Definition Was ist CAE?

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ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH

Das Akronym CAE steht für „Computer Aided Engineering“, was so viel bedeutet wie „Computergestütztes Engineering“ oder „Computergestützte Entwicklung“. Doch was genau ist CAE, wo kommt es typischerweise zum Einsatz? Diese und weitere Fragen klärt dieser Beitrag.

In der Technik steht CAE als Oberbegriff für alle computerbasierten Konstruktions-, Berechnungs- und Simulationsverfahren, die den Entwicklungsprozess von Produkten oder Bauteilen entscheidend beschleunigen. Da in der Industrie viele Abläufe ohne technische Unterstützung erst gar nicht funktionieren, ist CAE für Unternehmen aller Größen und Branchen ebenso relevant, wie für die Forschung und Lehre.

Wie funktioniert CAE und wo wird es eingesetzt?

Mithilfe von CAE-Software werden u.a. Bauteilgeometrien erzeugt und anschließend z.B. deren mechanische, thermische oder strukturelle Belastungseigenschaften an einem PC simuliert. Somit lassen sich, noch bevor ein physisches Produkt in Form eines Prototyps überhaupt existiert, bereits im Vorfeld an einem PC z. B. Bauteile entwerfen und in verschiedensten Varianten virtuell auf die gewünschten Eigenschaften testen, um letztendlich eine optimale Lösung zu erhalten. Das spart Zeit, Material und Kosten, weil möglicherweise auch auf teure Apparaturen z.B. für mechanische Festigkeitsprüfungen verzichtet werden kann.

Die wesentlichen Vorteile von CAE bestehen daher in

• vergleichsweise niedrigeren Produktentwicklungskosten,

• kürzeren Entwicklungszeiten und

• eine verbesserte Produktqualität sowie -lebensdauer.

CAE-Software wird daher in vielen technischen Bereichen eingesetzt; ein kleiner Ausschnitt:

• Maschinenbau

• Elektrotechnik

• Luft- und Raumfahrt

• Architektur und Automobilindustrie

Welche Teilbereiche umfasst CAE?

CAE ist vielschichtig und besitzt viele Teilbereiche, darunter die Finite-Elemente-Analyse (FEA) zur Untersuchung mechanischer Strukturen, Computational Fluid Dynamics (CFD) zur Analyse von Strömungen und Wärmeübertragung, Elektroniksimulationen für elektronische Komponenten und Schaltungen sowie viele andere spezialisierte Anwendungen. Nachfolgend werden folgende Bereiche beschrieben:

• FEM – Bauteilfestigkeit und Haltbarkeit

• CFD – Strömung sowie Thermik visualisieren und simulieren

• CAD – CAE – CAM – Vom Modell zur automatisierten Fertigung

• CAM – Professionelle Unterstützung für die CNC-Fertigung

• CAPE – Computergestützte Simulation von Fertigungen

• Elektroniksimulationen – Mehr Sicherheit und Funktionalität

• MKS – Mehrkörpersimulation für das perfekte Zusammenspiel

• DMU – Digitales Versuchsmodell statt kostspielige reale Produktprüfung

• CAQ – Durchgängiges Qualitätsmanagement umsetzen

CAE

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FEM – Bauteilfestigkeit und Haltbarkeit

FEM (Finite-Elemente-Methode) ist ein klassischer Bereich des CAE, bei der die Spannungsverteilung in Bauteilen unter Einwirkungen von Belastungen bestimmt wird. Auf diese Weise wird sowohl die Konstruktion als auch der Einsatz geeigneter Materialien vor Erstellung eines Prototyps optimiert. FEM liefert wichtige Erkenntnisse hinsichtlich der Dimensionierung von Bauteilen und ganzer Baugruppen. So lassen sich die Festigkeit von Materialien und aus ihnen hergestellte Bauteile oder Produkte vorab simulieren und gegebenenfalls auch korrigieren. Das ist z. B. im Automotive-Sektor besonders wichtig, weil die Verformung von Bauteilen mit der Sicherheit der Insassen in Fahrzeugen in einem signifikanten Zusammenhang steht. Aufprallsituationen können hier mit der FEM simuliert werden, um wichtige Hinweise auf die Konzeption von Bauteilen an und in Autos zu erhalten.

CFD – Strömung sowie Thermik visualisieren und simulieren

Ein spannender Teilbereich von CAE ist CFD (Computational Fluid Dynamics), die numerische Strömungsmechanik. Mathematisch komplexe Berechnungen auf physikalischer Grundlage werden hier mithilfe von CFD durch numerische Methoden zur näherungsweisen Lösung strömungsmechanischer Probleme bei Gasen und Flüssigkeiten gelöst.

