Ist numerische Simulation für Ihr Unternehmen sinnvoll? Intern oder extern??

Ist numerische Simulation für ihr Unternehmen sinnvoll?

Hierbei handelt es sich um eine Frage, die sich derzeit viele, vor allem kleine und mittelständische Unternehmen, stellen. Meist wird die Frage dadurch aufgeworfen, dass einige konkrete Fragestellungen vorliegen oder ein Wettbewerber die Simulation zur Optimierung seiner Produkte nützt. Häufig wird die Überlegung aber auch einfach dadurch motiviert, zeitgemäße Entwicklungsmethoden zu nützen. Fakt ist jedoch, dass die Nutzung von Open-Source-Software gerade für kleine und mittelständische Unternehmen besonders interessant ist, da die Lizenzkosten entfallen. Der Einstieg wird hierdurch erleichtert.

Hierzu drei Fallbeispiele:

Die Kernkompetenz von Unternehmen A liegt in der Rohrumformung bzw. im Rohrbiegen. Die Kosten für die Herstellung der Werkzeuge für ein Produkt liegen häufig im fünfstelligen Bereich. Die Machbarkeit des Umformprozesses kann durch eine Umformsimulation abgeschätzt werden. Zusätzlich wird die Entwicklung der Werkzeuge durch die Simulationsergebnisse maßgeblich unterstützt. Die komplette Simulation, inklusive der Analyse von zwei Varianten, kostet bei einem externen Ingenieurbüro ca. 5000,-€. Es liegt auf der Hand, dass die Anwendung einer Umformsimulation für Unternehmen A zwingend erforderlich ist. Probleme, die im Umformprozess auftreten, können im Voraus in der Simulation an einem virtuellen Prototyp behoben werden. Wenn ein Werkzeug aufgrund unerkannter Probleme nicht nutzbar ist, entsteht ein Schaden im fünfstelligen Bereich. Zwar können auch mit einer soliden Erfahrungskompetenz viele Probleme vorhergesehen werden. Wesentlich sicherer ist jedoch eine Kombination aus Erfahrungskompetenz und Simulationsergebnissen. Wir werden später noch darauf zurückkommen, wie Unternehmen A den Preis für die Simulation senken kann.

Unternehmen B baut seit 30 Jahren höchst zuverlässige Werkzeugmaschinen ohne zu simulieren. Es liegt eine hohe Erfahrungskompetenz vor. Aktuell möchte das Unternehmen die Maschinengenauigkeit derart erhöhen, dass der Markt für Hochpräzisionsmaschinen erschlossen werden kann. Einige auf Erfahrungswerten basierende Ansätze sind gescheitert. Das Unternehmen geht davon aus, dass es keine Simulation braucht, weil es seit 30 Jahren ohne Simulation hervorragende Maschinen baut. Dieses Unternehmen wird sicher auch ohne Simulation weiter hervorragende Maschinen bauen. Jedoch könnte die Simulation der Schlüssel sein, um unentdecktes Optimierungspotenzial zu entdecken und die Maschinengenauigkeit in den erforderlichen Bereich zu erhöhen. Wir würden diesem Unternehmen in jedem Fall zur Simulation raten.

Zu guter Letzt baut Unternehmen C ein sicherheitskritisches Bauteil für Druckbehälter in Atomkraftwerken. Jede Baureihe muss laut Norm fünffach in einem realen Versuch bis zum Bersten belastet werden. Die Simulation des Anrisses und des Rissfortschritts ist höchst komplex und rechenzeitintensiv. Zudem hängen die Simulationsergebnisse stark von den Werkstoffkennwerten ab, welche von Charge zu Charge variieren. Da das Unternehmen ohnehin für jede Baureihe fünf Versuche durchführen muss, ist der zusätzliche Aufwand für eine Simulation zunächst nicht lohnenswert. Wir würden dem Unternehmen für diese Anwendung von der Simulation abraten. Denn wir sehen unsere Aufgabe auch darin zu vermeiden, dass unnötige Kosten für Simulationen entstehen. Numerische Simulation ist nicht immer der Schlüssel zum Erfolg. Eine Ausnahme würde die Optimierung des o.g. Produkts darstellen, wenn die Simulation hierzu wertvolle Erkenntnisse liefern würde, welche der Versuch nicht liefert.

