Warum sollten sich kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) sowie Freiberufler mit Simulation beschäftigen?
Sie stehen, so wie die Großen, unter hohem Erwartungsdruck ihrer Kundschaft. Produkte müssen immer schneller auf den Markt gebracht werden, sollen immer intelligenter sein und am besten noch weniger kosten als ihre Vorgängermodelle.
Das alles natürlich bei gleichbleibender oder sogar noch besserer Qualität.
In so einer Situation ist jede Lösung willkommen, die mit überschaubarem Aufwand für die Umsetzung große, positive Effekte für den Unternehmenserfolg bringt.
Eine solche Lösung verbirgt sich in der digitalen Transformation der Abläufe in der Produktentwicklung mit Einführung und Nutzung des Digitalen Zwillings.
Der Digitale Zwilling ermöglicht u.a. die Simulation (virtuelle Abbildung) des physikalischen Verhaltens von einzelnen Bauteilen, Baugruppen oder ganzen Maschinen.
Unternehmen und Freiberuflern steht damit ein großes, immer noch in weiten Teilen ungenutztes Potenzial für die Verbesserung des Produktentstehungsprozesses (PEP) und die Optimierung ihrer Produkte und Fertigungsprozesse zur Verfügung.
In diesem Blogartikel zeige ich Ihnen, welchen Chancen und Herausforderungen der Einsatz von Simulation insbesondere in kleinen und mittelständischen Unternehmen mit sicht bringt.
Ich zeigen das immense Potential von Simulation sowohl die Digitalisierung als auch Innovationen in der Produktentwicklung voranzutreiben.
Zusätzlich gehe ich aber auch auf die Einstiegshürden ein, die es insbesondere kleineren Unternehmen und Freiberuflern schwer machen die Simulation konsequent für die Erreichung ihrer Unternehmensziele einzusetzen. Konkrete Lösungsansätzen sollen helfen diese Einstiegshürden zu senken.
Simulation erschließt ungenutztes Potenzial im PEP und baut den Druck ab
Zur Analyse der Wettbewerbsfähigkeit von KMU gehört auch die Betrachtung der Digitalisierung, die sich in den Unternehmen mehr oder weniger strategisch gesteuert vollzieht.
Die Produktentwicklung kann dabei als ein Prozess gesehen werden, der sich z.B. von der ersten Kundenanfrage bis zur Auslieferung des fertigen Produktes zieht. Chancen zur Digitalisierung mit geringem Aufwand und großem Nutzen ergeben sich insbesondere in der Produktentwicklung.
Diese Chancen wurden von einigen Unternehmen bereits lange bevor Digitalisierung zum allgegenwertigen Must-Have wurde intensiv genutzt.
CAD-Systeme, Simulationstools und die Anbindung an das allgegenwärtige ERP-System gehören seit Langem zu den Selbstverständlichkeiten der Unternehmens-IT von Großunternehmen.
Der sogenannte digitale Faden verbindet die digitalisierte Produktentwicklung mit allen Phasen des Produktentstehungsprozesses.
Je umfangreicher die Datenhaltung in den dargestellten Teilprozessen und je ausgereifter die Schnittstellen zwischen den digitalen Komponenten, desto stärker wird der digitale Faden.
Der digitale Faden zeigt allerdings einen Soll-Zustand, der so in vielen kleinen und mittelständischen Unternehmen noch nicht erreicht ist.
Zu den ungenutzten Potenzialen des digitalen Fadens gehört in KMU häufig die Simulation. Das kann daran liegen, dass in den Konstruktionsabteilungen zu wenig Kenntnisse über Simulation und deren Leistungsfähigkeit existieren.
Häufig mangelt es aus diversen Gründen an Fachkräften, welche die Simulation sicher und zielgerecht anwenden können. Ein weiterer Grund, den wir in der Praxis regelmäßig beobachten, sind die hohen Lizenzkosten für kommerzielle Simulationssoftware.
Die Kombination beider Aspekte erhöht die Einstiegshürde für viele Unternehmen immens. Das führt dazu, dass erfolgversprechende Simulationsprojekte nicht durchgeführt werden.
