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Simulation als technischer Imperativ der Globalisierung

Vieles, ja nahezu alles wird inzwischen simuliert, also nahe an der Realität abgebildet und realitätsnahen Prüfszenarien unterworfen. Dieses Vorgehen hat sich in vielen Bereichen etabliert und Simulation – oder besser deren Ergebnisse – begegnen uns täglich, ob in den Wetterprognosen, hochkomfortablen Fahrzeugen oder durch den Einsatz von VR Brillen in unseren Wohnzimmern. Hierbei umfasst der Begriff „Simulation“ ein sehr breites Spektrum an Technologien, Vorgehensweisen und Methoden.

Einige Beispiele sind:

  • Mathematische Gleichungen
  • 1D-Systemsimulation
  • Abschätzungsmethoden wie RSM (Response-Surface-Methode)
  • 3D-Geometriesimulation (Mechanik, Elektronik, Wärme, Strömung)
  • Virtual / Augmented Reality
  • Multidisziplin-Simulation für komplexe Produkte und Systeme

 

Produktentwicklung heute umfasst deutlich mehr Aspekte als noch vor 20 Jahren. Die Technologietrends und Möglichkeiten gehen immer mehr zu Cyber-Physikalischen Systemen (CPS), also Mechatronischen Systemen mit aufwändiger, integrierter Software. Am Beispiel „Autonomes Fahren“ wird dies unmittelbar deutlich.

Modellbildung und Simulation bietet hierfür den geeigneten Lösungsansatz. Die exponentielle Zunahme der Anforderungen an die virtuelle Produktentwicklung (Simulation) erfordert schnelleres, sichereres und effizienteres virtuelles Engineering über die Disziplinen hinweg.

Um ökonomisch zu bleiben, werden virtuelle Absicherungen vermehrt rund um den Globus verteilt bzw. durch Automatisierung in den Computer verlagert.

4 Gründe für den erfolgreichen Einsatz von Simulation

1.) Simulation- der Turbo für Ihre Produktentwicklung

Jedes Training ist eine Vorbereitung auf einen Wettkampf. Verhaltensweisen und Situationen werden nachgestellt, eingeübt und perfektioniert. Dieses Prinzip gilt eins zu eins bei Testverfahren.

Diese bilden aber lediglich den reduzierten Teil der Realität ab, der für eine bestimmte Eigenschaft oder Funktion relevant ist. So gesehen ist die Simulation so alt wie das Probieren an sich. Der Vorteil der Simulation ist, dass bereits mit reduzierten Aufwand in einer Phase der Vorbereitung auf den Realfall Erkenntnisse gewonnen und Verbesserungen eingebracht werden.

2.) Realitätsnäher simulieren als je zuvor

In der heutigen Produktentwicklung wachsen die Ansprüche an das „Training“ ebenso exponentiell wie die Komplexität der Systeme. Dies hat zur Folge, dass auch die Trainings- und Testszenarien immer mehr Aspekte der Realität einbeziehen müssen, um belastbare Verhaltensvorhersagen zu gewinnen. Simulation ist mit all seinen Ausprägungen aus heutiger Sicht der einzig geeignete Weg, um dies effizient darstellen zu können.

Die klare Stärke der Simulation liegt in der vergleichenden Betrachtung, also einer „Was-wäre-wenn-Analyse“. Eine Abbildung der vollständigen Realität ist jedoch nach wie vor der Wirklichkeit selbst vorbehalten, da wir in vielen Bereichen noch keine effizienten Methoden haben, um alle Aspekte der Umwelt zu modellieren.

Die gute Nachricht ist, dass dies meist auch nicht erforderlich ist, da wir uns auf die wesentlichen Elemente, Parameter und Eigenschaften beschränken können. Daher erreichen wir heutzutage mit der Simulation bereit eine Prognosegüte von mehr als 90 Prozent.

3.) Mit Simulation zur schnelleren Markteinführung und qualitativ besseren Produkten

Die Liste der Vorteile beim Einsatz von modernen Simulationsmethoden ist lang. Hier sind lediglich einige Beispiele aufgeführt:

  • Mit „Virtuellen Testlabor“ Schwachstellen bereits in der Frühen Phase finden
  • Reduzierung des Aufbaus von kostspieligen Prototypen
  • Deutliche Verkürzung der Entwicklungszeiten
  • Besondere Herausforderungen meistern: z.B. im Leichtbau- Gewichtsreduktion ohne Minderung der Produktqualität

Die Simulation bietet somit beste Optionen, um insbesondere das Verständnis des Systemverhaltens schnell und umfänglich zu generieren. Zudem lassen sich mittels virtueller (Prüf-)Methoden gleichzeitig viele Qualitätsfragen wie Herstellbarkeit, Prozessparameter, Sicherstellung der Funktion und Eigenschaft sehr frühzeitig und mit hoher Prognosegüte beantworten.

