Digitale Transformation Wertschöpfungsprozess optimieren: Kombi aus Modellierung und Simulation

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Die Verbindung von Modellierung und Simulation hat großes Potenzial, um Arbeitsabläufe im Engineering zu optimieren, Produkte schneller auf den Markt zu bringen und den Entwicklungs- und Wertschöpfungsprozess nachhaltiger zu gestalten. Was hinter dem datengetriebenen und kollaborativen Ansatz steckt und welche Vorteile dieser bietet, zeigen verschiedene Anwendungsszenarien.

Bei der digitalen Transformation von Wertschöpfungsketten ist Simulation ein zentraler Faktor. Sie schafft die Grundlage für verbesserte Zusammenarbeit und die Integration von Einzelprozessen. Simulation, beispielsweise in Form eines virtuellen Zwillings, ermöglicht die Nutzung eines gemeinsamen Datenmodells für alle Beteiligten entlang des gesamten Produktentwicklungszyklus. So entsteht disziplinübergreifendes Engineering, das deutlich effizienter und nachhaltiger ist. Wie können sich Unternehmen diesem Idealzustand annähern?

Disziplinen zusammenbringen

Ein vielversprechender Ansatz für alle Industrien und jede Unternehmensgröße ist MODSIM – die Verknüpfung und Vereinheitlichung von Modellierung und Simulation. Bislang stand die Simulation am Ende des Konstruktionsprozesses, wenn es darum ging, das Design zu validieren. Nun wird die Simulation zusätzlich in die Konzeptionsphase verlagert. Konstrukteure nutzen alle Vorteile, indem sie nicht nur auf die Ergebnisse zugreifen, sondern auch in der Lage sind, Simulationen selbst durchzuführen. Sie können mit Parametern ihres CAD-Modells experimentieren, um verschiedene Ergebnisse zu simulieren, oder um einzelne Parameter und deren Einfluss auf das Gesamtergebnis zu analysieren sowie zahlreiche Was-wäre-wenn-Szenarien durchzuspielen.

All das geschieht in Echtzeit und liefert zentrale Erkenntnisse für Konstruktionsentscheidungen. MODSIM sorgt also dafür, die Iterationen zwischen den – bislang häufig isoliert arbeitenden – Disziplinen Modellierung und Simulation erheblich zu beschleunigen. Indem CAD- und CAE-Prozesse nahtlos kombiniert und vernetzt werden, entsteht bereits die Basis eines virtuellen Zwillings.

Mehr Effizienz im gesamten Wertschöpfungsprozess

Modellierung und Simulation stehen selbstverständlich nicht isoliert. Im Wertschöpfungsprozess werden sie von benachbarten Domänen eingerahmt. Dazu gehören unter anderem das Testmanagement und das Produktmanagement, das Anforderungen, Architektur und Änderungen definiert, sowie das Projektmanagement. Ziel ist es, die Simula­tion für möglichst viele Beteiligte aus diesen Bereichen nutzbar zu machen. Das gelingt am besten mit einer einheitlichen Arbeitsumgebung wie der 3DExperience-Plattform von Dassault Systèmes. Alle Informationen stehen dabei als durchgängiges Datenmodell über den gesamten Produktlebenszyklus zur Verfügung. Die jederzeit vollständige Transparenz über die zu erfüllenden Ziele für alle Nutzer sowie die Möglichkeit, zu jedem Zeitpunkt Feedback zu geben und zu erhalten, werden damit zu entscheidenden Erfolgsfaktoren.

Letztlich geht es bei den Ansatz darum, Konstruktionsentscheidungen möglichst früh im Prozess durch Simulation zu unterstützen. Änderungen am Design können zu einem früheren Zeitpunkt vorgenommen werden – wenn sie noch problemlos umsetzbar und nicht zu teuer sind. Zudem werden die Schleifen zwischen den einzelnen Domänen mithilfe des durchgehenden kollaborativen Ansatzes reduziert oder verkürzt. So lassen sich die Produktentwicklung und der gesamte Wertschöpfungsprozess deutlich beschleunigen.