Diese Einstiegshürden hemmen oft unnötigerweise den Fortschritt bei der Anwendung von Simulation und somit die digitale Transformation. Im Starting-Simulation-Guide befassen wir uns deshalb damit, wie man diese Einstiegshürden verringert oder sogar komplett eliminiert.
Ein Ansatz hierfür ist der EInsatz von Open Source Simulationssoftware. In meinem Artikel „FEM Freeware – Schnell und sicher einsteigen und der Konkurrenz einen Schritt voraus sein“ erfahren Sie mehr darüber.
In einer digitalisierten Produktentwicklung kann die Simulation mit virtuellen Prototypen zum neuen Kristallisationspunkt von Erkenntnissen und Entscheidungen im PEP werden und die Entwicklung zum Soll-Zustand stark beschleunigen.
In unseren Blog-Beiträgen wollen wir zeigen, wie die Simulation des pysikalischen Verhaltens von Produkten und Fertigungsprozessen genutzt werden kann, um brach liegende Potenziale zu nutzen und den Druck aus dem Produktentstehungsprozess zu nehmen.
Was ist Simulation und wo wird sie eingesetzt?
Bevor wir uns mit der Frage befassen, wie Simulation helfen kann, ist zu klären, was mit dem Begriff „Simulation“ gemeint ist und wie wir ihn hier anwenden.
Die industrielle Nutzung der Simulation umfasst ganz allgemein die Untersuchung physikalischer Zustände und Abläufe an realen und virtuellen Modellen.
Ein reales Modell kann der Tragflügel eines neu entwickelten Verkehrsflugzeugs sein, der in einem Versuchsaufbau auf seine Biegesteifigkeit hin untersucht wird.
Derselbe Versuch kann mit einem virtuellen Modell im Computer durchgeführt werden. In unseren Blog-Beiträgen werden wir uns bei der Verwendung des Begriffes „Simulation“ auf die Arbeit mit virtuellen Modellen beschränken.
Für uns geht es bei der Simulation darum, reale Produkte und Fertigungsprozesse virtuell abzubilden und so Ihr physikalisches Verhalten vorherzusagen.
Simulation wird heute in fast allen Bereichen des Ingenieurwesens eingesetzt, um physikalische Vorgänge in Bauteilen und Produkten sichtbar zu machen. Für den Aufbau der Simulationsmodelle, die Analyse und die Ergebnisvisualisierung ist insbesondere im industriellen Umfeld eine Simulationssoftware erforderlich.
Zur Wahl stehen Softwarepakete von kommerziellen Anbietern, welche i.d.R. hohe Fixkosten (Lizenzgebühren) verursachen.
Weitestgehend unbekannt ist, dass auch kostenfreie Alternativen in Form von Open-Source-Simulationssoftware verfügbar sind, die uneingeschränkt kommerziell genutzt werden dürfen.
Sie ermöglichen dem geschulten Anwender die Nutzung der Finite-Elemente-Methode (FEM), der Strömungssimulation (CFD = Computational Fluid Dynamics) und der Mehrkörpersimulation (MKS) für die Lösung praktischer Ingenieuraufgaben.
Wie kann Simulation KMU helfen, den Druck im PEP abzubauen?
Im Produktentwicklungsprozess werden Qualität, Kosten und Zeitaufwand für die Produktentstehung bereits früh festgelegt.
Allerdings können diese im klassischen Produktentwicklungsprozess häufig erst nach der Fertigstellung von realen Prototypen überprüft und korrigiert werden.
Gemessen an den heute üblichen Produktlebenszyklen ist der klassische Produktentstehungsprozess mit realen Prototypen deshalb zu schwerfällig.
Hinzu kommen die Kosten für den Bau einer oder mehrerer Prototypgenerationen, welche die Produktentwicklung meist unnötig verteuern.
Simulation – Virtuelle Prototypen liefern Machbarkeitsaussagen viel früher
Werden virtuelle Prototypen für die Untersuchung der Produkteigenschaften verwendet, sinken Zeit und Kosten für die Erstellung der Prototypen stark ab.
