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Simulation Wie Simulation für bessere Staubsauger sorgt

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

5.127 Prototypen baute James Dyson für den ersten beutellosen Staubsauger – heute stehen Simulationen im Mittelpunkt der Produktentwicklung bei Dyson.

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Experimentieren, tüfteln und simulieren – so sieht der kreative Prozess der Ideenfindung beim Staubsauger-Spezialist Dyson aus.
Experimentieren, tüfteln und simulieren – so sieht der kreative Prozess der Ideenfindung beim Staubsauger-Spezialist Dyson aus.
(Bild: Dyson)

Der Berechnungsingenieur Stefan Koch, aufgewachsen im schweizerischen Romanshorn, war von Anfang an vom Unternehmen Dyson begeistert. Schon beim Vorstellungstermin 2016 spürte er die faszinierende Atmosphäre im Unternehmen. „Alle Leute waren sehr motiviert und engagiert, um mit ihrem Know-how die hohen Ansprüche an die neu zu entwickelnden Dyson-Produkte zu erfüllen“, berichtet Stefan Koch. „Sie haben mich durch die Labore geführt und mir ihre Herangehensweise an die Grundlagenforschung und die Produktentwicklung erklärt. Ich war begeistert vom Dyson-Campus im englischen Malmesbury und mir war sofort klar: Hier will ich arbeiten!“

Der Schweizer hat nach dem Maschinenbau-Bachelor in Winterthur ein Masterstudium in Aerodynamik in Southampton absolviert. Heute ist er Senior Aerodynamics Engineer in der Forschung von Dyson und hauptsächlich für den Bereich der Bodenpflege zuständig. Dort leitet er ein fünfköpfiges Simulationsteam, das mit der Ansys-Software arbeitet.

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Wie bei Dyson die Ideen entstehen

Dyson war schon immer sehr experimentorientiert aufgestellt. Das Experimentieren und Ausprobieren war und ist wichtiger Bestandteil im kreativen Prozess der Ideenfindung und -bewertung. Folglich wurden sehr viele Prototypen gebaut und getestet, dann verbessert und wieder getestet. Dieses Herangehen wurde vom Firmengründer James Dyson, der für den ersten beutellosen Stabsauger 5.127 Prototypen baute, selbst geprägt.

„Wir haben den Anspruch, nicht nur immer wieder Optimierungen durchzuführen, sondern die bestehenden Herausforderungen grundsätzlich anzugehen, um unseren Kunden die bestmöglichen Produkte für den jeweiligen Anwendungsbereich zu liefern“, betont Stefan Koch. Beispielsweise können die neusten kabellosen Staubsauger von Dyson mit ihrer hohen Saugkraft herkömmliche Bodenstaubsauger komplett ersetzen. So wurde die Saugkraft des Dyson Cyclone V10 gegenüber dem Vorgänger V8 um rund 20 % erhöht. Bei dem Anfang 2019 vorgestellten V11 wurde die Saugkraft um weitere 15 % gesteigert.

Simulationen im Mittelpunkt der Entwicklung

„Das Tüfteln und Ausprobieren steckt in unserer Firmen-DNA“, erklärt der Berechnungsingenieur. „Zwar stehen Simulationen heute im Mittelpunkt unserer Entwicklungen, aber trotzdem nehmen Prototypen weiterhin eine sehr wichtige Rolle ein. Denn wir müssen unsere Entwürfe immer wieder validieren und testen, um ein reales Gefühl für die Handhabung unserer Produkte zu erhalten.“

Bei Dyson werden numerische Simulationen hauptsächlich unter zwei Gesichtspunkten eingesetzt:

  • Einerseits dienen einfache, schnelle Simulationen zum Evaluieren von neuen oder modifizierten Konzepten.
  • Andererseits ermöglicht sie, komplexe physikalische Prozesse zu verstehen, die beispielsweise so schnell ablaufen, dass Messungen nur mit sehr hohem Aufwand oder gar nicht durchführbar sind.

Hier nennt Stefan Koch die Bodendüse des Staubsaugers, die mit 3000 Umdrehungen pro Minute arbeitet. Dieses ist für ihn eines der komplexesten Mehrphasensysteme, das Bürste und Teppich sowie Partikel im Nanometerbereich und auch größere Staubansammlungen beinhaltet. Dafür ein realitätsnahes Testsystem aufzubauen, um entsprechende Messungen durchzuführen, scheint für ihn kaum machbar.

