Simulationswerkzeuge: Die große Expertenumfrage

Die Simulation ist ein Hidden Champion der Innovationstechniken. Der Druck, Produkte schneller zur Serienreife zu bringen als der Wettbewerb, und immer komplexere Zusammenhänge machen die Simulation zum Schlüsselfaktor künftiger Entwicklungsarbeit. Worauf es dabei ankommt und welche Simulationswerkzeuge zum Einsatz kommen, erläutern Ihnen neun Simulationsexperten.

Fragen an die Experten:

1. Die Simulation als Werkzeug für die virtuelle ­Produktentwicklung ist in vielen Branchen ein wichtiger Bestandteil der Entwicklungskette. Wie können Unternehmen das volle Potenzial der Simulation ausschöpfen?
2. Was sollten Anwender bei der Implementierung von Simulationswerkzeugen beachten und wie kann Ihr Unternehmen sie dabei unterstützen?
3. Welche Trends und Entwicklungen sehen Sie im Bereich der Simulation in den nächsten Jahren?

Simulationswerkzeuge benötigen Rechenleistung

1. Die Simulation kann ihr Potenzial als Gestaltungswerkzeug dann voll entfalten, wenn sie frühzeitig im Entwicklungsprozess und dabei interdisziplinär und abteilungsübergreifend zum Einsatz kommt. Wichtig ist es, nicht nur einzelne Phänomene und Bauteile zu simulieren, sondern das Zusammenspiel der Komponenten auf Systemebene zu betrachten.
Der digitale Zwilling ermöglicht einen kontinuierlichen Abgleich zwischen virtueller und realer Welt und schafft die Grundlage, um immer bessere Prognosen für künftige Entwicklungsschritte stellen zu können.

2. Um von der Simulation zu profitieren, muss das Unternehmen den Raum für die virtuelle Entwicklung schaffen, damit vor dem Bau des ersten Prototyps die Zeit für eine oder besser mehrere Simulationen zur Verfügung steht. Altair unterstützt dabei mit einem globalen Team von über 3.000 Ingenieuren, Konstrukteuren und Analysten bei der Implementierung – beginnend von der Computing-Infrastruktur über die Simulationsdisziplinen bis hin zur industriellen Applika­tion – und ermöglicht so simulationsgestützte Innovation.

3. Ich sehe drei große Trends: Erstens die Demokratisierung: Intuitive Benutzeroberflächen, geführte Arbeitsabläufe und eine zunehmende Automatisierung von Standardaufgaben erleichtern die Anwendung, erhöhen die Genauigkeit und steigern die Innovationskraft.
Zweitens KI: Mit der Verknüpfung von Simulations- und Testdaten kann künstliche Intelligenz einen wesentlichen Beitrag dabei leisten, das Verhalten einer Konstruktion vorherzusagen und deren Qualität deutlich zu verbessern.
Und drittens Cloud: Simulation benötigt Rechenleistung. Mit den Werkzeugen von Altair lassen sich anspruchsvolle Berechnungsumfänge sowohl im eigenen Rechenzentrum als auch in der Cloud aufbauen, darstellen, analysieren und optimieren.

1. Erfolgreiche Unternehmen setzen die Simulation im Produktentwicklungszyklus ein. Sie ist dabei weit mehr als ein Validierungswerkzeug. Produktdesigner verwenden Simulationswerkzeuge, die speziell für die Konstruktions- und Entwicklungsphase entwickelt wurden, und können schon sehr früh in der Produktentwicklung die Frage „Was wäre wenn?“ beantworten. Dies bietet strategische Wettbewerbsvorteile, da sich Zeit, Geld und physische Ressourcen einsparen lassen.

