Viele Unternehmen und Freiberufler wünschen sich derzeit mithilfe von Digitalen Zwillingen das mechanische Verhalten von Produkten oder Fertigungsprozessen bereits vor der Herstellung erster realer Prototypen zu simulieren.

Durch den Einsatz von Digitalen Zwillingen bzw. Simulation sind Sie der Konkurrenz einen Schritt voraus. Das hatte ich bereits in diesem Artikel (KLICK) beschrieben.

Leider nutzen trotzdem viele Unternehmen und Freiberufler keine Digitalen Zwillinge, obwohl sie sich hiermit einen signifikanten Wettbewerbsvorteil sichern können.

Denn in vielen Fällen werden Digitale Zwillinge mittels FEM oder CFD Simulation aufgebaut. Hierfür wird eine Simulationssoftware benötigt.

Viele Unternehmen und Freiberufler schrecken aufgrund der hohen Lizenzkosten für kommerzielle Simulationssoftware davor zurück, diese zu nutzen.

Geht es Ihnen ähnlich? Sie wollen FEM Simulation nutzen? Die Fixkosten für kommerzielle Simulationssoftware sind Ihnen aber zu hoch?

FEM Freeware ist ihr Ausweg aus diesem Konflikt und dieser Blog-Artikel zeigt Ihnen, wie Sie schnell und sicher einsteigen.

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Was ist FEM Freeware?

Sicher haben Sie schonmal von Freeware oder Open Source Software gehört.

Ich meine Software, die Sie völlig kostenfrei nutzen dürfen.

Das Betriebssystem LINUX ist hier das populärste Beispiel. LINUX wird unter der GNU General Public License (GPL) veröffentlicht.

Software, die unter GPL veröffentlicht wird, darf kostenfrei uneingeschränkt privat und kommerziell genutzt werden.

Eine leistungsfähige Simulationssoftware, die unter der Lizenz GPL veröffentlicht wird, dürfen Sie also kostenfrei für all ihre kommerziellen Simulationsprojekte einsetzen.

So sparen Sie sich die Lizenzkosten für kommerzielle Simulationssoftware.

Vor kurzem habe ich bei einem Beratungsgespräch dem Geschäftsführer eines Konstruktionsbüros davon erzählt. Er hatte seit längerem Kundenanfragen, die den Einsatz von Simulation erfordern. Die hohen Lizenzgebühren für kommerzielle Software haben ihn aber immer abgeschreckt. Er musste diese Aufträge meist ablehnen.

Wissen Sie was er geantwortet hat?

„Ich habe seit längerem darüber nachgedacht, ob es eine Simulationssoftware gibt die man ähnlich wie LINUX kostenfrei nutzen darf. Aber ich habe nie danach gesucht, weil ich dachte das wäre zu schön, um wahr zu sein oder es hat dann irgendeinen Haken.“

Ich konnte ihm sagen:

„Ja! Es gibt eine leistungsfähige Simulationssoftware, die für die industrielle Anwendung geeignet ist und die sie kostenfrei uneingeschränkt kommerziell nutzen dürfen. Und das Ganze hat keinen Haken.“

Er war total begeistert und mir macht es sehr viel Freude der Überbringer solch großartiger Lösungsansätze zu sein.

Im nächsten Schritt werde ich dann aber immer gefragt:

„Wenn FEM Freeware kostenfrei und leistungsfähig ist, warum nutzt dann überhaupt noch jemand kommerzielle Software?“

Damit beschäftigen wir und im nächsten Abschnitt.

Warum wird FEM Freeware so selten eingesetzt?

Meiner Erfahrung nach gibt es hierfür zwei Gründe:

• FEM Freeware ist weitestgehend unbekannt, weil niemand für sie Werbung macht.
• Viele haben Vorbehalte FEM Freeware einzusetzen.

Die Entwickler von FEM Freeware bzw. freier Software im Allgemeinen haben keine Gewinnerzielungsabsichten. Es ist daher nur verständlich, dass sie weder viel Zeit noch Geld in Werbung für Ihre freie Software investieren können oder wollen.

Potenzielle Nutzer erfahren somit meist nur von FEM Freeware, wenn sie gezielt danach suchen oder Ihnen die Software weiterempfohlen wird.

Viele Potenzielle Nutzer, die auf diesen Wegen von FEM Freeware erfahren, sind begeistert, aber auch skeptisch.

