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Simulation im Mittelstand Einstieg in die Simulation: Hürden und wie Sie diese überwinden

Die gute Nachricht vorneweg: Auch im Mittelstand ist man sich heute über die Vorteile der Simulation im Produktentstehungsprozess im Klaren. Dennoch zögern viele Unternehmen noch, Simulation einzusetzen. Warum das so ist und wie Sie die Hürden meistern können.

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Simulation ist heute nicht mehr nur für Berechnungsexperten geeignet, sondern steht vielen Anwendern für eine schnelle und frühe Designfindung zur Verfügung.
Simulation ist heute nicht mehr nur für Berechnungsexperten geeignet, sondern steht vielen Anwendern für eine schnelle und frühe Designfindung zur Verfügung.
(Bild: ©Mathew - stock.adobe.com)

Die deutsche Ingenieurskunst genießt seit jeher einen guten Ruf. Als Exportland sowie Güte-Standort für Produktqualität ist es in Zeiten der Digitalisierung und Globalisierung für den deutschen Mittelstand aber überlebenswichtig, die bisherigen Qualitätsstandards zu halten. Gerade der mittelständische Maschinen- und Anlagenbau spielt eine Schlüsselrolle – bis heute gilt er als Rückgrat der deutschen Wirtschaft.

Erfahrung war Erfolgsgarant

Er blickt auf Jahrzehnte an Erfolg und Erfahrung zurück. Bisher diente diese Erfahrung als eine Art Erfolgsgarant. Nun aber findet ein Umbruch statt: Globalisierung, die ansteigende Ressourcennachfrage und Digitalisierung führen zu einer Wettbewerbszuspitzung. Der Erfahrungsschatz der Vergangenheit wird durch Technologien wie Simulation und Optimierung immer einholbarer.

Smart Engineering Day

Die Digitalisierung der Produktion erfordert ein Umdenken in der Produktentwicklung. Der Smart Engineering Day bietet Entscheidungshilfen für die Auswahl der am besten geeigneten Methoden für Konzeption, Entwurf und Ausarbeitung von smarten Produkten und Maschinen.

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Weniger Entwicklungszeit bei mindestens gleicher Qualität

Die Produktentwicklung als Kern der Produktentstehung ist eine wichtige Stellschraube für den Unternehmenserfolg. Um die Herausforderungen des Marktes zu meistern, müssen Möglichkeiten zur Verkürzung der Entwicklungszeit geschaffen werden, ohne dabei an Produktqualität einzubüßen. Hier kommen Computer Aided Engineering und Simulation ins Spiel.

Die Grafik zeigt die Effekte, die durch den Einsatz von Simulation erreicht werden.
Die Grafik zeigt die Effekte, die durch den Einsatz von Simulation erreicht werden.
(Bild: VDMA)

Im Produktentstehungsprozess hat Simulation eine Doppelfunktion inne: Zum einen kann sie in den ersten und frühen Designphasen die Entscheidungsfindung unterstützen, zum anderen dient sie in den späteren Phasen zur Validierung einer Konstruktion. In validierender Funktion ist Simulation in der Industrie bereits weithin verbreitet. Doch den größten Beitrag zu mehr Zeit- und Kosteneffizienz leistet Simulation in den frühen Entwicklungsphasen. Und hier schöpfen noch längst nicht alle Unternehmen das Potenzial voll aus.

Die größten Hürden: Personal, Kosten und Aufwand

Laut einer Studie des VMDA1 sind die drei häufigsten Gründe, die gegen die Einführung einer Simulationslösung sprechen:

  • fehlende Personalressourcen,
  • hohe Kosten für die Einführung und
  • der Zeitaufwand für die Einführung

Wie Marc Vidal, Leiter Produktbereich Ansys Discovery bei der Cadfem GmbH, erläutert, kommt hinzu, dass der erste Vorteil, der sich beim Einsatz von Simulation einstellt, ein besseres Produktverständnis bei den Mitarbeitern ist. Das wiederum sei aber zunächst nicht messbar, ein Problem. Unmittelbar messbare Ergebnisse stellen sich erst im Anschluss ein.

Diese Gründe führen dazu, dass Simulation nicht eingesetzt wird.
Diese Gründe führen dazu, dass Simulation nicht eingesetzt wird.
(Bild: VDMA)

Geringe Aufmerksamkeit für Berechnungsthematik

Dies bestätigt auch das Ergebnis einer Masterarbeit2, die an der FH Würzburg-Schweinfurt zusammen mit dem CAE-Anbieter Altair durchgeführt wurde. Die Autorin Lisa Schneider identifiziert basierend auf den Ergebnissen von Experteninterviews folgende Hemmfaktoren:

  • Schwierigkeiten bei der Berechnung des ROI,
  • Schwierigkeiten bei der Einbindung der Berechnung und
  • interne personale Widerstände

Weitere Hemmnisse bestehen laut der Arbeit in einer zu geringen Aufmerksamkeit auf Leitungsebene für die Berechnungsthematik, in den hohen Kosten und Aufwänden des Simulationsaufbaus sowie in mangelnder Personalverfügbarkeit und Qualifikation.

Zu einer ähnlichen Einschätzung kommt Uwe Burk, Vice President Euro-Central Solidworks, bei Dassault Systèmes: „Die Entscheidung darüber, ob eine Simulationssoftware eingesetzt wird oder eben nicht, liegt oft beim mittleren Management. Der Einsatz von Optimierungswerkzeugen kann für den Anwender zunächst einen Mehraufwand bedeuten – auch wenn wir von wenigen zusätzlichen Mausklicks sprechen, die der Konstrukteur tätigen muss.“ Das heißt, dem Mitarbeiter müsse auch mehr Zeit eingeräumt werden, um diese Tools nutzen zu können.

