Simulation – ein Rück- und Ausblick

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Neueste Technologien gepaart mit immer besseren Simulationen werden die Produktentwicklung evolutionär verbessern.

Simulation ist das Abbilden der Realität zur Vorhersage des Verhaltens eines Systems/Produktes. Eine Simulation ist z.B. auch ein Crashtest eines Autos. Hier wird das Verhalten des Autos bei einem Unfall abgebildet, bewertet und vergleichbar gemacht. Auch wenn reale Unfälle davon abweichen.

Wenn über Simulation gesprochen wird, ist meist die numerische Simulation mittels eines Computers gemeint. Simuliert wird das Verhalten der Strömungen und Temperaturverteilungen in unserer Atmosphäre und das Ergebnis der Simulation ist die Wettervorhersage. Und wird der o.g. Crash im Rechner simuliert, ist das Ergebnis eine Voraussage zum Verhalten bei einem tatsächlichen Crash.

Das wesentliche Kennzeichen einer solchen Computer-Simulation ist die Modell-Bildung mit einer Reduktion der Komplexität der Rechenaufgabe, um möglichst schnell ein Ergebnis zu bekommen. Je schneller das Ergebnis vorliegt, umso mehr Relevanz hat die Simulation für die Entscheidungsfindung: erfüllt das System/Produkt die Anforderungen oder nicht.

Der traditionelle Produktentwicklungsprozess vor 60 Jahren war geprägt durch Versuch und Irrtum. Eine Brücke wurde erdacht und dann gebaut. Und wie im Falle der Tacoma Narrows Bridge versagte diese nach bereits wenigen Monaten.

Einen richtigen Schub erhielt insbesondere die Simulation von mechanischen Strukturen mit dem Mondlandeprogramm der NASA. Jedes eingesparte Kilo zählte und Irrtümer wollte man sich eigentlich keine leisten. Die zugrunde liegende Mathematik der zur Anwendung kommenden Finite-Elemente-Methode wurde schon in den 1940ern erarbeitet und mit Aufkommen der ersten Computer numerisch umgesetzt. Der Quasi-Standard war viele Jahre NASTRAN (NASA Structural Analysis System).

Und hier sprechen wir nur von einer physikalischen Disziplin: der mechanischen Festigkeit. Um jedoch ein Produkt umfassend beschreiben und sein Verhalten detailliert vorhersagen zu können, sind wesentlich mehr Disziplinen notwendig. Genannt seien hier als Beispiele: Kinematik, Strömung, Wärmetransport, Magnetik, Optik, … Für alle diese wurden Programme geschaffen, die seriell oder parallel laufend das Produktverhalten simulieren. Und neben der Mechanik kamen Elektrik/Elektronik, Antriebstechnik, Regelungstechnik und gerade in den letzten Jahren auch die Software hinzu.

Eine Werkzeugmaschine besteht aus diesen Funktionskomponenten, die optimal zusammenspielen müssen, um den angestrebten Durchsatz bei vorgegebener Qualität sicherzustellen. Das Model-Based Systems Engineering (MBSE) schafft die Voraussetzung einer strukturierten, auf das Gesamtsystem fokussierten Vorgehensweise zum Aufbau und Befüllen des Digitalen Zwillings. Das ganzheitliche Befragen des Digitalen Zwillings übernimmt dann die System-Simulation. Diese Simulation der Gesamtfunktion ist die Königsdisziplin: die virtuelle Inbetriebnahme mit Hilfe des Digitalen Zwillings.

Technologien wie Topologie-Optimierung und Maschinelles Lernen verändern aktuell den Produktentwicklungsprozess rasend. Diese gepaart mit immer besseren Simulationen – mehr Disziplinen und genauere Vorhersagen – werden die Produktentwicklung weiter evolutionär verbessern. Schnellere Simulationen mit neuen mathematischen Ansätzen werden dazu führen, dass der CAD-Anwender bei jedem Entwicklungsschritt die Ergebnisse einer vollständigen funktionalen Simulation, die im Hintergrund abläuft, sehen wird. So geschieht dies ja heute schon mit der Ermittlung des Gewichtes eines Bauteiles oder einer Baugruppe im 3D-CAD. Zusammen mit einer Simulation der Kosten für Material und Produktion ist dann die Simulation des Business Cases für ein neues Produkt möglich. Und mit einer übergeordneten Optimierung lassen sich die vielen Parameter dieses Produktentstehungsprozesses aufeinander für ein besseres Resultat abstimmen.

Wird der Ingenieur/Entwickler dann überflüssig?

Ganz und gar nicht. Der vorher gezeigte automatisierte Prozess der „Design Space Exploration“ muss für Produktfamilien erstellt, getestet und weiterentwickelt werden. Und die finalen Ergebnisse benötigen eine finale Validierung. Die Aufgaben werden anspruchsvoller und komplexer. Nur so können wir im „alten“ Europa an der Spitze der Produktivität in der Produktentstehung bleiben und unseren Wettbewerbsvorteil sichern und vielleicht ausbauen.

Autor: Eckardt Niederauer, Mitglied im VDMA Arbeitskreis Simulation; Siemens Industrie Software GmbH.