Finden Sie sich in einem der Fallbeispiele wieder? Gerne eruieren oder besprechen wir potentielle Simulationsaufgaben in Ihrem Unternehmen mit Ihnen. Die Beurteilung von Kosten und Nutzen liefert letztendlich immer den Schlüssel dazu, welche Simulationsaufgaben Sie sinnvollerweise umsetzen sollten.

Numerische Simulation als externe Berechnungsdienstleistung oder mit einer eigenen Berechnungsabteilung?

Diese Frage stellt sich zwangsläufig direkt nachdem oder parallel zur vorherigen Frage. Abgesehen von allen Vorteilen, die eine interne Berechnungsabteilung bringen kann, sollten die Kosten der erste Ansatzpunkt für die Beurteilung sein.

Zurück zu Unternehmen A. Wie oben beschrieben, ist die Simulation von jedem neuen Umformprozess für dieses Unternehmen unumgänglich. Im Durchschnitt wird alle zwei Monate eine Simulation bei einem externen Ingenieurbüro in Auftrag gegeben. Wie oben beschrieben kostet eine Simulation 5.000,-€. Zusätzlich benötigt ein Mitarbeiter fünf Stunden für die Aufbereitung der Daten und fünf Stunden für die Kommunikation mit dem externen Büro und die Diskussion der Ergebnisse. Wir rechnen mit einen Stundensatz von 30,-€ für einen internen Mitarbeiter. Insgesamt kostet eine Simulation also 5.300,-€. Es entstehen jährliche Kosten von 31.800,-€ für Simulation.

Was würde es kosten, wenn das Unternehmen die Simulationen intern mit einer Open-Source-Software durchführt?

Wir gehen davon aus, dass Unternehmen A über einen Mitarbeiter verfügt, der Maschinenbau oder einen ähnlichen Studiengang absolviert hat. Zudem war dieser Mitarbeiter gut in allen Fächern die mit Technischer Mechanik zu tun haben und kann sich für numerische Simulation begeistern. Vorkenntnisse in numerischer Simulation besitzt dieser Mitarbeiter nicht.

Wir würden dem Unternehmen empfehlen die Umformsimulationen mit Code_Aster durchzuführen. Code_Aster bietet den hierfür benötigten Funktionsumfang voll und ganz. Zusätzlich ist die Software vielfältig einsetzbar. Somit können zukünftig auch andere Simulationsaufgaben im Unternehmen gelöst werden. Der o.g. Mitarbeiter benötigt also zunächst eine Grundausbildung in Code_Aster und auch in numerischer Simulation. Er würde den kompletten Einführungskurs in die Finite Elemente Analyse mit Code_Aster aus unserem Kursprogramm besuchen. Hier würden ihm im ersten Teil die notwendigen theoretischen Grundlagen auf anwendungsorientiere Weise vermittelt. Im zweiten und dritten Teil würde er im Umgang mit Code_Aster geschult. Die Gesamtkosten für den Kurs betragen 2.750,-€. Da unsere Dozenten am Ende jedes Schulungstages noch über eine Stunde für die individuelle Betreuung zur Verfügung stehen, kann der Mitarbeiter viele Fragen bzgl. der anstehenden Umformsimulation direkt stellen. Ein Großteil der Schulungsteilnehmer ist zu diesem Zeitpunkt erfahrungsgemäß schon in der Lage Simulationen selbstständig durchzuführen. Da wir jedoch konservativ rechnen möchten, gehen wir davon aus, dass der Mitarbeiter zusätzliche Supportstunden in Anspruch nimmt.

Es wird beschlossen, dass wir das erste Modell gemeinsam mit dem Mitarbeiter aufbauen. Der FEM-Einsteiger kann so wertvolle Erfahrungen bei der Zusammenarbeit mit erfahrenen Experten sammeln und wird dadurch sicherer im Umgang mit Code_Aster. Zusätzlich legen wir gemeinsam die optimalen Kontaktalgorithmen, Solver und Parameter für die Simulation fest. Abschließend führen wir mit dem Mitarbeiter noch die erste Konvergenzanalyse und Ergebnisbewertung durch. Zu guter Letzt erstellen wir noch einige Macros die dem Mitarbeiter das Pre- und Postprocessing erleichtern. Hierdurch wird die Arbeitszeit pro Simulation im Alltagsgeschäft minimiert. Der Mitarbeiter benötigt für die gesamte Simulation inkl. Ergebnisbewertung sechs Stunden. Für die Datenaufbereitung benötigt er weiterhin fünf Stunden. Insgesamt berechnen wir Supportzeiten in Höhe von 20 Stunden mit einem Stundensatz von 90,-€.

