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Produktentstehungsprozess Mit Generative Engineering schneller bessere Produkte entwickeln

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Das Bremer Start-up Elise hat eine Software entwickelt, die die Produktentwicklung revolutionieren soll: Das sogenannte Generative Engineering nutzt intelligente Algorithmen für die Entwicklung und Konstruktion technischer Produkte. Wie das funktioniert.

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Dieses Biathlon-Gewehr wurde mithilfe des Generative Engineering entwickelt: Dank der Software Elise ist computerunterstützt ein leichtes und dennoch stabiles Sportgerät entstanden.
Dieses Biathlon-Gewehr wurde mithilfe des Generative Engineering entwickelt: Dank der Software Elise ist computerunterstützt ein leichtes und dennoch stabiles Sportgerät entstanden.
(Bild: Elise)

Wer technische Bauteile entwickelt, der kennt sie: regelmäßige Warteschleifen. Solche Leerläufe entstehen zum Beispiel, wenn Abstimmungen mit anderen Abteilungen nötig werden. Das ist in fast jedem Unternehmen üblich und deshalb ist tote Zeit häufig ein wesentlicher Bestandteil des Entwicklungsprozesses.

Hintergrund sind komplexe und oft umständliche Abläufe:

  • Ein Ingenieur erstellt Designvorgaben, die er an den Kollegen weiterleitet.
  • Dieser berechnet, ob die Konstruktion stabil ist und gibt den Plan zur Überarbeitung zurück.
  • Nach einigen Schleifen dieser Art schaltet sich vielleicht der Projektleiter ein und fordert ein günstigeres Baumaterial. Und dann startet der gesamte Entwicklungsprozess von vorne.
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Dank intelligenter Algorithmen zu neuen Produkten

Was, wenn diese vielen Schritte ein einziger Experte erledigen könnte – dabei aber unterstützt von einer intelligenten Software? Dann verliefen Entwicklungsprozesse nicht nur wesentlich schneller. Die Computerassistenz würde auch ganz neue und womöglich bessere Designvorschläge finden.

Das Gedankenspiel ist bereits Realität: Die neue Methode heißt Generative Engineering und ist ein innovativer Zugang zur Produktentstehung. Erste Anwender sind sich, so das Start-up Elise, einig: Dieser Ansatz wird die Art und Weise revolutionieren, wie Entwickler künftig arbeiten. Durch die Unterstützung der intelligenten Software sollen Ingenieure nicht nur bessere Produkte konstruieren. Sie sparen dabei auch noch viel Zeit und Material ein.

Der konventionelle Ansatz ein Produkt zu entwickeln, basiert auf einem seriellen Prozess. Er beginnt mit den Anforderungen, es werden Konzepte entwickelt und diese schließlich mittels Simulation evaluiert. Generative Engineering ist ein Paradigmenwechsel: Er stützt sich auf Algorithmen und Simulationen, um Bauteildesigns zu generieren, die alle Anforderungen von Anfang an erfüllen.

Dr. Moritz Maier, Mitgründer und Managing Director von Elise

Erste Anwendungen des Generative Engineering

Noch findet diese neue Entwicklungswelt vor allem in den Abteilungen für Vorentwicklung sowie an Hochschulen statt. Eines der Unternehmen, das Generative Engineering bereits in der Praxis anwendet ist der Ingenieur-Dienstleister Habo Engineering aus dem oberbayrischen Bernau am Chiemsee. Dort hat Klaus Amberger erste Erfahrungen mit der neuen Entwicklungswelt gesammelt. Er nutzt dazu die Software-Plattform von Elise..

Wenn Amberger ein Bauteil etwa für einen Autohersteller konstruiert, bedient er sich damit immer öfter der Unterstützung von Algorithmen. Begeistert stellte er schon nach wenigen Versuchen fest: „Mir werden auf diese Weise völlig neue Lösungen im Design geboten, auf die ich nie gekommen wäre.“ Sein Fazit: „Das Programm unterstützt mich dabei, die beste Lösung zu finden.“

Das Potenzial der Technologie hat Elise bereits bei einer Reihe hochkomplexer Teile für den Automobilbau, für die Luft- und die Raumfahrt gezeigt. Sie entstanden in einem Bruchteil der Zeit, deutlich leichter und mit weniger Materialeinsatz als im traditionellen Prozess.

Deutliche Gewicht- und Materialeinsparungen möglich

Bei der generativen Gestaltung geht der Entwickler völlig neu an seine Aufgabe heran. Er formuliert zunächst das gestalterische Ziel, etwa für die A-Säule eines Cabrios. Diese muss beim Crash besonders viel aushalten und deshalb extra verstärkt werden. Am Beispiel des Golf Cabrio zeigt sich: Mit den herkömmlichen Methoden lösten die Volkswagen-Ingenieure ihre Aufgabe zwar bislang gut, allerdings in aufwändiger Entwicklungsarbeit. Als sich in einem späteren Versuch Elise der Sache annahm, wurde klar: Mit Generative Engineering konnte das Gewicht der A-Säule um 74 % reduziert werden. Unter Anwendung des 3D-Drucks für die Herstellung verringerten die Ingenieure auch die Zahl der benötigten Einzelteile um 67 %.