Tief in uns allen verankert sind zwei Grundprinzipien einer kapitalistisch geprägten Gesellschaft:

• Im Vergleich zu teurer kommerzieller Simulationssoftware kann eine FEM Freeware nur viel schlechter sein, einfach weil sie kein Geld kostet.
• Wenn uns jemand etwas umsonst gibt, kann das nur irgendeinen Haken haben.

In vielen Fällen stimmt das auch. Um zu verstehen, warum es bei FEM Freeware nicht so ist, müssen wir die Philosophie derer verstehen, die Open Source Software entwickeln.

In der Open Source Community geht es nicht darum Geld mit der Software zu verdienen. Die Entwickler verdienen Geld auf anderen Wegen oder machen diese Arbeit als Hobby.

Es gibt z.B. auch Unternehmen die intern entwickelte Software der Open Source Community bereitstellen.

Ziel ist es, die Weiterentwicklung der Software zu fördern, indem man externen Nutzern und Entwicklern Zugang zu ihr gibt. Der Nutzerkreis im Unternehmen ist meist recht klein.

Ziel ist es meistens auch, dass alle kostenfrei von der Software profitieren können und dafür jeder der die Möglichkeit hat etwas beiträgt.

In unserer kapitalistisch geprägten Welt hört sich das vielleicht utopisch an. Aber das ist die Philosophie der Open Source Community.

Sie funktioniert erwiesenermaßen seit Jahrzehnten hervorragend und bringt immer leistungsfähigere Software in die Anwendung.

Um unsere Vorbehalte gegen FEM Freeware zu eliminieren und in vollem Umfang davon zu profitieren müssen wir diese Philosophie verstehen.

Sind potentielle Nutzer erstmal von überzeugt fragen Sie meistens:

„Welche FEM Freeware würden Sie mir empfehlen?“

Damit beschäftigen wir und im nächsten Abschnitt.

Wie Sie die richtige FEM Freeware auswählen

Wir müssen uns zunächst auf zwei Dinge einigen:

• Es gibt eine große Menge an freier Software. Diese Menge ist dynamisch, weil jeder, freie Software zum Download anbieten kann.
• Es existiert keine verpflichtende Qualitätskontrolle. Deshalb gibt es gravierende Unterschiede zwischen der verfügbaren FEM Freeware.

Ob Sie FEM Freeware erfolgreich einsetzen oder nicht hängt somit wesentlich davon ab, ob Sie die richtige FEM Freeware aus der großen Menge an verfügbaren Tools auswählen.

Schlechte Erfahrungen mit FEM Freeware basieren häufig auf der Entscheidung für eine ungeeignete Software.

Im Wesentlichen muss eine FEM Freeware nachfolgende Kriterien erfüllen damit Sie diese erfolgreich einsetzen können:

1. Sie müssen die FEM Freeware uneingeschränkt nutzen dürfen. Nicht nur privat, sondern auch kommerziell.
2. Es muss sichergestellt sein, dass die FEM Freeware dauerhaft frei verfügbar ist und auch regelmäßig weiterentwickelt wird.
3. Es muss einen transparenten Prozess zur Qualitätssicherung geben, der sicherstellt, dass die Simulationsergebnisse valide sind. Dies ist auch die Voraussetzung dafür, dass die FEM Freeware von den maßgeblichen Prüfstellen (z.B. TÜV) anerkannt wird.
4. Sie müssen mit der FEM Freeware Ihre technischen Systeme modellieren also Ihre unternehmensspezifischen Fragestellungen lösen können.
5. Die Benutzerfreundlichkeit muss so hoch sein, dass Sie und Ihre Mitarbeiter die FEM Freeware komfortabel im industriellen Alltag bedienen können.

Als ich 2012 das Ingenieurbüro Vonstein & Partner gegründet habe war von vorneherein klar, dass ich hierfür uneingeschränkten Zugang zu einer Simulationssoftware benötige. Die ganze Geschichte finden Sie hier (KLICK).

Es war aber auch klar, dass ich mir am Anfang keine kommerzielle Simulationssoftware wie z.B. ANSYS oder ABAQUS leisten kann.

Ich habe zu FEM Freeware recherchiert und stand vor der gleichen Herausforderung.

Ich musste mich für eine FEM Freeware entscheiden, in die ich Zeit investiere und die mir in den nächsten Jahren gute Dienste leisten wird.

Ich habe mich damals für Salome-Meca entschieden und bin mit dieser Entscheidung bis heute absolut zufrieden.

Seit 2012 habe ich Salome-Meca bei jedem FEM Projekt eingesetzt. Und das waren sehr viele völlig unterschiedliche Simulationsprojekte.