Hat das Team in der Konstruktion die Erfahrungen vorangegangener Simulationsprojekte an ähnlichen Prototypen in einer Wissensdatenbank gesammelt und ausgewertet, genügen bei ausgereiften Algorithmen für die Modellbildung bereits wenige Mausklicks, um einen virtuellen Prototyp zu erstellen und valide Simulationsergbebnisse zu generieren.
So lässt sich die Simulation effizient in den Produktentstehungsprozess integrieren. Machbarkeitsaussagen sind bereits vor der Angebotserstellung mit geringem Aufwand möglich.
Trotzdem behalten die verantwortlichen Mitarbeiter die Hände frei für das Alltagsgeschäft.
Ist die rechnerische Simulation durchgelaufen, werden die Ergebnisse ausgewertet. Falls nötig, kann eine erneute Simulation mit einem optimierten virtuellen Prototyp gestartet werden.
Die konsequente Nutzung Virtueller Prototypen erlaubt es, Entscheidungen im Produktentwicklungsprozess viel früher zu treffen.
Fertigungsprozesse und Produkte können von Anfang an optimiert und Kosten gespart werden.
Für alle, denen die Begriffe Virtueller Prototyp, Digitaler Zwilling und Industrie 4.0 noch nicht so geläufig sind, haben wir in unserem Blogartikel „Digitaler Zwilling und Virtueller Prototyp in Industrie 4.0 – Simulation macht sie lebendig“ unsere Sicht auf diese, derzeit leider noch nicht einheitlich definierten, Begriffe wiedergegeben.
Aktuelle Situation im Produktentstehungsprozess
In den vorangegangenen Abschnitten haben wir gezeigt, dass die Simulation mit Virtuellen Prototypen u.a. helfen kann, den Druck aus dem Produktentstehungsprozess rauszunehmen. Das ist so natürlich noch keine Grundlage für eine strategische Entscheidung.
Wir wollen deshalb etwas weiter auf die aktuelle Situation im Produktentstehungsprozess, auf den Status der Simulation in KMU und auf die neue Rolle, die die Simulation in Industrie 4.0 spielt, eingehen.
Durch die Möglichkeiten des Internets und internationale Handelsbeziehungen sehen sich auch kleine und mittelständische Unternehmen zunehmend globaler Konkurrenz ausgesetzt.
Hinzu kommen kaum vorhersehbare Veränderungen der wirtschaftlichen Rahmenbedingungen durch disruptive Technologien, das Umschwingen der öffentlichen Meinung (z.B. Klimaschutz, Nachhaltigkeit) und damit einhergehende Gesetzesänderungen.
Kurze Produktlebenszyklen, hohe Produktindividualisierung und Losgrößenverminderung gehören auch für KMU zu den Herausforderungen, die den Produktentstehungsprozess maßgeblich beeinflussen.
Aus der Fülle der Aufgaben und Herausforderungen, denen sich Unternehmen heute stellen müssen, haben wir nur einige herausgegriffen. Die Aufzählung erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Die Situation wird sicher nicht überall genau so erlebt.
Es kann dennoch generell davon ausgegangen werden, dass auf dem Produktentstehungsprozess und darin besonders auf den Teilprozessen der Produktentwicklung ein hoher Druck zur Optimierung und Kosteneinsparung lastet.
Das Meistern dieser Herausforderungen bietet jedoch auch die Chance noch innovativer zu werden, hierdurch die Wettbewerbsfähigkeit zu steigern und Kunden durch die Erfüllung individueller Wünsche zurfriedener zu machen.
Es ist die Chance neue Wege zu gehen und sich neue Alleinstellungsmerkmale in einer Welt mit zunehmendem Innovations- und Digitalisierungsdruck zu verschaffen.
Bisherige Nutzung von Virtuellen Produktentwicklung
In langjähriger Beobachtung hat sich gezeigt, dass Simulation in KMU, wenn überhaupt, nur sporadisch genutzt wird.