2. Um zusätzliche Schnittstellen zu reduzieren, sollten verschiedene physikalische Bedingungen innerhalb derselben Werkzeugfamilie simuliert werden. Um einen effizienten Arbeitsablauf zu gewährleisten, ist ein hohes Maß an Integration und Automatisierung nötig. Und um den Nutzen zu maximieren, müssen die technischen Fähigkeiten des Teams bewertet werden.
Unsere Simulationssoftware deckt ein breites Spektrum physikalischer Anwendungen ab, die sich über die Sammlung öffentlicher Python-­Pakete „PyAnsys“ einsetzen lassen. Zur Unterstützung der Anwender verfügt Ansys über ein engagiertes Kundenteam, das sich aus 1.500 Fachkräften verschiedener Branchen zusammensetzt und bewährte Empfehlungen und Best Practices bereitstellt.

3. Auf dem Markt besteht ein Bedarf an gezielten und sofort einsetzbaren Anwendungen. Die Entwicklung spezifischer Simulationsanwendungen wird durch die Erweiterung der Entwicklergemeinschaft ermöglicht, die die Simulation in Industriesektoren einführt, die mit solchen Werkzeugen nicht vertraut sind. Wir werden auch eine bedeutende Entwicklung bei der Simulation als eingebettete Komponente eines Produkts mit der erweiterten Nutzung von digitalen Zwillingen erleben.

1. Indem Simulation tatsächlich voll im Entwicklungsprozess integriert wird, entstehen Möglichkeiten, Daten zu zentralisieren, Prozesse zu automatisieren und so Entwicklungszyklen zu verkürzen.
Simulation ermöglicht auch neue Arten der Kommunikation zwischen Unternehmen. Simulationsmodelle, Ergebnisse und Verhaltensmodelle werden in der frühen Entwicklungsphase mit Partnern ausgetauscht. Das spart weitere Prototypen.

2. Simulation steht niemals fürs sich, sondern dient der Lösung von Fragen, lebt vom Input diverser Quellen, generiert Output, der weiterverwendet wird, und wird von Menschen genutzt. Das Zusammenspiel von Menschen, Wissen und Softwarelösungen gilt es, ganzheitlich zu betrachten. Das Ziel von Cadfem ist, diese Menschen mit dem Wissen eines Software-Unternehmens zu verbinden, um Digital Engineering umzusetzen.

3. Die digitale Transformation ist im vollen Gange. Zwei Stichworte sind SPDM und MBSE. Unternehmen, die mit ihrem Entwicklungsprozess wettbewerbsfähig bleiben wollen, müssen sich diesen Themen stellen.
Auch KI bleibt ein Trend. KI wird mehr und mehr in ­Simulationslösungen integriert und kann den Aufbau sowie das Handling von Simulationsdaten massiv beschleunigen. Zudem wird KI zukünftig unterstützen, Entscheidung zu treffen und das Engineering neu definieren. HPC und Multiprozessor-Solver sind Stand der Technik. GPU-basierte Solver sind im Kommen und die nächste Stufe der Beschleunigung. Das Thema Quantencomputing wird zudem eine neue Ära einläuten.
Modularisierte Simulationslösungen, Cloudcomputing und smartes Datenhandling ermöglichen zukünftig individuelle Applikationen, die spezielle Aufgabenstellungen abdecken. Jeder Ingenieur wird überall Zugriff auf Simulation bekommen.

Der Mensch muss mit den Simulationen arbeiten

1. Unternehmen können das Potenzial der Simulation maximieren, indem sie möglichst viele Mitarbeiter zur Durchführung von Simulationen befähigen. Um dies zu erreichen, muss die Simulation auch für Ungeübte zugänglich und nutzbar gemacht werden, da nur wenige über entsprechende Erfahrungen verfügen. Simulations-Apps, die auf hochgenauen multiphysikalischen Modellen basieren, sind dafür das richtige Werkzeug. Stellen Sie sich das unglaubliche Potenzial vor, das entsteht, wenn plötzlich jeder Produktentwickler komplexe multiphysikalische ­Modelle völlig selbstständig und frei nutzen kann.