Unter der vielen heute verfügbaren FEM Freeware nimmt Salome-Meca einen Sonderstatus ein. Warum, dass werde ich nachfolgend erklären.

Salome-Meca vereint den Pre- und Postprozessor Salome und den leistungsfähigen FEM Solver Code Aster in einer Simulationsumgebung.

Die FEM Freeware wird seit 1989 von dem französischen Energieversorger Életricité de France SA (EDF) entwickelt und wurde dann 1999 unter den Bedingungen der GPL als Open Source Software freigegeben.

Das bedeutet: Sie dürfen Salome-Meca kostenfrei uneingeschränkt kommerziell nutzen!

Salome-Meca ist kein „Spaß-Projekt“ von Hobby-Programmierern oder Doktoranden.

Die FEM Freeware wird von EDF zur Analyse hochgradig sicherheitskritischer Komponenten in nuklearen Anlagen genutzt und muss deshalb hohe Sicherheitsstandards erfüllen.

Hierfür wird die Software regelmäßig mit über 6.000 Testfällen (u.a. NAFEMS-Benchmarks) verifiziert und validiert.

Ungefähr 70 Ingenieure arbeiten bei EDF mit Salome-Meca täglich an der Weiterentwicklung von Kraftwerks-Komponenten. Auch bei den Zulieferern von EDF ist die Software im Einsatz

Durchschnittlich 30 Ingenieure und Programmierer arbeiten dauerhaft an der Weiterentwicklung von Salome-Meca und Code Aster. Auf dieser Grundlage erscheint jedes Jahr eine neue freie Version.

Das Anwendungsspektrum geht von der klassischen nichtlinearen Festkörpermechanik über thermische Analysen bis in die Spezialgebiete der Akustik.

Mit der FEM Freeware können deshalb alle gewöhnlichen industriellen Fragestellungen im Maschinenbau und maschinenbaunahen Branchen bearbeitet werden

Durch die vorgenannten Punkte wird Salome-Meca bei allen Prüfstellen anerkannt.

Kurzum erfüllt Salome-Meca so alle o.g. Kriterien, verfügt über eine hervorragende Benutzerfreundlichkeit und ist zudem einfach zu installieren.

Wenn Sie sich nicht lange selbst nach einer geeigneten FEM Freeware suchen möchten, dann ist Salome-Meca mein heißer Tipp für Sie.

Deshalb erkläre ich Ihnen nachfolgend wie Sie schnell und sicher in die Nutzung von Salome-Meca einsteigen.

Installation der FEM Freeware Salome-Meca

Salome-Meca und Code Aster wurden ursprünglich von EDF für das Open Source Betriebssystem LINUX entwickelt. Die FEM Freeware konnte deshalb für lange Zeit nur von Unternehmen und Freiberuflern eingesetzt werden, die über mindestens einen LINUX-Rechner verfügten.

Für viele Unternehmen und Freiberufler war das eine unüberwindbare Einstiegshürde. Die wachsenden IT-Sicherheitsanforderungen machen es in vielen Unternehmen unmöglich einen LINUX-Rechner zu betreiben.

Zusätzlich schrecken viele potenzielle Nutzer unbegründeter weise davor zurück LINUX einzusetzen. Wir sind einfach alle sehr an Windows gewöhnt.

Es musste also eine Windows-Version her, um die Einstiegshürde zu senken und die Verbreitung weiter zu fördern.

Im Rahmen eines Crowdfundings haben die Entwickler von SimulEase eine Windows-Version von Salome-Meca erstellt. Für die Windows-Version gelten die gleichen Lizenzbedingungen wie für die LINUX-Version.

Sie können also auch die Windows-Version kostenfrei uneingeschränkt kommerziell nutzen!

Weitere Informationen zum Crowdfunding (KLICK) finden Sie hier!

Alle Informationen zur Installation der aktuellen Version Salome-Meca 2021 finden Sie hier (KLICK)!

Wenn Sie sich für die LINUX-Version der FEM Freeware Salome-Meca interessieren, dann finden Sie hier (KLICK) alle nötigen Informationen für die Installation.

Nachdem Sie die FEM Freeware Salome-Meca erfolgreich installiert haben möchten Sie diese sicher sofort für die Lösung Ihrer Fragestellungen einsetzen.

Nachfolgend finden Sie deshalb die besten Tipps, mit denen Sie sich einarbeiten können.

