Digitalisierung im Maschinenbau Wie Simulation und Künstliche Intelligenz die digitale Transformation beschleunigen

Warum immer mehr Unternehmen die Simulation in den Mittelpunkt ihrer Innovationsstrategie stellen und wie KI, HPC und die Cloud diese Entwicklung unterstützen, erklärt Christian Kehrer, Business Development Manager System Modeling, Altair Engineering GmbH, hier im Interview.

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Konstrukteuren und Produktentwicklern kommt im Kontext der Digitalisierung eine Schlüsselrolle zu: Sie müssen Brücken bauen zu allen an der Entwicklung beteiligten Disziplinen.
Konstrukteuren und Produktentwicklern kommt im Kontext der Digitalisierung eine Schlüsselrolle zu: Sie müssen Brücken bauen zu allen an der Entwicklung beteiligten Disziplinen.
(Bild: Altair/shutterstock_782845462)

konstruktionspraxis: Herr Kehrer, wie weit fortgeschritten ist die digitale Transformation im Maschinenbau aus Ihrer Sicht?

Christian Kehrer: Je nachdem, wohin man schaut: bei einigen mittendrin, zum Teil aber auch noch ganz am Anfang, in jedem Fall nimmt das Thema an Fahrt auf. Themen wie virtuelle Inbetriebnahme sind schon seit ein paar Jahren auf dem Vormarsch, aber jetzt kommen immer mehr Ansätze zusammen und schaffen so größere Mehrwerte: Die Rede ist von Simulation, IoT und KI. Diese Technologien eröffnen neue Möglichkeiten, um interdisziplinär besser zusammenarbeiten zu können, sodass mechanische Konstruktion, Elektroplanung, Antriebs- und Regelungstechnik, Elektronik und Softwareentwicklung zusammenfinden.

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konstruktionspraxis: Wie unterstützen KI, HPC und Cloud-Technologien auf dem Weg dorthin?

Kehrer: Digitale Entwicklung für Produkte von morgen braucht Simulation, KI & Computing für besseres Engineering. Die Konstruktion erstklassiger Produkte erfordert die Fähigkeit, ihr zukünftiges Verhalten vorherzusagen. Dazu haben wir nach Methoden gesucht, die unsere Ingenieurerfahrung ergänzen. Die numerische Simulation übernimmt diese Aufgabe schon seit langem und hat sich vom virtuellen Testen zum simulationsgetriebenen Design entwickelt. Data Analytics bietet eine neue Möglichkeit, Einblicke in die Zukunft zu erhalten, indem man die Gegenwart und Vergangenheit betrachtet. Jetzt wachsen Simulation, Künstliche Intelligenz und High-Performance-Computing zusammen.

konstruktionspraxis: Welcher Mehrwert entsteht dadurch?

Kehrer: Da die Erfahrung von Experten mithilfe von Simulationen des physikalischen Verhaltens eine breitere Basis für die Entscheidungsfindung schafft und von der Effizienz der KI profitiert, die das Offensichtliche schneller aufdeckt, werden Ingenieuren neue Möglichkeiten eröffnet. Simulation erweitert die Entscheidungsgrundlage, KI macht die Auswertung effizienter und High-Performance-Computing liefert das Fundament dafür.

konstruktionspraxis: Lassen Sie uns das Thema KI vertiefen – wie unterstützt die Technologie hier?

Kehrer: Maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz spielen in unserem Alltag eine immer größere Rolle. Die Begriffe sind allgegenwärtig geworden, und als Ingenieur in der Welt der Simulation stellt man sich die Frage, wie sich diese Technologien in unsere tägliche Arbeit einfügen werden. Low-Code oder No-Code Umgebungen, wie sie die Altair-Data-Analytics-Lösungen bieten, machen „Data Science“ einem immer breiteren Publikum zugänglich, indem sie die Einstiegshürde senken. Diese Lösungen fördern das Ziel der Demokratisierung, aber ihre Natur erfordert immer noch die Vertrautheit im Umgang mit abstrakten Diagrammen, Grafiken und Metriken. Skalierbare Computing-Cluster, einschließlich der jüngsten Cloud-Umgebungen, ermöglichen Simulationen in einem Umfang, der früher unvorstellbar war. Maschinelle Lerntechniken sind ideale Werkzeuge, um die Datenberge zu durchforsten.

konstruktionspraxis: Welche wertschöpfenden Anwendungen sehen Sie bei Altair?

