21.02.2022 – Kategorie: Fertigung & Prototyping

Surfwelle digitalisieren: Digitale Zwillinge für mehr Realitität im Schwimmbecken

SurfwelleQuelle: Surf Loch

Fragt man Surfer, was sie daran hindert, Fortschritte zu machen, dann sind wahrscheinliche Antworten: Inkonsistente Wellen, überfüllte Strände und schlicht die Entfernung zum passenden Strand. Was hat das mit Simulation zu tun? Sie werden sehen.

Um als Surfer Fortschritte zu machen, muss man bis dato an einem dafür geeigneten Ozean-Strand wohnen. Auch ist oft viel Geduld gefragt: Surf-Profi Joshua Moniz kommentiert: „Auf dem Ozean ist unklar, wann die nächste Surfwelle kommt. Manchmal dauert es fünf Minuten, manchmal können 20 Minuten vergehen. Die Zuschauer kann das schnell langweilen. Es wäre großartig, Wellen wiederholen zu können.“

Tom Lochtefeld, Gründer und CEO von Surf Loch, verfolgt genau diese Idee, konstante Surf-Bedingungen und realistische Ozeanwellen in einem Schwimmbadbecken nachzubilden. Er suchte dafür nach den richtigen Werkzeugen und Technologien.

Wie sich eine Surfwelle bilden lässt

Eine künstliche Welle beginnt mit elektrischer Energie, die über Schaltanlagen an Motoren verteilt wird. Diese treiben nicht etwa direkt Pumpen an, sondern große Gebläse. Diese Gebläse (vereinfacht gesagt, große Ventilatoren) füllen mit einer Kombination aus Druck und Unterdruck sogenannte Caissons. Diese Senkkästen (auch Wellenkammern genannt) münden in den Boden des Schwimmbeckens. Durch den Senkkasten wird das Wasser nach oben gesaugt und dann in das Becken zurück gedrückt. Diese Bewegung erzeugt Energie, die sich im Wasser als Wellen ausbreitet.

Bis hierhin nutzen die meisten Wellenbäder diese Methode. Die Herausforderung für Surf Loch bestand nun darin, die natürlichen Bedingungen des Ozeans nachzubilden und das Wasser so zu formen, dass es konsistent surfbare Wellentypen hervorbringt.

Surfwelle
Der digitale Wellen-Zwilling (rechts) dient dem Engineering neuer surfbarer Wellenarten und der Übertragung auf neue und geplante Anlagen. Bild: Surf Loch

Laut Michael Brown, Ingenieur bei Surf Loch, sind „Wellen knifflig, weil sie mathematisch perfekt sein müssen, um sich gut auszubreiten.“ Das Erzeugen einer perfekten Surfwelle ist daher ein komplexer Prozess, bei dem man sicherstellen muss, dass die Welle auch unter Schwerkraft in ihrer Ausbreitung, Amplitude und Wellenlänge perfekt ist. Wenn nicht, könnte die Welle sogar unkontrollierbar werden. Das Timing bei der Öffnung von Ventilen und der Regelung des Drucks ist daher essentiell.
Die Prozessschritte müssen sehr präzise ablaufen.

Wahl des Technologie-Partners

Um den technologischen Herausforderungen zu begegnen, ging Surf Loch eine Partnerschaft mit Siemens ein. Das Unternehmen nutzt die Motion-Control-Technologie Simotion und WinCC Advanced – beide werden über das TIA-Portal bedient. So konnten die Surf-Loch-Ingenieur eine grafische Oberfläche gestalten, mit der sich die Wellen präzise steuern lassen.

Zudem nutzten sie CFD-Simulation und weitere Analysetechnologien von Siemens, um Strömungs- und Festigkeitsanalysen an den Ventilatoren in den Senkkästen durchzuführen. Durch Aufteilung der Bewegung in mehrere Senkkästen, die sich in Relation zueinander steuern lassen, erzeugen die Surf-Loch-Ingenieure verschiedene surfbare Wellenformen.

Surfwelle
Mittels mehrerer Senkkästen, die sich in Bezug zueinander steuern lassen, lassen sich verschiedene surfbare Wellenformen erzeugen. Bild: Surf Loch

Der digitale Wellen-Zwilling

Um eine realistische Meereswelle in einem entsprechend präparierten Schwimmbecken zu erzeugen, ist es nötig, die digitale Welt mit der physischen Welt zu kombinieren. Dazu haben die Ingenieure einen umfassenden digitalen Zwilling erstellt. Er dient der vorhersagbaren Erzeugung und Visualisierung der Wellen.

Was Surf Loch dabei an Siemens schätzt ist die Tiefe und Breite der verfügbaren Technologie. Bei dem „Engineering“ von Surfwellen, die auf die 1000stel Sekunde genau geformt werden müssen, geht es um die richtige Software, die präzise genug sein muss, um die Ventile, die Luft, das Wasser und schließlich den Wellenbruch zu steuern.

Hinzu kommt: Surfer nutzen nicht nur eine Art von Welle, es gibt viele Varianten. Jede Wellenart muss vor der Umsetzung validiert werden. Dazu hat das Unternehmen Surf Loch für jede Variante einen eigenen digitalen Zwilling entwickelt, den es untersucht, bevor diese Welle auf ein physisches Modell der Anlage übertragen werden kann.

„Die virtuellen und physischen Modelle korrelierten bereits fast perfekt miteinander“, kommentiert Lochtefeld. Das schuf Vertrauen in die digitale Modellierung der Wellen. Diese wurde sukzessive genauer und Surf Loch musste immer weniger physische Modelle herstellen, um mehr Wellenvarianten zu kreieren.

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Bedient wird die Motion-Control-Technologie über das TIA-Portal. Die Ingenieure können die Wellen über eine grafische Oberfläche gestalten. Bild: Surf Loch

Weitergehende Digitalisierung: Jede Surfwelle zählt

Neben dem digitalen Zwilling arbeitet Surf Loch an einer Reihe weiterer Digitalisierungsstrategien, um die Konstruktion, Produktion und Überwachung seiner Wellensysteme zu optimieren. Geplant sind mehrere Standorte rund um den Globus, ein offenes Ökosystem für Partner, Anbieter und Surf-Loch-Mitglieder.

Um Designs gemeinsam in Echtzeit zu überarbeiten, nutzt Surf Loch eine cloudfähige Kollaborationsplattform. Bryan Behr vom Surf-Loch-Team führt aus: „Wenn wir ein neues Projekt beginnen, nutzen wir Teamcenter. Der große Vorteil ist, dass wir so einen zentralen Ort haben, wo wir alle Daten verwalten.“

Bei neuen Standorten soll die Technik über die IoT-Technologie von Mindsphere überwacht werden. Dies ermöglicht den Zugriff auf eine Kombination aus Datenüberwachung und Analyse, die den Status aller Systeme kontrolliert und eine vorausschauende Wartung ermöglicht.

Michael Brown erläutert: „Wir messen, wie die Lüfter, Pumpen und Ventile arbeiten und können so vorhersagen, wann sie möglicherweise ausfallen. Dies im Voraus zu wissen, ist sehr wichtig, weil wir einen Wartungsservice einplanen können, ohne dass der Betreiber auch nur eine Welle verliert.“

Die Autorin Suzanne Kopcha ist Vice President Consumer Products & Retail bei Siemens Digital Industries Software.

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