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Wie Sie sich in die FEM Freeware Salome-Meca einarbeiten

Einer der reizvollsten Vorteile von FEM Freeware ist, dass es eine große Menge an hochwertigen Lehrmaterialien gibt, mit denen Sie sich kostenfrei oder kostengünstig in die Softwareanwendung einarbeiten können.

Es ist Teil der Open Source Philosophie, dass Nutzer ihr Wissen kostenfrei an den Rest der Open Source Gemeinschaft weitergeben. Häufig in Form von YouTube-Tutorials oder E-Books die zum kostenfreien Download angeboten werden.

Ein weiterer Vorteil ist, dass FEM Freeware über offene Schnittstellen verfügt und sich deshalb problemlos miteinander kombinieren lässt. Die ganzheitliche Simulationsumgebung Salome-Meca ist somit nur ein Weg Code Aster zu nutzen.

Wie oben beschrieben kombiniert Salome-Meca den Präprozessor Salome mit dem FEM Solver Code Aster.

Zum Verständnis unterteilen wir das Präprozessing in seine Teilschritte:

• Geometrievorbereitung
• Vernetzen (Diskretisierung)
• Modelldefinition

Für Geometrievorbereitung und Vernetzung besteht alternativ die Möglichkeit den Open Source Präprozessor Gmsh zu verwenden, um nur eine Variante zu nennen.

Auch im Hinblick auf die Modelldefinition gibt es mehrere Möglichkeiten. Es wird grundsätzlich zwischen zwei Wegen unterschieden:

• Modelldefinition über ein Input-File: Randbedingungen und Belastungen werden in einer Text-Datei definiert. Hierfür muss eine vordefinierte Syntax eingehalten werden. Der FEM Solver liest diese Text-Datei ein und interpretiert die einzelnen Befehle.
• Modelldefinition über eine grafische Benutzeroberfläche: Das Modell wird also „zusammengeklickt“. Die grafische Benutzeroberfläche erstellt dann das Input-File und stellt es dem FEM Solver zur Verfügung.

Anfänger bevorzugen meistens die Modelldefinition über eine grafische Benutzeroberfläche. So müssen sie nicht parallel zu allen anderen Herausforderungen auch noch die Syntax des Input-Files erlernen.

Mit zunehmender Professionalisierung steigen die meisten Nutzer dann auf die Modelldefinition über ein Input-File um, da dieses Vorgehen effektiver und leichter zu automatisieren ist.

Die FEM Freeware Salome-Meca hat den Vorteil, dass beide Vorgehensweisen unterstützt werden. Das integrierte Tool AsterStudy ermöglicht eine vollgrafische Modelldefinition. Zusätzlich erleichtert AsterStudy aber auch den Umstieg auf die Modelldefinition via Input-File.

Was wir also festhalten können ist:

• Es gibt unterschiedliche Workflows für die Durchführung eines Simulationsprojekts.
• Sie haben unterschiedliche Vor- und Nachteile.

Der Grund, warum ich an dieser Stelle so ausführlich darüberschreibe, ist folgender:

Alle Lehrmaterialien, die Sie im Internet finden, favorisieren einen bestimmten Workflow.

Wenn Sie also im Internet nach Lehrmaterialien suchen, gehen Sie wie folgt vor:

• Legen Sie den für Sie derzeit passenden Work-Flow fest.
• Suchen Sie dann gezielt nach Lehrmaterialien, die den von Ihnen ausgewählten Work-Flow unterstützen.

Ich empfehle Einsteigern immer für das Präprozessing Salome zu verwenden und die Modelldefinition vollgrafisch über AsterStudy zu erledigen. In unseren Einführungs-Seminaren haben wir die Erfahrung gemacht, dass der Einstieg so am besten gelingt.

Bei meinen nachfolgenden Empfehlungen gehe ich deshalb insbesondere darauf ein, welchen Präprozessor und welche Variante der Modelldefinition die Lehrmaterialien favorisieren.

Wenn Sie vertiefende Informationen zum Work-Flow von einer Finite Elemente Analyse suchen, empfehle ich Ihnen das Buch „Pratical Finite Element Analysis for Mechanical Engineers“ von Dominique Madier.

Oder den Besuch unseres Seminars „Einführung in die Finite-Elemente-Analyse von Baugruppen mit Salome-Meca und Code_Aster“.

Hier gehen wir ausführlich auf den Work-Flow des gesamten Simulationsprojekts ein.

Ich empfehle Ihnen unser Einführungs-Seminar oder das Buch von Dominique Madier auch um sich nötige Simulations-Know-How jenseits der Softwareanwendung anzueignen.