Uwe
Uwe Burk, Vice President Euro Central, Solidworks, Dassault Systèmes: "Allgemein kann man sagen: Eine konstruktionsbegleitende Simulation könnte heute viel mehr leisten, wenn sie bereits als fester Bestandteil im Konstruktionsprozess verankert wäre. Denn durch die einfache Handhabung solcher Softwarelösungen wie bspw. Solidworks Simulation sind Konstrukteure in der Lage, Simulationswerkzeuge nutzbringend einzusetzen."
(Bild: Dassault Systèmes/www.wlk-digitalfoto.de)

Mit klarem Konzept zum Erfolg

Die Teilnehmer der VDMA-Studie wurden auch nach den wichtigsten Erfolgsfaktoren für die Einführung einer Simulationslösung in der Konstruktion gefragt. Demnach ist die schnelle Implementierung der Lösung am wichtigsten. An zweiter Stelle steht die Funktionalität der Software, gefolgt von der Anforderung, dass der Einstieg aus der bestehenden Mannschaft heraus gelöst werden soll. Also sind Lösungen gefragt, die schnell zum Erfolg führen.

Allerdings ist heute laut Marc Vidal in KMU häufig eine „Feigenblattstrategie“ vorhanden: Die Unternehmen setzen Simulation zwar ein, aber es fehlt an einer richtigen Strategie und am passenden Tool. Dabei entstehe der Eindruck, dass die Simulation nicht mehr leisten könne. Die Versprechungen der Innovationskraft und der Entwicklungszeitverkürzung stellen sich zu einem gewissen Maß ein und der Anwender gebe sich damit zufrieden.

CAE-Vision: mit klarem Konzept zum Erfolg

Aus diesem Grund rät er Einsteigern oder auch Aufsteigern zu einem klaren Konzept: Um die Sicherheit zu haben, das Beste für sein Unternehmen zu tun, sollte man sich einfach folgende Fragen ernsthaft beantworten:

  • Welche Rolle soll die Simulation in unserem Entwicklungsprozess spielen?
  • Reicht es uns, dass der Entwickler Physik sichtbar machen kann und ein Gefühl für seine Ideen bekommt?
  • Würden wir die Entwicklungsrichtung aufgrund von Ergebnissen aus der Simulation ändern?
  • Soll die Simulation validierbare Ergebnisse liefern, die am Ende vielleicht sogar in Form einer Spezifikation nach Außen gegeben werden?

Auf dieser Basis ergibt sich schließlich eine konkrete logische Strategie und gegebenenfalls wird auch deutlich, ob ein externer Beratungsbedarf besteht.

Denn es gibt heute nicht nur unzählige Lösungen für die vielfältigen Simulationsaufgaben, sondern auch unzählige CAE-Experten, die bei der Definition der unternehmensspezifischen CAE-Vision unterstützen und durch ihre Expertise für schnellen Erfolg sorgen können. Zudem stehen intelligente Lizenzsysteme zur Verfügung, die skalierbare Anwendungen bei kalkulierbaren Kosten möglich machen.

Ergänzendes zum Thema
Simulation in der Entwicklung: Der Zeitpunkt macht den Unterschied

Simulation kann an zwei verschiedenen Stellen in der Produktentwicklung starten. Zum einen dient sie klassisch in späten Entwicklungsphasen der Validierung der Konstruktion; dieses Vorgehen ist schon sehr verbreitet. Zum anderen kann Simulation als Entscheidungsunterstützung schon früh im Entwicklungsprozess eingesetzt werden, man spricht dann von simulationsgetriebener Entwicklung.

Klassische Produktentwicklung:

  • Die klassische Entwicklung startet bei der Konzepterstellung, häufig auf Basis der Vorerfahrung des Entwicklers. Modifikationen und die Detaillierung des Modells werden manuell auf Basis von Intuition und Erfahrung getroffen.
  • Anschließend muss das festgelegte Geometriemodell in der Komplexität reduziert und ein Berechnungsmodell daraus generiert werden, welches zur Analyse der funktionellen Leistungsfähigkeit des Konzepts von Simulationssystemen verwendet werden kann.
  • In ihrer Eigenschaft als Validierungswerkzeug wird die CAE meist erst in späteren Phasen der PE hinzugezogen. Verschiedene Systemzustände werden auf diese Weise bewertet und anschließend gegebenenfalls manuell zurück in die CAD-Systemlandschaft übertragen.
  • Auf Basis des angepassten CAD-Modells wird anschließend wiederum eine Berechnung ausgeführt. Dieser Ablauf wird so lange wiederholt, bis das CAD-Modell den Anforderungen hinreichend entspricht.
  • Durch dieses Wechselspiel von CAD- und Berechnungsmodellen wird das Produkt nach und nach basierend auf der vorherrschenden Vorerfahrung und der Intuition des Entwicklers optimiert.

Simulation driven Design:

  • Die virtuelle Auslegung eines Bauteils beginnt mit einem Grobkonzept oder der Beschreibung der zu erwartenden Lastfälle.
  • Durch die virtuelle Auslegung können auf Basis von wenig komplexen, detailarmen Berechnungsmodellen in kurzer Zeit Informationen über die Dimensionierung des Bauteils ermittelt werden.
  • Die Geometriefindung wird so unterstützt und abgesichert.
  • Zudem können zahlreiche Produktvarianten bewertet und die optimalen darunter für das Konzeptmodell übernommen werden.

Literatur:

1. VDMA Trendbefragung Simulation + Visualisierung 2017

2. Masterarbeit Studiengang Innovation im Mittelstand, Lisa Schneider, Hochschule für Angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt in Zusammenarbeit mit der Altair Engineering GmbH

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Über den Autor

Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

, konstruktionspraxis – Alles, was der Konstrukteur braucht