2. Wir raten unseren Anwendern, bei der Implementierung immer zukunftsorientiert zu denken. Die Welt ist multiphysikalisch, und es ist oft nicht vorhersehbar, welche physikalischen Effekte ich im nächsten Projekt simulieren oder in bestehende Modelle implementieren muss. Ein Simulationswerkzeug sollte hier flexibel sein. Die Comsol-Simulationsplattform ist für die überwiegende Mehrheit der Aufgaben in Forschung und Entwicklung geeignet, und der Workflow ist unabhängig von der Anwendung immer genau gleich. Dies schafft Flexibilität für die Zukunft.

3. Immer effizientere Algorithmen und leistungsfähigere Hardware ermöglichen es, immer genauere und komplexere multiphysikalische Modelle in akzeptablen Rechenzeiten zu lösen. Gleichzeitig steigt der Bedarf an schlanken, reduzierten Modellen, die sich in Echtzeit lösen lassen, zum Beispiel für digitale Zwillinge. Die reduzierten Modelle werden aus den genauen Modellen abgeleitet, sind dann aber nur in einem eingeschränkten Parameterbereich gültig, können aber bei Bedarf neu kalibriert werden. Die Kombination von ­genauen und schnellen Modellen hat ein großes Potenzial für die Produktentwicklung und das PLM.

Fragen an die Experten:

1. Die Simulation als Werkzeug für die virtuelle ­Produktentwicklung ist in vielen Branchen ein wichtiger Bestandteil der Entwicklungskette. Wie können Unternehmen das volle Potenzial der Simulation ausschöpfen?
2. Was sollten Anwender bei der Implementierung von Simulationswerkzeugen beachten und wie kann Ihr Unternehmen sie dabei unterstützen?
3. Welche Trends und Entwicklungen sehen Sie im Bereich der Simulation in den nächsten Jahren?

1. Simulation sollte möglichst früh im Produktentwicklungsprozess eingesetzt werden – je später, desto teurer und zeitaufwändiger wird es. Das Schlüsselrezept ist Modsim: Die Verknüpfung von Modellierung und Simulation. Durch Modellierung lässt sich die Geometrie automatisch im Hintergrund vernetzen, und Sensitivitätsstudien werden parallel zum Designprozess durchgeführt. Dadurch entsteht die Grundlage, um die passenden Designfenster entlang des Produkt­entstehungsprozesses zu identifizieren und Simula­tion durchgehend im Engineering einzusetzen. Kosten lassen sich reduzieren, Entwicklungszeiten verkürzen und alle Produktanforderungen umsetzen.

2. Unternehmen wählen Simulationstools häufig nach einzelnen Funktionen und individuellen Stärken aus, sodass oft viele verschiedene Lösungen zum Einsatz kommen. Das birgt Risiken: Es entstehen Datensilos, die eine effiziente Zusammenarbeit behindern. Die 3DExperience-Plattform von Dassault Systèmes unterstützt als Single Source of Truth dabei, diese Silos aufzubrechen, effiziente Workflows abteilungsübergreifend zu implementieren und eine ganzheitliche Betrachtungsweise der Produktentwicklung in den Fokus zu rücken. Durch vollständige Durchgängigkeit, Transparenz und Kollaboration transformieren Kunden ihre Prozesse und werden den anspruchsvollen Marktanforderungen gerecht.

3. Simulation wird immer häufiger und früher eingesetzt – zum Teil automatisiert. Zudem stehen Simulationsergebnisse schneller zur Verfügung, obwohl die Modelle komplexer und größer werden. Neben dem ganzheitlichen Plattformansatz, der Modellierung und Simulation verknüpft, sind es vor allem neue Technologien wie künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen, die diese Trends ermöglichen und die Simulation beschleunigen.