Gemeint ist hiermit z.B. Fachwissen zur mechanischen Modellierung oder zur Spannungsbewertung.

Die besten Lehrmaterialien zur FEM Freeware Salome-Meca

YouTube-Tutorials

Sehr zu empfehlen sind die YouTube-Tutorials von Cyprien Rusu. Mit seinem Projekt „FEAforAll“ leistet er einen großen Beitrag zur Simulation Democratization.

In seinen Tutorials zu Salome-Meca orientiert er sich 1:1 am oben empfohlenen Work-Flow.

Hier (KLICK) geht’s direkt zu seinem YouTube-Kanal, der auch abseits der Software-Anwendung viele spannende Tutorials rund um das Thema Simulation enthält.

Hier (KLICK) geht’s direkt zu seinen Salome-Meca Tutorials.

E-Books von Dharmit Thakore

Die Lehrbücher von Dharmit Thakore sind nicht kostenfrei, aber sehr kostengünstig. Sie orientieren sich 1:1 am oben empfohlenen Work-Flow. Dharmit erklärt den Einsatz der FEM Freeware Salome-Meca leicht verständlich und sehr unterhaltsam.

Wenn Sie ernsthaft in die Nutzung der FEM Freeware Salome-Meca einsteigen möchten, finden Sie mit diesen Büchern einen kostengünstigen Einstieg. Die Bücher enthalten fast ausschließlich Übungen. Wenn Sie die Bücher komplett durcharbeiten, sind Sie ein ganzes Stück weiter.

Hier (KLICK) geht’s direkt zum Download.

E-Book von Jean-Pierre Aubry

Das kostenfreie E-Book

„Beginning with code_aster – A practical introduction to finite element method using code_aster and Gmsh“

von Jean-Pierre Aubry gibt auf 351 Seiten eine hervorragende Übersicht über das Funktionsspektrum von Code Aster und jede Menge Hintergrundinformationen.

Einziger Nachteil für Einsteiger ist: Im Buch wird ein Work-Flow mit dem Präprozessor GMSH und der Modelldefinition über Input-Files favorisiert. Wenn man das weiß, eignet es sich jedoch trotzdem ganz hervorragend als ergänzendes Nachschlagewerk.

Sie können das Buch hier (KLICK) kostenfrei herunterladen.

Code Aster Forum

Wenn Sie dann mal individuelle Fragen haben, kann ich Ihnen das Code Aster Forum sehr an Herz legen. Hier schreiben und unterstützen die Entwickler von Code Aster selbst. Zudem wurden viele Fragen schon mal gestellt.

In den bestehenden Beiträgen finden Sie also für viele bekannte Herausforderungen schon Lösungen. Legen Sie einen Account an und stellen Sie Ihre Frage. Ich bin mir sicher Ihnen wird geholfen.

Hier geht es direkt zum Forum (KLICK).

Mit den vorgenannten Lehrmaterialien können Sie sich autodidaktisch in die FEM Freeware Salome-Meca einarbeiten. Dieses Vorgehen hat den Vorteil das es sehr kostengünstig aber mitunter sehr zeitintensiv ist.

Zusätzlich eignet sich autodidaktisches Lernen nicht für jeden. Manch einer besucht lieber Seminare.

Ein gutes Seminar kann den Zeitbedarf für den Know-How-Aufbau extrem verkürzen, weil die Dozenten das Wissen individuell auf Ihre Ausgangssituation und Anforderungen zuschneiden.

Suchen Sie nach einer Möglichkeit innerhalb von 3 Tagen die Anwendung der FEM Freeware Salome Meca und zusätzlich die erforderlichen theoretischen Grundlagen zu erlernen?

Dann ist unser Seminar

„Einführung in die Finite-Elemente-Analyse von Baugruppen mit Salome-Meca und Code_Aster“

genau das richtige für Sie! Wir bieten das Seminar in Präsenz und als Online-Veranstaltung an.

Hier (KLICK) geht’s direkt zur Seminar-Beschreibung.

Damit sind wir am Ende dieses Blog-Artikels. Ich hoffe ich konnte Ihnen auf verständliche und unterhaltsame Weise vermitteln, wie Sie schnell und sicher in die Nutzung von FEM Freeware einsteigen und so zukünftig Ihrer Konkurrenz einen Schritt voraus sind.

Haben Sie das Gefühl Sie können jetzt direkt loslegen oder hält Sie noch etwas vom Einsatz der Simulation in Ihrer Produktentwicklung ab? Haben Sie Fragen oder Anregungen?