Beispiel Elektromotoren: Integration als Schlüssel zur Optimierung

Bei komplexen Engineering-Prozessen, wie etwa der Entwicklung von Elektromotoren, sind je nach Anforderungen immer wieder Änderungen und Optimierungen nötig. Die Erfahrung zeigt: Wenn das Produkt als komplett integriertes System betrachtet und optimiert wird, ist dies deutlich effizienter als die Optimierung von Einzelsystemen, die später zusammengefügt werden.

Auf diese Weise lässt sich eine nahtlose Schleife quer durch alle Ebenen der Entwicklung herstellen: von den Fahrzeug­anforderungen über die Systemanforderungen, die Modellparameter und die Modellsimulation bis zu den Test­ergebnissen und wieder von vorn. Alle Teile des Motors im Modell sind dabei parametriert. Ändern sich die Anforderungen (wie Maximalgeschwindigkeit, Ladezeit oder Reichweite), können alle Beteiligten direkt erkennen, welchen Einfluss dies auf das Gesamtsystem hat, welche neuen Leistungsdaten dafür erforderlich sind und wie einzelne Teile verändert werden müssen, um diese Leistung zu erreichen. Werden die Änderungen schließlich vorgenommen, aktualisiert sich das Modell automatisch und in Echtzeit. Der Testmanager kann die Änderungen sofort nachvollziehen und neue Tests durchführen. So entsteht ein komplett integrierter Designprozess mit MODSIM als Kern.

Beispiel Windkraftanlagen: Komplexe Abläufe im Wertschöpfungsprozess transparent gemacht

Engineering ist in vielen Fällen auf Vorhersagen durch Simulation angewiesen – gerade wenn es um sehr individuelle Produkte oder Bauwerke geht. Ein Beispiel sind Windkraftanlagen, deren Leistungsdaten kontinuierlich und rasant weiterentwickelt werden und die dabei auch zunehmend größer werden. Die einzelnen Bauteile, allen voran die Rotorblätter, sind hochkomplex und bestehen aus vielen verschiedenen Materialien. MODSIM bietet die Möglichkeit, die Kräfte, die auf die Rotorblätter wirken, exakt zu simulieren und Veränderungen im Design nahtlos vorzunehmen. Die komplexen Prozesse werden dadurch für alle Projektbeteiligten nachvollziehbar. Mithilfe der Simulation lässt sich etwa das Gewicht einzelner Bauteile entscheidend verringern. Die Folge sind nicht nur Ertragssteigerungen, sondern auch deutliche Kostensenkungen. Vor allem aber wird die Entwicklungszeit massiv verkürzt. Das kann zum weiteren Ausbau der Windenergie und letztlich zu einer erfolgreichen Energiewende beitragen.

Beispiel Wertschöpfungsprozess bei Konsumgüter-Verpackungen: Weniger Plastik, schnellere Entwicklung

Nachhaltigkeit spielt auch in der Konsum­güterindustrie eine immer wichtigere Rolle. Eine der größten Herausforderungen der Branche liegt darin, Verpackungslösungen zu entwickeln, die optimal an die Lieferketten angepasst sind – gleichzeitig aber auch möglichst wenig Müll zu verursachen und verschiedene, sich verändernde Kundenwünsche zu berücksichtigen. MODSIM eignet sich hervorragend, um unterschiedlichste Anforderungen anhand eines parametrischen virtuellen Zwillings zu prüfen. So können verschiedenste Szenarien wie Fertigungsprozesse, Falltests und das Öffnen sowie Verschließen der Verpackung im selben Datenmodell analysiert werden. 

Im Ergebnis lässt sich nicht nur Gewicht einsparen, sondern auch der Anteil von Kunststoff verringern und das Endprodukt somit nachhaltiger gestalten. Bereits einige Gramm Kunststoff pro Verpackung bedeuten aufgrund der hohen Stückzahlen die Vermeidung von hunderten Tonnen Kunststoff. Sig­nifikant ist besonders die Beschleunigung der Entwicklungszeit im Wertschöpfungsprozess. Die Entwicklung einer Shampoo-Flasche etwa kann von mehreren Monaten auf wenige Wochen reduziert werden. Verantwortlich dafür ist ein Workflow, der alle Beteiligten ins Boot holt, jederzeit auf denselben Stand bringt und so für deutlich effizientere Iterationen sorgt.

Der Autor Andreas Seidel ist Simulia Senior Sales Manager bei Dassault Systèmes.