Steigenden Anforderungen mit Simulation begegnen

Simulationsanwendungen ermöglichen letztendlich eine effiziente Neuentwicklung und Optimierungen von Produkten und Bauteilen, um auf dem Markt immer wieder verbesserte Produkte präsentieren zu können. Ergänzend betont Stefan Koch: „Die Frequenz, mit der wir neue Produkte auf den Marktbringen, ist enorm gestiegen. Nach meiner Einschätzung ist das nur durch einen umfassenden Simulationseinsatz möglich geworden. Denn Simulationen sind das beste Werkzeug für eine schnelle und effiziente Produktentwicklung. Sie liefern nicht nur Kenntnisse über das physikalische Verhalten des Produktes, sondern ermöglichen es, ins Innerste hineinzusehen, um zu verstehen, was dort passiert.“

Was muss ein guter Berechnungsingenieur können?

Zur Frage der erforderlichen Rechenleistung, die durch den parallelen Einsatz von Prozessoren immer weiter in die Höhe geschraubt werden kann, antwortet Stefan Koch mit einem grundsätzlichen Statement:

„Berechnungsingenieure stehen in der Verantwortung, sich intensive Gedanken zu machen, wie eine Problemstellung mit Simulationen am besten gelöst werden kann. Das bedeutet, dass nicht einfach nur möglichst viele Prozessoren eingesetzt werden, sondern dass überlegt wird, wie ein dafür sinnvolles Simulationsmodell aufgebaut werden kann. Dazu muss ich mir überlegen, was genau ich wissen will und was für ein Modell beziehungsweise welches Softwarewerkzeug ich dafür brauche. Ebenso ist zu klären, wie detailliert die Ergebnisse sein sollten und welche Aspekte wie zu berücksichtigen sind. Benötige ich eine 3D-Berechnung und welches Turbulenzmodell ist am besten geeignet? Meine Erfahrung ist: Umso einfacher ich mein Simulationsmodell gestalten kann, umso einfacher ist es später, die Ergebnisse zu interpretieren und Schlüsse daraus zu ziehen. Sonst könnte es passieren, dass die Datenflut mich überschwemmt. All diese Kriterien unterscheiden einen guten Berechnungsingenieur von einem einfachen Software-Anwender.“

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Wie Dyson Simulation in der Produktentwicklung einsetzt

Strömungsoptimierung: Neuartige Software-Funktionen verfügbar:

  • Die Kaufentscheidung bei der Staubsaugerwahl hängt in der Hauptsache von dessen Saugkraft, der Akkulaufzeit und dem Filtersystem ab. Deshalb konzentrieren sich die Berechnungsingenieure bei Dyson auf die Optimierung dieser Produkteigenschaften, beispielsweise auf die Erhöhung der Saugkraft durch bessere Motoren und Kompressoren.
  • Hier ergeben sich aufgrund von neuartigen Software-Funktionen völlig neue Herangehensweisen an die Strömungsoptimierung. Haben bisher immer Menschen das Schaufelrad entworfen und die Freiheitsgrade und Parameter modifiziert, so kann ein Teil dieser Arbeit jetzt durch die Software übernommen werden. Das ist von Vorteil, denn Menschen haben Probleme nichtlinear zu denken und Lösungen zu finden, die für sie nicht intuitiv erkennbar sind. Mit dem Ansys Fluent Adjoint Solver lassen sich Geometrien dagegen sehr effizient optimieren.
  • Nachdem das Strömungsfeld berechnet wurde, analysiert der Adjoint Solver anhand von Sensitivitätsstudien wie die Geometrie modifiziert werden muss, um die Strömung zu verbessern. „Mit dieser modifizierten Geometrie fängt der Kreislauf dann wieder von vorne an, bis wir mit dem Ergebnis der Strömungssimulation zufrieden sind“, berichtet Stefan Koch. „Nach 10, 20, 30 oder gar 40 Iterationen erhalten wir eine optimierte Schaufelradgeometrie, die uns die gewünschten Strömungsergebnisse liefert. Wie könnten wir ein solches Ergebnis mit Versuchen erreichen?“

Unerwünschte Schallquellen minimieren:

  • Ähnlich wird bei der Minimierung von Geräuschen vorgegangen, die durch Umströmungen des Schaufelrades entstehen. Um die Vorgänge an der Hinterkante des Schaufelrades besser zu verstehen, wird lokal die Detached-Eddy-Simulation (DES) eingesetzt. Mit ihr lassen sich sehr hochauflösende Ergebnisse erzeugen, bei denen die akustisch relevanten Turbulenzen effektiv berechnet werden, was entsprechend viel Zeit und Rechenleistung benötigt.
  • So konnten die Stärke sowie Frequenzen der Wirbelablösungen detailliert analysiert werden. Das Ergebnis war, dass die Intensität der Schallquellen bei gewellten Schaufelradkanten nicht so hoch ist wie bei geraden Hinterkanten und die Geräusche aufgrund der Simulationen verringert wurden. Und auch die Versuche zeigten, dass die Modifikationen am realen Schaufelrad die Schallreduktionen lieferten, die die Simulation versprach.