Eine Maschine kann zum Beispiel, ohne sie in Hardware herzustellen, in Modellen beschrieben und hinsichtlich der Anforderungen zunächst virtuell getestet und damit optimiert werden. Je früher dieser virtuelle Prozess greift, desto weniger Fehler müssen später mit teils enormem Aufwand korrigiert werden. Änderungen im virtuellen Modell einzubauen ist um ein Vielfaches schneller und günstiger. Daraus ergeben sich bei richtigem Einsatz enorme Zeit- und Kostenvorteile gegenüber Realtests. Zudem sind automatische Systemoptimierungen durchführbar, was zu einer enormen Verbesserung von beispielsweise Materialeinsatz, System- oder Herstellparametern führen kann.

 

4.) Simulation: Für Jedermann oder doch nur für Experten ?

Große Systemhersteller in der Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt setzen bereits viele Jahrzehnte auf Simulation. Ebenso treffen wir regelmäßig auf Bereiche und Unternehmen, in denen Simulation als Bestandteil der Entwicklung noch kaum eine Rolle spielt.

Mittlerweile sind jedoch Rechenleistung und Softwarekosten in einem Bereich, dass diese Technologien prinzipiell ökonomisch jedem offen stehen. Die Verfügbarkeit von Experten (Ingenieurmangel und hoher Sog der großen OEMs) einerseits und die aufwändige Ausbildung andererseits begrenzt den schnellen und breiten Einsatz von Simulation. Zudem gibt es sicherlich noch immer technologische Berührungsängste.

Fazit: Einfacher Einstieg in die Simulation

Es ist wichtig, den Einsatz von Simulation als Teil einer gesamten Digitalisierungsstrategie zu verstehen. Die bewusste Auseinandersetzung mit der Zielsetzung und dem eigenen Anspruch an die Technologie ist Grundvoraussetzung für eine sinnvolle Verwendung.

Wenn man nicht selbst Experte ist oder auf Experten im eigenen Unternehmen zugreifen kann, empfehlen wir, einen kompetenten Berater hinzuzuziehen. Es gibt für jede Anwendung Dutzende Tools und Vorgehensweisen. Unsere Erfahrung zeigt uns, dass kein Tool „of the Shelve“ genau das mitbringt, was ein Unternehmen spezifisch benötigt.

Oftmals ist es sinnvoll, die ersten Erfahrungen im Simulationsumfeld mit Partnern gemeinsam zu machen, also die Simulation an einen kompetenten Experten auszulagern. Dies erspart zum einen teure Erstinvestitionen (Software, Hardware, Personal, Knowhow), ermöglicht also die entstehenden Kosten variabel zu halten. Andererseits ist spezifisches Simulations-Knowhow nicht umsonst Expertenwissen, und dieses schnell aufzubauen ist zumeist teuer, in vielen Fällen schwierig, da erfahrenes Personal hierfür nur schwer zu finden ist.

Trotzdem oder gerade deswegen arbeiten wir daran, virtuelle Methoden/ Simulation für eine breitere Masse zugänglich zu machen und dadurch Anwendungswissen mittels einfach handhabbarer Applikationen an Nicht-Experten weiterzugeben. Der Trend dazu ist in der Digitalisierung nicht mehr umkehrbar. Ansätze wie Simulation Driven Design, Data Driven Design, Generic Design und Machine Learning haben das Stadium der Anwendbarkeit längst erreicht.

Autor: Michael Probst

Mit über 20 Jahren Erfahrung in der Simulation hat Michael schon viele Kunden auf Ihren Weg in die Simulationswelt begleitet. Als Vorstand der ISKO engineers AG und des Virtual Innovation Forums e. V. kennt er den Markt und die Herausforderungen der Kunden in der digitalen Produktentwicklung aus verschiedensten Branchen nur zu gut.

“Die Demokratisierung der Simulation, also der Ansatz, diese Technologien einer breiten Nutzerklientel auf einfache Weise zugänglich zu machen, werden wir bei ISKO engineers in naher Zukunft realisieren. Unser Ziel ist, die konsequente digitale Transformation in der gesamten Produktentwicklung zu realisieren und für unsere Partner und Kunden zur Verfügung zu stellen.”

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