Ich freue mich auf Ihre Kommentare!

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Der Beitrag FEM Freeware – Schnell und sicher einsteigen und der Konkurrenz einen Schritt voraus sein erschien zuerst auf Vonstein & Partner.

Die Einsparung von Entwicklungskosten ist für viele Unternehmen eine wichtige Motivation, um Simulation in Ihrer Produktentwicklung zu nutzen.

Simulation ist eine der wirkungsvollsten Methoden um in der Produktentwicklung Kosten zu sparen.

Warum ist das so?

Die Design-Phase legt 90% von Qualität, Kosten und Zeitaufwand fest.

Das haben viele von uns mal irgendwo gelernt!

Das bedeutet aber auch, dass die wichtigsten Entscheidungen bei der Produktentwicklung zu einem Zeitpunkt getroffen werden an dem Produkte und Fertigungsprozesse physisch noch gar nicht existieren.

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Wird im Produktentstehungsprozess also auf eine rein physische Erprobung mit realen Prototypen gesetzt, dann existieren zu diesem Zeitpunkt noch keine verlässlichen Herstellbarkeitsanalysen im konkreten Projekt.

Alle Entscheidungen basieren auf Erfahrungswerten aus abgeschlossenen Projekten, die in vielen Fällen nur bedingt übertragbar auf neuartige Projekte sind.

Simulation ermöglicht eine virtuelle Erprobung von Produkten und Fertigungsprozessen, lange bevor diese real (physisch) existieren. Das ist einer der Gründe warum sie ein so effektives Werkzeug ist um die Entwicklungskosten zu senken.

Nach unserer Erfahrung aus zahlreichen Projekten sind Einsparungen bis zu 90 % möglich.

Wenn ich das erzähle, fange ich mir meist ungläubige Blicke ein! Das ist der Grund warum ich diesen Artikel geschrieben habe. Er zeigt Ihnen anhand einiger einfacher Kalkulationen, wo und in welchem Umfang Einsparungen in der Produktentwicklung durch Simulation zu erzielen sind.

Für diese Artikelserie habe ich drei anschauliche Fallbeispiele aus meinen Kundenprojekten der letzten 10 Jahre herausgegriffen. Ich habe mir hierfür die Einverständniserklärung der jeweiligen Kunden eingeholt.

Verständlicherweise musste ich die Beispiele aber soweit abstrahieren, dass keine Rückschlüsse auf Unternehmensinterna gezogen werden können.

Der Vorteil ist, dass ich hierdurch mit konkreten Zahlenwerten aus den Projekten arbeiten kann. Sicher werden die jeweiligen Angaben von Ihren Kalkulationsgrundlagen abweichen. Jedes Unternehmen ist anders, hat andere Voraussetzungen.

Trotzdem werden Ihnen diese konkreten Zahlenwerte ein gutes Gefühl für das Machbare geben. Zusätzlich ermöglichen die Kalkulationsbeispiele es Ihnen, Ihre Zahlenwerte einzusetzen. Sie bekommen auf diesem Weg eine Anleitung für Ihre eigene Kalkulation, mit der Sie die Einsparungspotenziale in Ihrem Unternehmen aufspüren können.

Ich lade Sie ein, Ihre eigenen unternehmensspezifischen Zahlen in diese Kalkulationen einzusetzen. So können Sie prüfen, ob Sie in Ihrem Unternehmen ähnliche Einsparungen erreichen können.

Was als Plan für einen Blogartikel begonnen hat, ist dann doch eine Artikelserie mit zwei Artikeln geworden. Für einen einzelnen Artikel sind die drei Fallbeispiele zu umfangreich, es wird dann zu unübersichtlich.

Und das sind die drei konkreten Fallbeispiele, die ich mir mit Ihnen in der Artikelserie anschauen möchte:

• Fall 1 | Virtuelle Produktentwicklung eingeführt und dadurch reale Prototypen durch virtuelle Prototypen ersetzt
• Fall 2 | Mitarbeiter zu Simulation Specialist ausgebildet und dadurch ermöglicht, dass Simulationsprojekte intern mit Open-Source-Simulationssoftware durchgeführt werden anstatt extern als Berechnungsdienstleistungen
• Fall 3 | Im kostenfreien Beratungsgespräch festgestellt, dass sich der Einsatz von Simulation im konkreten Fall derzeit nicht lohnt

Fall 1 betrachten wir in Teil 1 der Artikelserie, also in diesem Artikel. Dieser Fall liegt vor, wenn bisher noch gar nicht oder nur selten mit virtuellen Prototypen und Simulation gearbeitet wurde. Das ist in vielen Unternehmen immer noch der Fall und bietet sich in manchen Branchen als einfache Gelegenheit an, ein entscheidendes Alleinstellungsmerkmal aufzubauen.