Fassen wir die Kosten noch einmal zusammen:

Der Einführungskurs kostet 2.750,-€ und dauert fünf Tage. Hierdurch entstehen für den freigestellten Mitarbeiter zusätzliche Lohnkosten von 1.200,-€.

Die erste Simulation wird mit uns gemeinsam durchgeführt und dauert inkl. Optimierung 20 Stunden. Die Supportkosten betragen 1.800,-€, die Lohnkosten für den Mitarbeiter 600,-€.

Die fünf weiteren Simulationen in diesem Jahr führt der Mitarbeiter allein durch. Er braucht elf Stunden pro Simulation. Es entstehen Lohnkosten von 330,-€ pro Simulation, also insgesamt 1.650,-€. Da wir eine Open-Source-Software verwenden entstehen keine Lizenzkosten. Das Unternehmen bekommt regelmäßig kostenfreie Updates für die Software. Jedoch wird ein leistungsstarker Rechner für 6.000,-€ angeschafft.

Die kosten für numerische Simulation betragen in diesem Jahr somit nur noch 14.000,-€. Bei der Vergabe an ein externes Büro sind bisher Kosten in Höhe von 31.800,-€ entstanden. Das Unternehmen spart in diesem Jahr 17.800,-€ in der Kostenstelle Umformsimulation ein. Jedoch waren die Kosten für die Integration der numerischen Simulation in den 14.000,-€ schon enthalten. Im zweiten Jahr fallen diese Kosten nicht mehr an.

Im zweiten Jahr führt der Mitarbeiter die sechs Simulationen völlig selbstständig durch und braucht pro Simulation elf Stunden. Es entstehen Kosten von 1.980,-€. Das Unternehmen spart in diesem Jahr 29.820,-€ in der Kostenstelle numerische Simulation, was einer Kostenreduktion von ca. 94% entspricht.

Zusätzlich entstehen durch die interne Durchführung der Simulationen viele weitere Vorteile. Schnellere Reaktionszeiten, weniger Fehler durch weniger Kommunikationsschnittstellten und weniger Abhängigkeit von externen Dienstleistern sind nur einige Vorteile. Ist die Simulation in einem Unternehmen erst einmal nutzbar, wird häufig in vielen anderen Projekten auch simuliert. Bei korrekter Anwendung führt dies meistens zu kürzeren Entwicklungszeiten, niedrigeren Kosten und besseren Produkten. Die Wettbewerbsfähigkeit steigt so immens.

Sicher ist dies ein Paradebeispiel für die Nutzung von Open-Source-Software in einem Unternehmen. Die Zahlen, Kosten und Daten sind frei erfunden. Sie orientieren sich jedoch an unserer jahrelangen Erfahrung. Evtl. können Sie eine ähnliche Kalkulation für ihr Unternehmen anfertigen um festzustellen, ob Sie die Kosten ähnlich reduzieren können? Die Nutzung von Open-Source-Software in der industriellen Praxis birgt ein immenses Potential für Optimierung und Einsparungen. Hierbei ist es egal, ob Sie die numerische Simulation bereits in irgendeiner Art und Weise nützen, oder neu einsteigen möchten. Wichtig ist jedoch immer das richtige und planvolle Vorgehen.

Hierbei möchten wir Ihnen gern behilflich sein. Wie im o.g. Fallbeispiel verdeutlicht, bekommen Sie bei uns alle Dienstleistungen rund um die Einführung und Nutzung numerischer Simulation aus einer Hand. Die Zusammenstellung einzelner Dienstleistungspakete und das richtige Vorgehen muss für jedes Unternehmen individuell beurteilt werden. Die Anforderungen sind häufig stark unterschiedlich. Gerne bieten wir Ihnen ein kostenfreies Beratungsgespräch zu diesem Thema an. Sprechen Sie uns an!

Gerne nehmen wir Anregungen und Kritik zu unseren Fallbeispielen und Ausführungen entgegen!

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