Kehrer: Wir sehen verschiedene Ansätze. Auf Basis von Messdaten realer Systeme lassen sich mithilfe neuronaler Netze Modelle ableiten, die das Verhalten dieses Systems oder einer Maschine sehr realistisch abbilden. Diese Modelle eignen sich dann für die Verwendung im Rahmen von Simulationen, What-if-Analysen oder Optimierungen.

Mit dem gleichen Ansatz lassen sich auch „eher langsame“ Simulationen beschleunigen. Damit kann man etwa dem Ziel von echtzeitfähigen Simulationsmodellen näherkommen, die dann im Rahmen der virtuellen Inbetriebnahme verwendet werden. Damit kann die Kombination von Maschinen- und Prozessmodellen die Ausgangsbasis für einen vollständigeren Digitalen Zwilling darstellen.

konstruktionspraxis: Welche Altair-Lösungen sind denn aktuell KI-basiert?

Kehrer: KI-Methoden halten an verschiedenen Stellen Einzug in die Produktlandschaft. So ermöglichen die Data-Analytics-Lösungen von Altair das Durchforsten von Daten in einer Low-Code- oder No-Code-Umgebung.

Ein anderes Beispiel kommt aus dem Bereich Systemsimulation. Um dem Ziel von echtzeitfähigen Simulationsmodellen näher zu kommen, haben wir einen Machine Learning Block im Systemsimulationstool Activate eingebaut.

konstruktionspraxis: Und wie sieht es bei Ihrem Flagschiff Hyperworks aus?

Kehrer: In Altair Simulation 2021 gibt es die Design Explorer Workflows. Sie bringen Ingenieuren KI-Erkenntnisse aus der simulierten Physik direkt in ihre tägliche Arbeitsumgebung. Die nahtlose Integration ermöglicht intuitive Analysen mit nur wenigen Klicks. Die einfach zu bedienende Lösung adressiert dabei drei kritische Schritte im Prozess.

  • 1. Das Definieren des Umfangs des Problems durch Gestaltungsmerkmale wie Materialeigenschaften, Geometrie oder Belastungen oder Key Performance Indices wie Spannung oder Masse.
  • 2. Das Sammeln & Organisieren von virtuellen Proben. Um den Überblick über alle Daten zu behalten, ist ein Managementsystem erforderlich, und wenn noch keine Daten vorhanden sind, ist ein integriertes Simulations- und Datenmanagementsystem erforderlich, um die Daten bei Bedarf aufzubereiten.
  • 3. Die visuelle Erschließung der Ergebnisse. Dieser Teil ist der Schlüssel zur komfortablen Anwendbarkeit. Das ultimative Ziel wird sehr treffend von Edward Tufte, einem führenden Experten auf dem Gebiet des Informationsdesigns, ausgedrückt: ´Don't think. Look`.

konstruktionspraxis: Und wie adressieren die Workflows diese Anforderungen?

Kehrer: Ein spezielles Menüband in der Benutzeroberfläche ermöglicht es dem Benutzer, ein Problem intuitiv einzustellen, indem er direkt auf dem 3D-Modell arbeitet. So lassen sich anforderungsbezogen alle wichtigen Bausteine für die digitale Transformation so kombinieren, dass einerseits kurzfristig Mehrwerte realisiert und eine Vertrauensbasis geschaffen und anderseits mittel- und langfristig eine zielgerichtete Strategie umgesetzt wird. KI zieht also in immer mehr Bereiche ein. Bei Data Analytics war das sozusagen per Definition schon immer der Fall, aber vor allem auch bei der Einbindung von Realdaten oder High-Fidelity-Modellen in die Systemsimulation wächst der Einfluss von KI.

konstruktionspraxis: Welche Rolle spielen Konstrukteure und Produktentwickler in diesem Zusammenhang?