Für Unternehmen, die regelmäßig Simulationen als Auftrag an Dienstleister vergeben, kann die Umstellung auf interne Durchführung der Simulation aus Kostengründen interessant sein. Damit beschäftigt sich Fall 2. Zusätzlich ist es wichtig zu wissen, dass Simulation nicht immer das Mittel der Wahl ist, wie Fall 3 zeigt.

Die Fälle 2 und 3 betrachten wir im zweiten Teil der Artikelserie. Dieser erscheint in Kürze.

Beginnen wir also mit Fall 1!

Fall 1 | Reale Prototypen durch virtuelle Prototypen ersetzt

In diesem Abschnitt stellen wir Ihnen die Einsparungen der Entwicklungskosten beim Ersatz von realen Prototypen durch virtuelle Prototypen vor. Das Ersetzen von realen Prototypen durch virtuelle Prototypen wird auch als „Einführung der virtuellen Produktentwicklung“ bezeichnet.

Im Hinblick auf die Komplexität des physikalischen Verhaltens sowie der Entwicklungsaufgaben habe ich bewusst ein Beispiel-Projekt mit mittlerem Schwierigkeitsgrad gewählt.

Für die virtuelle Produktentwicklung setzen wir in all unseren Projekten grundsätzlich Open-Source-Simulationssoftware ein.

Wie ist der Vergleich aufgebaut?

Die Kalkulation der Kosten bezieht sich auf ein Produkt, das die Untersuchung und Optimierung eines Strömungsverlaufes erforderlich macht. Zunächst kalkulieren wir die internen und die externen Kosten für den Bau und die Untersuchung realer Prototypen.

Zum Vergleich berechnen wir dann die Kosten für die Erstellung virtueller Prototypen (Simulationsmodelle) und deren Analyse. Hierfür kommt die Strömungssimulation (CFD) zum Einsatz. Für die praktische Umsetzung wird eine Open-Source-Software verwendet.

Was wird in der Kalkulation der Entwicklungskosten berücksichtigt?

Wir gehen davon aus, dass der Bau realer Prototypen typischerweise im Unternehmen selbst stattfindet. Die Kalibrierung von Messeinrichtungen und die Versuchsdurchführung, z.B. im Windkanal, werden dann aber in der Regel an Externe (Prüfanstalten, Ingenieurbüros, Hochschulen) vergeben.

Nach unserer Erfahrung haben insbesondere kleine und mittelständische Unternehmen in vielen Fällen nicht die nötigen Vorrichtungen für den Versuchsaufbau. Wir setzen deshalb neben den internen Personalkosten und den Material- und Herstellkosten für den Prototyp noch externe Kosten für die Versuchsdurchführung an.

Für die Kostenkalkulation der virtuellen Prototypen nehmen wir an, dass die Simulationsprojekte von einem Mitarbeiter intern durchgeführt werden. Im Zuge des Einführungsprojekts wird er durch eine maßgeschneiderte Kombination auf Seminaren und Individual-Coachings zum Simulation Specialist fortgebildet.

Entwicklungskosten für realen Prototyp

Mit den nachfolgenden Aufgaben war ein Mitarbeiter vor der Zusammenarbeit mit uns ca. eine Woche beschäftigt:

• Prototypenbau
• Abstimmung der Versuchsdurchführung mit externem Dienstleister
• Anwesenheit bei der Versuchsdurchführung
• Auswertung und Bewertung der Ergebnisse

Hierdurch ergeben sich interne Personalkosten von: 1 Woche á 40 h x 100 €/h = 4.000,- €

Die Materialkosten für den Prototypenbau betrugen im konkreten Fall 9.200,- €.

Die externen Kosten für Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung betrugen im konkreten Fall 7.200,- €.

Die Versuchskosten für diesen Fall mittlerer Komplexität betragen in Summe 20.400,- €.

Wenn der Prototyp auf Grundlage der Ergebnisse einmal optimiert werden muss, ergeben sich zusätzliche Kosten:

Realen Prototyp optimieren und anpassen (Material- und Personalkosten): 2.000,- €.

Erneute Versuchsdurchführung 4.000,- €.