Typische Motivationen hierfür sind das Erreichen der Grenzen des bestehenden Erfahrungswissens, auf dessen Grundlage Entscheidungen getroffen werden, und Schadensfälle, bei denen es um einen genauen Nachweis des Produktverhaltens geht.
Das üblicherweise geringe Wissen über Simulation, der hohe Zeitdruck in den Projekten und begrenzte Personalkapazitäten sind klassische Hemmschwellen für kleine und mittelständische Unternehmen bei der erfolgreichen Nutzung von Simulation.
Demgegenüber steht, dass Unternehmen jeder Größenordnung, von der One-Man-Show bis zum Großkonzern, seit langer Zeit intensiv mit Simulation arbeiten und hervorragende Resultate erzielen.
Die Nutzung reicht von der einfachen Simulationsfunktion im CAD-Programm mit Lösung auf einem Arbeitsplatz-PC bis zu Großrechneranwendungen mit komplexen Simulationsmodellen, die auf Tausenden von Prozessoren gelöst werden.
Bemerkenswert ist, dass der positive Effekt auf die Wertschöpfung dabei nicht unbedingt von der Größe des Simulationsprojektes abhängt.
Für eine große Zahl der im Ingenieurwesen relevanten physikalischen Phänomene sind inzwischen Simulations-Werkzeuge verfügbar.
Sie liegen als kommerzielle und Open-Source-Tools vor und sind nach entsprechender Schulung nicht nur für Ingenieure, sondern auch für berufserfahrene Konstrukteure, Meister und Techniker nutzbar.
Wie sehen die Vorteile der Virtuellen Produktentwicklung für KMU konkret aus?
Die Simulation bietet kleinen und mittelständischen Unternehmen eine Reihe von Vorteilen. Zu den interessantesten Vorteilen gehören die Möglichkeiten zur Einsparung von Kosten und Zeit.
Die offensichtlichste Möglichkeit zur Kosteneinsparung im Produktentstehungsprozess ist der Ersatz von realen Prototypen durch virtuelle Prototypen.
Die Anfertigung realer Prototypen ist ein teures Unterfangen und schon lange wird an vielen Stellen nach Möglichkeiten gesucht, sie durch virtuelle Prototypen zu ersetzen.
Der Einsatz zukunftsweisender Simulationsmethoden erschließt hier ein hohes Maß an Einsparpotenzial.
Das nachfolgende Schaubild vergleicht die Produktentwicklung mit realen Prototypen mit dem Einsastz der virtuellen Produktentwicklung und verdeutlicht das Potential für Kosten- und Zeitersparnis.
Möglichkeiten zur Kosteneinsparung durch Simulation finden sich auch an anderer Stelle. Viel Potenzial liegt im Einsatz preisgünstigeren Materials, das durch einen optimierten Kraftfluss besser ausgenutzt wird.
Der Kraftfluss kann mit der Simulation sichtbar gemacht und verbessert werden. Analog lässt sich das Temperaturmanagement im Produkt mit Simulationen zur Einsparung von Kosten einsetzen.
Die Optimierung der Geometrie von Bauteilen und Baugruppen zur Verringerung der Masse bei gleicher Steifigkeit oder zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens kann ebenfalls zur Kosteneinsparung aber auch zu mehr Kundenzufriedenheit beitragen.
Je kürzer die Produktlebenszyklen, desto wichtiger wird der frühe Markteintritt, um entgangene Umsätze, d.h. verlorene Gewinne, zu reduzieren.
Die Nutzung von Simulation hilft KMU an vielen Stellen im Produktentstehungsprozess Zeit einzusparen, wie durch den Einsatz virtueller Prototypen.
Dementsprechend kann der Markteintritt mit dem Produkt nach vorn gezogen werden. Analog können im Sondermaschinenbau individuelle Kundenwünsche präziser und schneller erfüllt werden.
Das folgende Beispiel der Umformsimulation eines Rohres zeigt einen weiteren, wichtigen Vorteil. Simulation kann nicht nur zur Verbesserung des Produktes, sondern auch zur Optimierung des Fertigungsprozesses herangezogen werden.
