Simulation Konstruktionsideen in Echtzeit greifbar machen

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Ideen schnell bewerten, Auswirkungen von Änderungen abschätzen, Schwachstellen aufzeigen – und das alles schnell und früh im Entwicklungsprozess: Das ermöglichen schnelle Simulation und Live-Simulation – Technologien, die seit einigen Jahren auf dem Markt sind. Wir zeigen, was sich rund um die „Demokratisierung der Simulation“ getan hat.

Simulationssoftware ist seit Jahrzehnten auf dem Markt und ist mit den Anforderungen und technologischen Fortschritten gewachsen – sowohl hinsichtlich der physikalischen Domänen und Berechnungsmöglichkeiten als auch hinsichtlich der Usability. Konnten früher nur spezialisierte Analysten mit Zugang zu massiver Rechenleistung die Vorteile der Simulation nutzen, so gibt es diese Möglichkeiten heute auch für einen breiteren Anwenderkreis. „Die Simulationsmöglichkeiten werden jetzt in die Hände der Konstrukteure gelegt, also viel früher im Produktentwicklungsprozess“, sagt Brian Thompson, Division Vice President und General Manager CAD Segment, PTC. Und weiter:

Simulieren ohne Simulationsexperte zu sein

Möglich wird dies durch schnelle und unkomplizierte Simulation – häufig auch als Live-Simulation oder konstruktionsbegleitende Simulation bezeichnet. Technologische Fortschritte zum Beispiel in punkto Rechenleistung von Workstations und findige Entwickler haben so eine Möglichkeit geschaffen, Simulation schon während der Konstruktion einzusetzen. Wir haben unter anderem vor zwei Jahren über das Potenzial der schnellen Simulation berichtet und fragten nun bei den Anbietern nach, was sich technologisch und auch hinsichtlich der Akzeptanz seither getan hat.

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Die Vorteile schneller Simulation im Produktentstehungsprozess

Doch was sind eigentlich die Vorteile, die durch den Einsatz dieser Simulationslösungen im Produktentstehungsprozess entstehen? „Schneller bessere Produkte entwickeln und auf den Markt bringen“ – das sagen Experten dazu. Im Einzelnen heißt das:

Vorteil 1: Schneller entwickeln

• Schnelle Simulation macht Arbeitsweisen möglich, die bisher nicht umsetzbar waren. „Durch schnelles und genaues Feedback früh im Konstruktionsprozess können Designrichtungen überprüft, Konstruktionsmängel frühzeitig erkannt sowie späte und damit kostspielige Konstruktionsänderungen drastisch reduziert werden“, erklärt Simon Zwingert, Senior Technical Consultant und Simsolid-Experte bei Altair. Simsolid ist eine Strukturanalysesoftware, die für dynamische Designprozesse entwickelt wurde und den Anwender von Geometrievereinfachung und Vernetzung befreit. So ist die Analyse von großen Baugruppen innerhalb von Minuten möglich.

• Das bedeutet nicht, dass der Konstrukteur künftig Simulations-, Berechnungs- und Validierungsexperten ersetzt, vielmehr beobachtet Simon Zwingert etwa, dass die Zusammenarbeit von CAE- und Konstruktionsabteilungen zunimmt – „und das ist gut so! Immer mehr Konstrukteure nutzen die Simulation und Werkzeuge wie Simsolid, die in jeder Phase des Entwicklungsprozesses und auch ohne Fachwissen eingesetzt werden können. Sie sind der Schlüssel zur Beschleunigung der Entwicklungszeiten in frühen Konstruktionsphasen,“ sagt Zwingert.
  Anwender in der Konstruktion sparen sich Schleifen und das Warten auf Rückmeldungen, denn was vor zehn Jahren noch den Analysten vorbehalten war, kann heute in Sekundenschnelle im Produktdesign-Tool erledigt werden, bekräftigt auch Brian Thomspon.

Vorteil 2: Bessere Produkte entwickeln

• Erfahrung spielt in der Produktentwicklung traditionell eine wichtige Rolle, betont Brian Thompson: „Daher greifen Experten gerne auf Lösungen zurück, die in der Vergangenheit funktioniert haben. Doch hier sehen wir eine Veränderung: Da Konstrukteuren die Möglichkeit der Live-Simulation zur Verfügung steht, dauert es jetzt nur noch 30 Sekunden, um herauszufinden, ob eine neue Konstruktionsidee funktioniert.“ Wichtige Konstruktionsprobleme können gelöst werden, sobald sie auftauchen – ein deutlicher Zeitgewinn.

• Zudem kann der Konstrukteur, der Produktentwickler oder selbst der Berechnungsingenieur neue Ideen unkompliziert virtuell ausprobieren, ohne Kosten experimentieren und grundlegende Probleme lösen, ohne unzählige Prototypen bauen zu müssen. „Insgesamt entstehen reifere Modelle und in der gleichen Zeit können sehr viel mehr Varianten in Betracht gezogen und bewertet werden. Bei den Simulationsexperten werden Zeitfenster frei, die - in anspruchsvolle Themen investiert - die Qualität der Produkte nachhaltig steigern“, sagt Thomas Iberer.