Buchtipp

Das Buch Additive Fertigung beschreibt Grundlagen und praxisorientierte Methoden für den Einsatz der additiven Fertigung in der Industrie. Das Buch richtet sich an Konstrukteure und Entwickler, um eine erfolgreiche Implementierung additiver Verfahren in ihren Unternehmen zu unterstützen.

Wie funktioniert Generative Engineering?

Beim generativen Entwicklungsprozess geben die Entwickler zu Beginn verschiedene Parameter für das geplante Bauteil ein, etwa mögliche Materialien, Lastfälle, Fertigungsverfahren oder Maße. Im Vergleich zum bereits eingesetzten generativen Designprozess sind diese Einflussgrößen viel umfangreicher.

  • Elise berücksichtigt unter anderem auch Kosten, Multiphysiksimulationen, Herstellbarkeit oder Einkaufskataloge.
  • Auf Basis dieser Vorgaben kommt die Software zum Einsatz. Amberger beschreibt sein Vorgehen: „Der Mensch füttert den Algorithmus mit seinen Erfahrungen.“ Der Entwickler entscheide vorab, welche Parameter für das Bauteil wichtig sind.
  • So entsteht eine „technische DNA“ als Grundlage für die Software. Diese rechnet sämtliche möglichen Lösungen für das Konstruktionsteil durch. Der Entwickler erhält damit in kürzester Zeit eine ganze Reihe von Alternativen für den Entwurf – und die Software testet ihm auch jede einzeln durch. So wird klar, welche Variante funktioniert. Statt nur eines Entwurfs enthält der Entwickler hunderte – und kann die am besten geeigneten auswählen.
  • Ändern sich im Laufe der Entwicklung die Randbedingungen, ändert man die steuernden Parameter des Algorithmus. Das Bauteil behält aber die „Gene“ seiner Auslegung. Der Ingenieur muss sich künftig nicht mehr um Dinge wie Modellaufbereitung oder Datenfluss zwischen unterschiedlichen Softwaretools kümmern.

Die entstandene Lösung sieht möglicherweise völlig anders aus, als sich der Ingenieur dies vorgestellt hatte. Im Fall der A-Säule entstand eine geradezu filigrane Stützstruktur, auf die so wohl kein Mensch gekommen wäre. Die Konstruktion wurde möglich, weil gleich zwei innovative Ansätze verknüpft wurden: Generative Engineering und additive Fertigung. Die Säule wurde im 3D-Druck produziert, der bislang undenkbare Konstruktionen möglich macht.

Erfolgreiche Kombination: Generative Engineering und 3D-Druck

„Gerade die Kombination beider Verfahren ändert viel“, sagt Benjamin Erhart vom Wagniskapitalgeber UVC Partners. Er investiert in Zukunftstechnologien und erwartet von Generative Engineering große Dinge. „Wir werden künftig in der Industrie weniger Standardisierungen sehen“, prognostiziert Erhart. Auch die Lieferketten verändern sich seiner Ansicht nach, denn die lokale Wertschöpfung werde wichtiger – auch als Folge der Corona-Krise. „Da ist es von Vorteil, wenn ein Ingenieur viele Schritte alleine erledigen kann“, sagt der Technologie-Investor.

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Eben das geschieht beim generativen Designprozess von Elise. Eine neue Qualifizierung benötigen Anwender dafür übrigens nicht. Lediglich der Schwerpunkt ihrer Entwicklungsarbeit ändere sich. „Damit werden die Hürden für die Bauteilentwicklung sogar gesenkt“, ist Erhart überzeugt. Nils Niebuhr hat an der Elise-Software mitgearbeitet. Er erklärt, wie komplexe Bauteilkonstruktionen bislang ablaufen: „Man entwickelt zunächst die Anschlussteile, dann die Teile dazwischen. So entsteht das Bauteil Stück für Stück.“ Ändert sich aber nur ein einziger Bestandteil der Konstruktion, so muss heute noch alles andere neu geplant und berechnet werden.

Best Practice: Maßgeschneidertes Gewehr für Athleten

Praktisch werden die neue Entwicklungsmethode schon im kommenden Winter einige Biathlon-Athleten erleben. Der Sportgerätehersteller Anschütz entwickelte mit Hilfe von Elise ein maßgeschneidertes Gewehr aus dem 3D-Drucker. Bislang konnten sich nur die erfolgreichsten Sportler eine Anpassung des Gewehrschaftes an ihre Körpermaße leisten. Künftig ist das für nahezu jeden und jede Biathletin möglich. Ihre individuellen Maße werden in die vorgefertigte DNA des Schaftes eingegeben – die restliche Planung übernimmt der Computer. Für das Sportgewehr hat er eine eigenwillige Form berechnet. Deshalb wird man bald Biathleten mit einem auffällig „durchlöcherten“ Gewehr am Start sehen. Es ist leichter als bislang und dennoch stabil – entwickelt mit Hilfe der Zukunftstechnologie Generative Engineering.

Weitere Infos zu Elise.
Elise beschleunigt das Innovationstempo durch die Bereitstellung einer offenen Software-Plattform. Sie verbindet mehrere Physik- und Software-Domänen und setzt hierbei algorithmusbasierte Modellierung, Simulation und KI-gesteuerte Konzepte ein.

Dr. Moritz Maier, Mitgründer und Managing Director von Elise

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