilot unterstützt den Nutzer zusätzlich, was einen schnellen Einstieg in die Simulationswerkzeuge ermöglicht.

Alle Lösungen sind assoziativ mit der ausgewählten Geometrie verbunden, sodass bei Änderungen die Simulation auf Knopfdruck aktualisiert werden kann. Neben der Geometrie können auch Parameter und Attribute berücksichtigt werden, was eine schnelle Bauteiloptimierung, zum Beispiel hinsichtlich des Gewichtes in Relation zur Bauteilverformung oder einer Hauptspannung, ermöglicht. Für importierte Geometrien aus anderen CAD-Lösungen stehen umfangreiche Schnittstellen (z. B. STEP, Parasolid) in den Basis-Paketen bereit. Dank der Synchronous Technology lassen sich diese Geometrien unmittelbar bearbeiten oder parametrisieren, wobei auch die verschiedenen Geometriearten wie Netzgeometrie (STL), Volumen und Flächen direkt verarbeitet werden können.

Nahtlose Verbindung  von Design, Simulation und Fertigung 

Mit NX X bietet Siemens DISW nicht nur integrierte CAD-Simulationen für die Produktentwicklung, sondern mit NX X CAM auch umfassende digitale Fertigungslösungen. Diese decken das gesamte digitale Spektrum der Bauteilherstellung ab und bieten besondere Vorteile, etwa bei der additiven Fertigung. So ermöglichen integrierte Baujob-Simulationen die Erkennung fehlerhafter Geometrien, die direkt in der Konstruktion angepasst werden können.  Die Entwicklungsumgebung von NX X gibt Konstrukteuren die Möglichkeit, jederzeit Entwicklungsstände zu überprüfen und deren Auswirkungen auf Anforderungen im gesamten Produktentstehungsprozess zu optimieren. Diese zentrale Bereitstellung von Informationen macht komplexe Projekte beherrschbar, sodass sich Ingenieure auf wesentliche Entwicklungsaufgaben konzentrieren können.

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Bedeutung der konstruktionsnahen Simulation 

Konstruktionsnahe Simulation ist ein unverzichtbares Werkzeug der modernen Ingenieurpraxis. Sie erlaubt es, Designentscheidungen frühzeitig zu validieren und zu optimieren, was erhebliche Zeit- und Kosteneinsparungen ermöglicht. Der Einsatz von CAD-integrierten Simulationslösungen gehört daher heute in den Werkzeugkasten eines jeden Konstrukteurs und Produktentwicklers. Nur so lassen sich aktuelle und zukünftige Herausforderungen effizient meistern und der Markterfolg eines Produkts nachhaltig sichern. 

Der Autor Dipl.-Ing. Peter Scheller ist Senior Principal  Consultant - Engineering Software bei Siemens Digital Industries Software.