Gekoppelte Zweiwege-Partikelsimulation:

  • Aber auch die Betrachtung der einzelnen Zyklone des Staubsaugers, die als Fliehkraftabscheider dienen, ist wichtig, um die Saugkraft zu erhöhen. Die Strömung in den Zyklonen – teilweise werden mehr als ein Dutzend konzentrisch angeordnet eingesetzt – ist aufgrund der globalen Instabilität immer instationär, sodass ein abstraktes Konzept von verschiedenen Strömungsmodi zu analysieren ist. Auch hier sind aufwendige detaillierte Berechnungen notwendig, um hochauflösende Ergebnisse zu den einzelnen Turbulenzstrukturen zu erhalten, damit die Abscheidungseffizienz weiter verbessert werden kann.
  • Einzelne, sporadisch auftretende Wirbel, die die Abscheidungseffizienz mindern, konnten durch Modifikationen, die aufgrund von entsprechenden Simulationsergebnissen durchgeführt wurden, verhindert werden. „Dazu mussten wir sehr tief ins Detail gehen, um zum Beispiel die Staubpartikel in ihrer unterschiedlichen Größe – vom Micrometerbereich bis zur Größe von sogenannten Wollmäusen – in den Berechnungen berücksichtigen zu können“, erläutert der Berechnungsingenieur.
  • Dazu nutzt er eine gekoppelte Zweiwege-Partikelsimulation, denn der Luftstrom beeinflusst die Partikel und umgekehrt verlangsamt die Partikelkonzentration in den Zyklonen die Strömung. Zu bedenken ist, dass unvorstellbare Zentrifugalkräfte, die einer hunderttausendfachen Erdanziehungskraft entsprechen, in den Zyklonen erzeugt werden. Dadurch können Druckschwankungen und Schwingungen entstehen, die den Zyklon zum Vibrieren bringen, was Druckverluste sowie Geräuschentwicklungen und natürlich eine reduzierte Abscheidungseffizienz zur Folge hat.

Mehrskalenprobleme bei Filterbetrachtungen:

  • Zu Filtersimulationen erklärt Stefan Koch: „Sie sind für mich als Ingenieur faszinierend und gleichzeitig ein Albtraum.“ Denn bei den Filtern ist ein Mehrskalenproblem zu betrachten, einerseits das Filtersystem, das mehrere Zentimeter groß ist, und andererseits die Mikroebene mit nanometergroßen Fasern in den Filtern und kleinsten Partikeln, die dort hängen bleiben sollen.
  • Zusätzlich zu den verschiedenen Größenordnungen sind noch verschiedene Zeitskalen zu berücksichtigen. Das ist in einer Simulation kaum möglich. Deshalb haben die Dyson-Ingenieure in Zusammenarbeit mit der Universität von Oxford [Printsypar, Galina & Bruna, Maria & Griffiths, Ian. (2018). The influence of porous media microstructure on filtration] ein homogenisiertes Multiskalen-Modell entwickelt, mit einer Simulation für das Makroproblem und einer für das Mikroproblem. Dabei wird die Strömungssimulation durch das Filtermaterial mit der Berechnung der Partikelabscheidung im Filter gekoppelt, sodass Veränderungen bezüglich der Porosität des Filters wieder in die Makrosimulation zurückgegeben werden.

Systemsimulation und Demokratisierung im Fokus

Auf die Frage, welche zukünftigen Schwerpunkte bei der Simulation ins Auge gefasst werden, sieht Stefan Koch zwei wichtige Themenbereiche: „Wir sind schon jetzt dabei, mehr und mehr den Blick auf die Systeme und nicht nur auf die einzelnen Komponenten zu werfen. Ein hervorragendes System benötigt zwar optimale Komponenten, aber diese müssen auch effizient zusammenwirken. Das verbessern wir mithilfe von Systemsimulationen. Den zweiten wichtigen Bereich sehe ich in der sogenannten Demokratisierung der Simulation. Damit soll zukünftig jedem Ingenieur in der Entwicklung ein Zugang zur Nutzung der Simulation ermöglicht werden, damit jeder die Vorteile nutzen kann.“

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