Dies ist eine vielfach übersehene und derzeit in KMU nur selten genutzte Chance die o.g. Ziele zu erreichen.
Vorteile von Simulation für KMU am konkreten Beispiel einer Umformsimulation
Die folgende Abbildung zeigt verschiedene Stadien eines Umformprozesses, der mit Simulation untersucht wurde. Im Initialzustand liegt ein Rohr in einem geöffneten Umformwerkzeug.
Durch das Schließen des Werkzeugs wird das Rohr umgeformt. Abschließend liegt das umgeformte Rohr im offenen Werkzeug.
Ziel der Simulation war es, wichtige Kenngrößen des Prozesses an einem Virtuellen Prototyp zu ermitteln. Dazu gehören die Rückfederung, deren Kompensation oft das primäre Ziel ist, die Werkzeugbelastung und die Umformgrade im Schließvorgang.
Durch eine Anpassung des Werkzeugs und eine erneute Umformsimulation kann z.B. die Kompensation der Rückfederung iterativ optimiert werden.
Bei guten Eingangsdaten (z.B. Werkstoffkennwerte) sind die Simulationsergebnisse bei Umformsimulationen sehr valide.
Zur Validierung der Simulationsmodelle unserer Kunden aus der Umformtechnik vermessen wir reale Fertigteile ausgesuchter Referenzprozesse mit hochauflösenden 3D-Scannern und prüfen anschließend die Abweichung zum Simulationsergebnis.
Hierbei erreichen wir maximale Abweichungen im Bereich weniger hundertstel Millimeter, je nach Dimension der Umformteile.
Für unsere Kunden bedeutet dies, dass Sie mit den Simulationsergebnissen eine valide Entscheidungshilfe haben, lange bevor das erste reale Werkzeug hergestellt wird.
Die oben aufgeführten Kenngrößen des Prozesses konnten in der früher konventionell durchgeführten Produktentwicklung erst nach der Herstellung der Umformwerkzeuge ermittelt werden.
Bei hohen Abweichungen von den Sollwerten war es erforderlich, eine weitere Prototypgeneration zu bauen. Dies führt zu einer Verzögerung des Serienanlaufes und sehr hohen Kosten für die Anpassung des Umformwerkzeuges.
Durch den Einsatz Virtueller Prototypen lassen sich Entwicklungskosten und -zeiten in der Umformtechnik massiv zu reduzieren.
Vertrauenswürdigkeit der Rechenergebnisse und kostenlose Simulationssoftware für KMU
Wie oben beschrieben ist die Vertrauenswürdigkeit der Rechenergebnisse von entscheidender Bedeutung um auf ihrer Grundlage sichere Entscheidungen treffen zu können.
Eine sorgfältige Validierung ist deshalb von entscheidender Bedeutung für den Simulationserfolg.
Die Fähigkeit, Simulationen fachgerecht durchzuführen und valide, sichere Ergebnisse zu erzielen, umfasst kostbares Knowhow, das im Unternehmen gehalten werden sollte.
Deshalb empfehlen wir KMU, eigene Kompetenzen für die Simulation aufzubauen und diese wichtige Schlüsselfähigkeit nicht nach extern zu delegieren.
Die dafür nötige Software muss keineswegs teuer erworben werden. Es sind viele leistungsfähige Open-Source-Simulationstools (z.B. Salome-Meca bzw. Code_Aster) erhältlich, die kostenlos im Internet heruntergeladen werden können.
In unserem Starting-Simulation-Guide zeigen wir Ihnen Wege auf, wie Sie diese kostenlosen Simulationstools effektiv nutzen können.
Wie empfinden Sie die Chancen und Herausforderungen beim Einsatz von Simulation?
Nutzen Sie Simulation bereits in Ihrem Unternehmen?
Welche Einstiegshürden haben Ihnen bei der Einführung von Simulation in Ihrem Unternehmen am meisten Schwierigkeiten bereitet?
Waren es eher die hohen Software-Lizenzkosten oder mangelndes Simulations-Know-How bzw. Fachkräftemangel?
Ich freue mich auf Ihr Feedback!
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