Anwendungsgebiete finden sich z.B. in der Aerodynamik in der Fahrzeug- und Luftfahrtindustrie, in denen z. B. das Strömungsverhalten von Luft an spezifischen Bauteilen der am PC generierten Modelle untersucht wird. Zu den weiteren Einsatzbereichen von CFD gehört u.a. die Meteorologie (z. B. die Simulation, Modellierung und Untersuchung von Wetterphänomenen) oder die Fluidtechnik (z. B. Untersuchung des Fließverhaltens von Wasser oder anderen flüssigen Medien in Rohrleitungssystemen).

CAD – CAE – CAM – vom Modell zur automatisierten Fertigung

CAD steht für „Computer Aided Design“ (computergestützte Konstruktion). Wann immer in der Industrie etwas konstruiert werden muss, werden zunächst via CAD-Software aussagekräftige 2D- oder 3D-Modelle erzeugt und/oder verändert. CAD umfasst somit alle rechnergestützten Aufgaben hinsichtlich Design, Konstruktion, Planung und Verbesserung von neuen Produkte (z. B. Geräte, Maschinen, Fahrzeuge, Flugzeuge, Möbel, Bekleidung, Werkzeuge etc.). Zum Konstruktionsprozess gehören demnach die geometrische Modellierung, ebenso wie die Berechnung und die Simulation, usw. Ist ein CAD-Entwurf erstellt, lässt er sich mit CAE dimensionieren sowie optimieren und anschließend das Produkt bzw. Bauteil mithilfe von CAM automatisiert herstellen.

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CAM – professionelle Unterstützung für die CNC-Fertigung

CAM steht für „Computer Aided Manufacturing“ (computergestützte Fertigung) und ermöglicht den selbstständigen Ablauf von Produktionsprozessen. CAM-Software dient dazu, Programme für eine Vielzahl von CNC-Maschinen mithilfe von NC-Codes (NC: Numeric Control) für die Maschinensteuerungen zu erstellen. Hierbei wird einer Maschine über den NC-Code mitgeteilt, welches Werkstück mit welchen Werkzeugen in welcher Form bearbeitet wird. Reine CAM-Anwendungen konzentrieren sich vor allem auf das Erstellen von Werkzeugwegen für CNC-Maschinen. CAD/Cam-Anwendungen bieten darüber hinaus eine hohe Anzahl an Konstruktionsmöglichkeiten.

CAPE – computergestützte Simulation von Fertigungen

CAPE ist das Akronym für „Computer Aided Production Engineering“. CAPE ist noch ein relativ junger Zweig der Technik und soll Ingenieuren helfen, Produktionsstätten und deren Betriebsabläufe zu verbessern und zu optimieren. Mit CAPE kann im Idealfall eine Fertigung vorab simuliert werden, um schon im Vorfeld potenzielle Schwachstellen sowie Fehlerquellen auszuschalten und Betriebsabläufe in der Produktion von Anfang an auf eine solide Grundlage mit hoher Produktivität zu stellen.

Elektroniksimulationen – mehr Sicherheit und Funktionalität

In kaum einem anderen Bereich ist CAE so eng mit dem Thema Sicherheit verknüpft wie bei Elektroniksimulationen (Schaltsimulationen). Der Grund liegt auf der Hand: Nur elektronische Prozesse oder Schaltungen ohne Fehler- bzw. Störquellen können sicher funktionieren. Computergestützte Simulationen helfen, ein hohes Maß an Sicherheit zu gewährleisten, noch bevor eine elektrische Anlage in Betrieb geht. Das Gleiche gilt zudem für die Funktionalität von maschinellen Anlagen sowie deren Bauteile. Auch hier können elektronische Prozesse mit CAE im Vorfeld simuliert und somit potenzielle Fehlerquellen rechtzeitig entdeckt und beseitigt werden, um Störungen, die in realen Prozessen zu Ausfällen und damit möglicherweise zu hohen Kosten führen, zu vermeiden.

MKS – Mehrkörpersimulation für das perfekte Zusammenspiel

Bei der Mehrkörpersimulation werden durch eine numerische Simulation reale Mehrkörpersysteme (z. B. das Fahrwerk eines Autos) durch mehrere unverformbare Körper abgebildet und deren Bewegungsfähigkeit zueinander durch idealisierte kinematische Gelenke eingeschränkt. Durch die Mehrkörpersimulation lässt sich der Bewegungsablauf solcher Systeme berechnen und analysieren, um wichtige Ergebnisse respektive Erkenntnisse z.B. über Kräfte, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen und damit Haltbarkeit, Sicherheit und Effizienz zu erhalten. Noch vor Realisierung eines physischen Prototyps können so Schwachstellen erkannt und eliminiert sowie das Design optimiert werden. Auf diese Weise werden u.a. die Produktentwicklungszeit (Time-to-Market) verkürzt und die Entwicklungskosten gesenkt. Da Mehrkörpersysteme in vielen Bereichen weit verbreitet sind, ist MKS ein wichtiger Bestandteil des CAE.