Simulationswerkzeuge im virtuellen Fertigungsprozess

1. Die virtuelle Produkt- und Prozessentwicklung kommt in den unterschiedlichsten Bereichen zum Einsatz: Fahrzeugsicherheit, Vibration, Fahrwerksauslegung, und auch in den unterschiedlichsten Fertigungsverfahren. Die Simulationsmodelle müssen dabei immer wieder mit verfügbaren Daten aus realen Messungen und Versuchen abgeglichen werden. Nur durch eine sorgfältige Abstimmung zwischen virtueller Auslegung und realen Versuchen sowie durch die Berücksichtigung der Abhängigkeiten zwischen den einzelnen Auslegungsdisziplinen lässt sich eine stetige Verbesserung in der Aussagefähigkeit von Simulationsaussagen erreichen.

2. Multiphysikalische Simulationsmodelle ermöglichen die Modellierung gekoppelter Effekte – so können Druckschwankungen in Strömungen zu starken Deformationen von strukturellen Bauteilen führen (Spoiler, dünnwandige Flüssigkeitsbehälter).
Integrierte virtuelle Prozessketten helfen dabei, in der Auslegung von Fertigungsabläufen die bisherige Fertigungshistorie in den Folgeschritten korrekt zu berücksichtigen.
Die Schnittstelle MpCCI vom Fraunhofer SCAI ermöglicht die direkte Kopplung verschiedener Simulationscodes sowie die Integration verschiedener Simulationsverfahren in einen virtuellen Fertigungsablauf.

3. Digitale Zwillinge und ähnliche Simulationswerkzeuge werden zu einem immer wichtigeren technischen Paradigma. Konstruktions- und Simulationsingenieure, Prozessexperten und IT-Abteilungen sind mehr denn je miteinander verwoben, kämpfen aber mit nicht übereinstimmenden oder fehlenden Datenstandards, Schnittstellen und Softwarearchitekturen. Eine ganzheitliche virtuelle Auslegung erfordert jedoch eine Wiederverwendbarkeit von Informationen und möglichst durchgängige Interoperabilität von Daten.

1. Moderne Simulationswerkzeuge sollten bereits sehr früh in der Produktentwicklung zum Einsatz kommen, um erste Trends abschätzen zu können. Dazu bieten nahezu alle CAD-Systeme integrierte Lösungen an. Darauf aufbauend, lassen sich durch den Einsatz von klassischen Tools je nach Anforderung (Mechanik, Strömung, Elektromagnetik, Optik, etc.) die Entwicklungszeiten und -kosten erheblich reduzieren, da sich beispielsweise physikalische Versuche einsparen lassen.

2. Wichtig ist aus meiner Sicht, bei der Implementierung der Simulationswerkzeuge durchaus etwas weiter zu blicken und sich für eine Lösung zu entscheiden, die sowohl Ausbaupotenzial bei steigenden Anforderungen als auch eine Ausweitung in Multi-Physik-Lösungen ermöglicht. Wir bieten potenziellen Interessenten die Gelegenheit, sich mit der Lösung in einem Test-Drive vertraut zu machen. Hier arbeitet man einen Tag unter Anleitung mit dem Tool.
Ebenso unterstützen wir Firmen darin, ihr internes Know-how im Bereich Simulation aufzubauen oder zu erweitern und machen dadurch unsere Kunden mit Simulationslösungen erfolgreich.

3. Simulation wird mehr und mehr zum Mainstream und ist in der modernen Produktentwicklung nicht mehr wegzudenken. Neben den Standards Mechanik und Strömung sind insbesondere Lösungen für die Entwicklung von E-Mobilität sehr stark gefragt. Ein weiterer Bereich ist das Thema Optik. Neben der Simulation photonischer Phänomene geht es auch um die Auslegung von Linsen und Objektiven. Bei der Entwicklung autonomer Fahrassistenzsysteme ist die optische Simulation ein elementarer Bestandteil.