Kehrer: Konstrukteuren und Produktentwicklern kommt in diesem Kontext eine Schlüsselrolle zu. So endet die Aufgabe weit jenseits des jeweiligen CAD-Konstruktionstools. Konstrukteure und Produktentwickler müssen Brücken bauen zu Einkauf, Vertrieb, und vor allem zu allen an der Entwicklung beteiligten Entwicklungsdisziplinen. Im Hinblick auf das digitale Zusammenarbeiten sind dafür Software-Werkzeuge nötig, die „mitwachsen“ können, aber auf einer einheitlichen Basis stehen.

Altair trägt dieser Anforderung Rechnung, indem wir skalierbare Werkzeuge für die gesamte Entwicklung bereitstellen. So können alle an der Entwicklung Beteiligten aussagekräftige Modelle erstellen: für den simulationsgestützten Entwurf im Vorfeld, Multiphysik-Workflows und eine Umgebung für detaillierte Modellierung.

konstruktionspraxis: Welche Herausforderungen gibt es aktuell aus Ihrer Sicht noch zu meistern?

Kehrer: Wichtig ist es dabei, die Einstiegshürden so gering wie möglich zu halten und Nutzungsszenarien zu finden, die im täglichen Umgang bestmöglich handhabbar sind. Der Arbeitsalltag erlaubt es nicht, dass sich jeder in die Tiefen verschiedener Simulationswerkzeuge, IoT-Protokolle oder verschiedener Ansätze des maschinellen Lernens einarbeiten kann. Die Werkzeuge müssen einfach zu bedienen sein und bestmöglich ineinandergreifen.

konstruktionspraxis: Können Sie sich an einen „Aha-Effekt“ eines potenziellen Anwenders erinnern?

Kehrer: Es ist selten nur ein Moment. Der Erfolg stellt sich ein, wenn man strategisch an die Sache herangeht, das Große im Blick hat, aber klein anfängt. Aber bei unserer Konferenz Digitale Transformation im Maschinenbau gab es die Aha-Momente im Dutzend.

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Diese Lösungen bietet Altair für die digitale Transformation im Maschinenbau

Die Simulationswerkzeuge von Altair wachsen mit den Anforderungen des Projektes oder der Organisation und stehen auf einer einheitlichen Basis:

  • Für den simulationsgestützten Entwurf im Vorfeld: Eine Produktfamilie mit einer gemeinsamen Benutzeroberfläche, die sich auf die Zusammenarbeit im Team, schnelle Evaluierungen und die schnelle Konvergenz von Designs konzentriert. Diese Werkzeuge werden von einem breiten Querschnitt von Produktdesignern, Prozessingenieuren und Simulationsspezialisten verwendet, um die besten Designentscheidungen so früh wie möglich zu treffen.
  • Multiphysik-Workflows: Für Ingenieure, die unter Zeitdruck stehen und sich mehr darauf konzentrieren, Simulationsergebnisse zu erhalten und nicht in ihrem Modell "leben". Robuste und wiederholbare Arbeitsabläufe bedeuten eine schnelle, genaue und konsistente Analyse, auch für gelegentliche Benutzer, indem sie die manuelle Vernetzung, das Aufsetzen des Modells, die Komplexität der unterschiedlichen physikalischen Phänomene und die Post-Processing-Konfiguration eliminieren.
  • Eine Umgebung für detaillierte Modellierung: Erfahrene Analysten, die komplexe Designs validieren, benötigen eine solverneutrale Multi-Domain-Modellierungs- und Visualisierungsumgebung für das Pre- und Post-Processing mit mehreren Solvern. Dies ermöglicht eine detaillierte Multimodellerstellung für alle Konstruktionsalternativen, Produktvarianten und Betriebsumgebungen, unterstützt durch effizientes Baugruppenmanagement und Prozessführung.

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Über den Autor

Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Redakteurin, konstruktionspraxis – Alles, was der Konstrukteur braucht