• Einen weiteren Aspekt führt Brian Thompson an: „Nachhaltigkeit ist ein wichtiges Thema für unsere Kunden und wird es noch lange bleiben. Mithilfe der Simulation können Konstrukteure Fertigungsprozesse entwerfen, die weniger Energie verbrauchen. Sie können mit Materialien arbeiten, die sich leichter recyceln lassen, oder effizientere Verpackungen entwerfen, so dass mehr Produkte in einem einzigen Container verschickt werden können. Sie können die Reparierbarkeit ihres Produkts verbessern.“ Der Schlüssel dazu: Simulation – hilft sie den Ingenieuren doch, sich auf spezifische und verschiedene technische Ziele zu konzentrieren, die mit Instinkt allein schwer zu erreichen seien.

Vorteil 3: Weniger Kosten in der Produktentwicklung

• Als Ergebnis der beiden oben genannten Vorteile sinken in der Folge auch die Kosten. Denn, das ist bekannt, je später im Produktentwicklungsprozess Probleme erkannt werden, desto höher sind Aufwand und Kosten der Änderung. Wenn schon physikalische Prototypen gebaut sind, wird es teuer und Änderungen sind immer schwieriger umzusetzen.

• Insgesamt kann durch die konstruktionsbegleitende Simulation die Anzahl an physischen Prototypen gesenkt werden, sodass auch hier deutlich weniger Kosten anfallen. Prototypenentwicklung ist ein manueller und teurer Prozess mit langen Vorlaufzeiten. „Mit Simulation durchlaufen Sie diesen Prozess vielleicht nur einmal. Das spart Zeit, Energie und Verzögerungen bei der Markteinführung“, betont Brian Thomspon.

Wachsende Akzeptanz unter der Anwendern

Alle Befragten sind sich einig: Die Begeisterung für die Technologie ist unter Anwendern und Interessenten ungebrochen. Simon Zwingert bringt es auf den Punkt: „Die enorme Geschwindigkeit und Genauigkeit von Simsolid macht es uns leicht, viele Bestands- und auch Neukunden zu überzeugen.“ Dementsprechend sei die Akzeptanz groß.

Auch die Experten von Cadfem bestätigen dies, sowohl für Ansys Discovery als auch für PTC Creo Simulation Live. Marc Vidal: „Creo Simulation Live, ein Tool das Ansys-Technologie verwendet, wird bereits intensiv genutzt, wo die bisherigen Werkzeuge erkennbar aufwendige Arbeitsweisen notwendig machten. Die Erschließung des deutlich größeren Potenzials, das sich aus einer sehr viel schlankeren Entwicklungsmethodik ergibt, steht noch am Anfang. Das ist erklärbar, weil ausgetretene Pfade nur mit gewissem Aufwand verlassen werden. Wer überholen will, muss die Spur wechseln.“

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Einen Schritt im Produktentstehungsprozess weiter gedacht, so spielt auch der digitale rote Faden eine Rolle, der dank integrierter Live-Simulation nicht unterbrochen wird. So sieht man bei PTC den Trend, dass Echtzeitsimulation mit Tools mit höherer Genauigkeit verbunden werden sollen – aber immer noch auf der Ebene des Konstrukteurs. „Man möchte den Konstruktionsprozess nicht frühzeitig und oft mit einem High-Fidelity-Tool unterbrechen. Stehen in der Entwurfsumgebung eng integrierte Werkzeuge zur Verfügung, kann noch mehr Effizienz erreicht werden. Anwender können den gesamten Bedarf in der Produktentwicklung abdecken, indem sie einfach eine Option ändern, um dieselben Daten wiederzuverwenden“, führt Brian Thomspon weiter aus. „Wir haben Hunderte von neuen Kunden gewonnen, weil wir ihnen diese Kombination anbieten können.“

Aussichten: Was es noch zu tun gibt

Wie jede Technologie muss und wird sich auch die Live-Simulation weiterentwickeln. Was die einzelnen Lösungen betrifft, so erwarten die Experten folgendes:

• Simon Zwingert zu Altair Simsolid: „Zum einen ist der Zeitpunkt der Analyse ein wichtiger Faktor. Wir möchten mit Simsolid und Inspire die Konstruktionssimulation im Vorfeld erfassen. Dabei konzentrieren wir uns auf das Hinzufügen neuer Physik- und Lösungstypen, integrierte Arbeitsabläufe mit bestehenden Prozessen, und auf die Leistung zur Handhabung größerer und komplexerer Baugruppen. Das ist auch für KMUs, z. B. aus dem Sondermaschinenbau, spannend, da verschiedene Varianten und Konzepte schnell getestet und dann fundierte Entscheidungen getroffen werden können, bevor die Detailarbeit beginnt. Und größere Unternehmen profitieren davon, dass ihre Teams eine Konstruktion effektiv auslegen können, bevor sie diese beispielsweise zur Prüfung der Konformität weitergeben.“