DMU – digitales Versuchsmodell statt kostspielige reale Produktprüfung

DMU (Digital Mock-Up) ist ein digitales, möglichst wirklichkeitsgetreues, computergestütztes Versuchsmodell, das einen Teil der mitunter teuren, realen Produktprüfung ersetzen kann. So kann z.B. in Maschinenbauprojekten geprüft werden, ob ein im Kundenauftrag gefertigtes Teil auch technisch umsetzbar ist, oder ob hierfür noch Änderungen in der Konzeption vorzunehmen sind. Auch Untersuchungen zum Ein- und Ausbau von Teilen sind in der Palette der Anwendungen für das Mock-up auf digitaler Basis integriert. Solche virtuellen Untersuchungen bzw. Tests haben alle ein gemeinsames Ziel: Fehlerentwicklungen in der Fertigung und damit Prototypen, die anschließend nicht einsetzbar sind, schon im Ansatz zu vermeiden.

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CAQ – durchgängiges Qualitätsmanagement umsetzen

Eine Qualitätssicherung ist in allen betrieblichen Prozessen unverzichtbar, um effiziente Abläufe zu gewährleisten. Im CAE-Instrumentarium gibt es mit CAQ (Computer Aided Quality Assurance – computergestützte Qualitätssicherung) hierfür eine Lösung.

Beim CAQ wird das Qualitätsmanagement eines Unternehmens von der Planung über die Realisierung bis zur Kontrolle durch computergestützte Digitalisierung begleitet. Kleinste Mängel können somit frühzeitig erkannt und behoben werden. Das hat eine ganze Reihe von überzeugenden Vorteilen, z.B. eine höhere Fertigungseffizienz, nachhaltige Kostenersparnisse, höhere Kundenzufriedenheit, eine sinkende Reklamationsquote und die Vermeidung von unnötigen Stillstandzeiten in betrieblichen Prozessen.

Was sind die Vorteile von CAE?

CAE bringt zahlreiche Vorteile mit sich, die sich auf alle Bereiche der Industrie erstrecken. Eingangs wurden die wesentlichen Vorteile bereits genannt: niedrigere Produktentwicklungskosten, kürzere bzw. beschleunigte Entwicklungszeiten und eine verbesserte Produktqualität sowie -lebensdauer. Darüber hinaus bietet CAE in der Praxis einige weitere entscheidende Vorteile:

• 1. Effizienz: Durch Einbeziehung der Simulation in den Entwurfsprozess werden Arbeitsabläufe rationalisiert. Mit CAE verbringen Teams weniger Zeit mit der Konstruktion und mehr Zeit mit der Entwicklung und Verbesserung.

• 2. Optimierung: Mit CAE-Tools lässt sich das Verhalten eines Produkts oder einer Komponente auf Belastungsbedingungen in einer spezifischen Betriebsumgebung simulieren und somit validieren. Hierdurch wird u.a. auch ein Over-Engineering vermieden, z.B. durch den Einsatz anderer und möglicherweise kostspieligerer Materialien oder durch Komponenten, die mit Blick auf die Festigkeit und Stabilität über unnötig großen Wandstärken verfügen.

• 3. Sicherheit: Die Vorabsimulation von Bauteilen oder Produkten erhöht deren Sicherheit und Zuverlässigkeit.

• 4. Qualität: Die Prüfung von Produkteigenschaften anhand virtueller Modelle ermöglicht die Herstellung von qualitativ hochwertigen Endprodukten.

• 5. Funktionalitätsüberprüfung an virtuellen Modellen für Prototypen mit Serientauglichkeit.

• 6. Kosten senkend: Physikalische Prozesse wie Strömung und Widerstand können anstelle von kostenintensiven Tests in Versuchsanlagen (z. B. Wind- und Wasserkanälen) simuliert werden.

• 7. Qualitätssicherung: Durchgängiges Qualitätsmanagement für betriebliche Abläufe und Prozesse durch validierbare Zahlen und Daten.

• 8. Objektivierbare Ergebnisse durch Computermessungen und unbegrenzte Teilbarkeit durch Digitalisierung.

• 9. Jederzeit verfügbar: Ergebnisse von bereits erfolgten Simulationen sowie Untersuchungen stehen jederzeit zur Verfügung und können für ähnliche Projekte genutzt werden.

Dieser Beitrag entstand mit freundlicher Unterstützung von Dipl.-Ing. Dietmar Arndt,
Casim – Gesellschaft für rechnerunterstütze Produktentwicklung und Prozessmanagement mbH & Co. Dienstleistungs-KG

Anbieter von CAE-Software und verwandten Software-Anwendungen

• Altair Engineering

• Ansys

• Autodesk

• Bentley Systems

• Createasoft

• Dassault Systèmes

• Maplesoft

• Mathworks

• Meshworks

• Moldflow

• Open Mind

• PTC

• Siemens

• Simscale

Bei dieser Aufzählung handelt es sich um einen Auszug ohne Anspruch auf Vollständigkeit.

Quellennachweis:
Casim, PTC, Softselect, Siemens Digital Industries Software, TGA+E, Göbel Engineering, Wikipedia, Business Systemhaus AG, ERP, G2

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