Produktion heute beinhaltet Simulation

1. Simulation sollte einen integralen Bestandteil in der Produktentwicklung darstellen, um Produkteigenschaften durchgängig in einer virtuellen Umgebung abzubilden. Somit lassen sich Proto­typen- und Entwicklungskosten minimieren und Produkte über digitale Zwillinge schneller auf den Markt bringen. Des Weiteren können Simulationsaufgaben von Konstrukteuren übernommen werden, um die Qualität des Designs frühzeitig zu steigern.
Simulationsdaten- und Prozessmanagement mit Anknüpfung an Anforderungen kann schließlich das volle Potenzial freisetzen, indem eine nachvollziehbare und rechtskonforme Dokumentation der Entscheidungswege für Zertifizierungen genutzt wird.

2. Um Produkteigenschaften ganzheitlich betrachten zu können, ist eine übergreifende Zusammenarbeit entscheidend. Hierbei unterstützt Siemens Digital Industries Software Unternehmen, das volle Potenzial zu ermitteln, indem die Entwicklungsprozesse analysiert und optimiert werden.
Mittels anwendungsspezifischer Trainings durch unsere Experten mit langjähriger Industrie- und Simulationserfahrung lässt sich der Technologietransfer beschleunigen, und es können durch die Simulationswerkzeuge alternative Wege weitere Möglichkeiten eröffnet werden.

3. Simulationswerkzeuge werden unterschiedlichen Nutzern zugänglich gemacht, sodass sich übergreifende Abläufe für spezifische Aufgaben integrieren lassen. Für die Erstellung eines vollumfänglich digitalen Zwillings sind Daten notwendig, welche sowohl aus dem laufenden Betrieb, aus der Simulation sowie aus Tests herangezogen werden. Hierfür werden künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen einen erheblichen Beitrag liefern. Diese ganzheitliche Betrachtung vereint Siemens Xcelerator über eine Systemüberwachung mit stetiger Datenanalyse.

1. Egal ob in der Produktentwicklung und Fertigungsplanung oder in bereits etablierten Produktionsabläufen – die Simulation hat viele vorteilhafte Facetten.
Unabhängig von einzelnen Produkten oder Arbeitsschritten können Hersteller ihre Fertigungsabläufe und Materialflüsse mit Hilfe der richtigen Simulationswerkzeuge virtuell in Echtzeit betrachten, bei Bedarf neu planen oder einzelne, ineffiziente Abläufe optimieren.
Wer ein neues Produkt fertigen möchte, erkennt mittels Simulationen die Herausforderungen für seine Produktion – egal ob manuell oder maschinell – und kann diese vorab durch die Simulationswerkzeuge beheben.

2. Wer neu in Produktionssimulation einsteigt, sollte sicherstellen, dass alle vorhandenen „Lagepläne“ in Form von CAD-Modellen und 2D/3D-Layouts von Maschinen sowie Produktionszellen und -linien verfügbar sind. Diese lassen sich in der Regel einfach in eine Simulationssoftware wie die von Visual Components hochladen, was den Start in die virtuelle Produktionsplanung erleichtert.
Hierbei gilt es jedoch, einen häufigen Fehler zu vermeiden: Auch manuelle Arbeitsschritte, die in technischen Zeichnungen natürlich nicht enthalten sind, können simuliert werden. Sie lassen sich in der Regel leicht in die Simulation einbauen.

3. Visual Components ist eine starke Basis für Produktionssimulationen aller Art. Wir sehen für die kommenden Jahre ein enormes Innovationspotenzial und setzen hierbei vor allem auf Partner weltweit.
Hierbei reden wir nicht nur von neuen technischen Lösungen – neue Roboter, AMRs etc. – die wir leicht als „Bausteine“ in unsere Datenbank integrieren können. Wir sind auch offen für Add-ons seitens unserer Anwender und 3rd-­Party-Entwicklungsfirmen. Besonders wenn es darum geht, spezielle Applika­tionen für neue Produktionsanwendungen zu entwickeln.

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