• Thomas Iberer zu Ansys Discovery: „Das Einzigartige an der Ansys Live-Solver Technologie ist ja die Möglichkeit wirklich gleichzeitig Geometrie zu ändern und die Physik sichtbar zu machen. Von hier ausgehend werden weiterhin Funktionen ergänzt, die in erster Linie auf Kundenanfragen zurückzuführen sind. Wichtige nächste Meilensteine sind die Beschreibung von Kontaktzonen und lokale Auflösungssteuerung. Somit wird die Ansys Live-Solver Technologie zunehmend ein universeller Begleiter vom Konzept bis zur Detaillierung.“

• Marc Vidal zu PTC Creo Simulation Live: „Durch die zunehmende Verbreitung vergrößert sich die Zahl der Anwender und damit auch die der Rückmeldungen, bei denen Anwender Potenziale sehen, die mit entsprechenden Funktionen erschlossen werden können. Das ist eine zentrale Triebfeder für die Entwickler der Ansys-Live-Solver-Technologie. Creo Simulation Live profitiert von der rasanten Entwicklung neuer Funktionen durch Ansys, da diese auch ihren Weg in die Implementierung in PTC Creo finden.“

• Brian Thompson zu PTC Creo Simulation Live: „Was vor 10 Jahren noch den Analysten vorbehalten war, kann heute in Sekundenschnelle im Produktdesign-Tool erledigt werden. Diese Entwicklung wird sich fortsetzen, und zum Glück haben wir den besten Partner der Welt - Ansys -, der uns dabei hilft zu beurteilen, welche Arten von Simulationsproblemen bereit sind, in die Hände der Konstrukteure zu gelangen.“

Was sich bei den Simulationslösungen getan hat

Technologische Fortschritte in Ansys Discovery:

• Die Live-Physik-Funktionen wurde hinsichtlich Geschwindigkeit, Genauigkeit, Umfang der Physik und Automatisierung verbessert.

• Im strukturellen Bereich werden aktuell lineare und bald auch nichtlineare Kontakte unterstütz

• Verbesserungen der Numerik ermöglichen in vielen Fällen Geschwindigkeitssteigerungen von 300 Prozent.

• Fortschritte bei der Verringerung des GPU-Speicherverbrauchs ermöglichen den Anwendern, kleinere Merkmalsdetails in ihren Simulationen zu erfassen.

• Bei CFD wurde Unterstützung für die Simulation von kombinierten thermischen Festkörper- und Flüssigkeitsstudien ergänzt, was den Einsatz von Live Physics für Wärmetauscher, Flüssigkeitskühlung und andere Wärmemanagementanwendungen (Conjugate Heat Transfer CHT) ermöglicht.

• Die Technologie erlaubt den Umgang selbst mit korrupter CAD-Geometrie.

Technologische Fortschritte in Altair Simsolid:

• Das Werkzeug unterstützt im Bereich Fatigue nun eine integrierte Ermüdungsanalyse.

• Neu können auch größere Modelle wie eine komplette Rohkarosserie (Body-in-White, BIW) ausgeführt werden.

• Gängige Ergebnistypen einer Simsolid-Analyse sind Konturdarstellungen für Verschiebungen, Spannung und Dehnungen, Animation der deformierten Struktur, Maximum-/Minimum-Label, punktuelle Werte, XY-Diagramme, Reaktions-/Kontaktkräfte, Kräfte an Schrauben/Muttern, Punktschweißkräfte, Frequenzen und Schwingungsformen, modale Partizipationsfaktoren sowie Sicherheitsfaktoren.

• in Export der Ergebnisse zur Weiterverarbeitung ist ebenfalls gegeben.

• Darüber hinaus ermöglicht Simsolid für weiterführende Analysen nun auch die einfache Anbindung an andere Lösungen wie das Topologieoptimierungswerkzeug Altair Inspire oder die Partikelsimulationssoftware Altair EDEM.

• Zur Durchführung von Was-wäre-wenn-Studien (Design-of-Experiments, DoE) unterstützt Simsolid seit kurzem das Arbeiten im Batchmodus.

Technologische Fortschritte in PTC Creo Simulation Live:

Mit Creo Simulation Live bietet PTC eine Integration der Live-Solver-Technik in seine 3D-CAD-Software Creo. Damit sind strukturmechanische, thermische und modale Analysen beim 3D-CAD-Design möglich. Die speziell für Konstruktionsingenieure entwickelte Analyse wird bei Konstruktionsänderungen dynamisch in Echtzeit aktualisiert.

PTC hat für Mai das neue Release 9.0 von Creo mit vielen Neuerungen zum Thema Live-Simulation angekündigt.

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