Interne Personalkosten für Abstimmung und Anwesenheit beim Versuch (3 Tage á 8 h x 100 €/h): 2.400,- €.

Eine Iterationsschleife an einem realen Prototyp kostet also zusätzlich 8.400,- €.

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Entwicklungskosten für alternative Vorgehensweise mit virtueller Produktentwicklung

Wir kalkulieren hier die Kosten für die Einführung von Simulation auf Basis einer Open-Source-Software. Der Mitarbeiter führt sein erstes Simulationsprojekt mit zwei Optimierungsschleifen in der Einführungsphase mit unserer Unterstützung durch. Er nutzt dafür die normalen Arbeitstage und klärt seine Fragen an den Coaching-Tagen.

Einführungskosten für Simulation

Um dem Mitarbeiter einen schnellen, reibungsfreien Einstieg zu ermöglichen, wird er bei der Fortbildung zum Simulation Specialist in zwei Schritten an die eigenständige Durchführung von Simulationsprojekten herangeführt:

1. Aufbau von Basiswissen im Rahmen eines 3-tägigen Einführungs-Seminars: 1.450,- €
2. Aufbau von unternehmensspezifischem Spezialwissen im Rahmen eines 8-wöchigen Individual-Coaching (training on the job): 7.800,- €

Fortbildungskosten: 9.250,- €

Hinzugerechnet werden die internen Personalkosten für Schulung (3 Tage) und Coaching (8 Tage), die für den Mitarbeiter anfallen (11 Tage x 8 h x 100,- EUR/h): 8.800,- €

Heute ist die Leistungsfähigkeit einer CAD-Workstation nach aktuellem Stand der Technik für die meisten Simulationen in der industriellen Anwendung ausreichend. Im Beispielunternehmen waren diese zahlreich vorhanden. Deshalb fallen keine Hardwarekosten an.

Und das beste: Da wir die Open-Source-Simulationssoftware Code_Saturne eingesetzt haben, fallen keine laufenden Softwarelizenzgebühren an.

Das Beispielunternehmen konnte somit das gesamte Budget in die Fortbildung der Mitarbeiter investieren.

Die Gesamtkosten für die Einführung (Fortbildung + interne Personalkosten) betrugen 18.050,- €.

Entwicklungskosten für Simulation und Optimierung eines neuen Produktes nach Abschluss der Einführungsphase

Nach der Fortbildung ist der Mitarbeiter fähig, in 3 Tagen das Simulationsmodell aufzubauen und die Simulationsergebnisse zu bewerten. Für jede Iteration zur Optimierung des Produkts auf Grundlage der Simulationsergebnisse benötigt er 1 Tag. Es fallen nur interne Personalkosten und keine Softwarelizenzkosten an.

Die Kosten für den virtuellen Prototyp eines neuen Produktes liegen dann bei (24 h x 100,- €/h): 2.400,- €.

Jede zusätzliche Iteration zur Optimierung kostet einen Arbeitstag (8 x 100,- €/h): 800 €.

Eingesparte Entwicklungskosten bei zwei Iterationsschleifen

Im Beispielunternehmen sind im Durchschnitt zwei Iterationen bis zum optimalen Produkt (optimale Strömungsgeometrie) nötig. Davon ausgehend ergibt sich für den Vergleich zwischen Produktentwicklung mit realen Prototypen und der virtuellen Produktentwicklung mit Open-Source-Simulationssoftware und eigenen Mitarbeitern das folgende Bild:

Produktentwicklung mit realen Prototypen bei 2 Iterationen: 37.200,- €.

Produktentwicklung mit virtuellen Prototypen (2 Iterationen): 4000,- €.

Kosteneinsparung: 33.200,- € (89 %).

Bevor sich Unternehmen für die Einführung der Simulation entscheiden wird häufig gefragt:

Wann hat sich diese Investition amortisiert?

Die Kosten für die Einführung der Simulation betrugen in diesem Projekt 18.050,- €.

Die Einsparung der Entwicklungskosten im ersten Projekt dass der Mitarbeiter eigenständig abwickelt betrugen 33.200,-€.

Die Kosten haben sich also schon nach dem ersten Simulationsprojekt amortisiert, dass der Mitarbeiter eigenständig abwickelt! Zusätzlich ergibt sich in diesem ersten Projekt dann immer noch eine Ersparnis der Kosten in der Produktentwicklung von 15.150,-€.

Bei allen nachfolgenden Projekten liegt die Ersparnis bei ca. 90 %.

Einsparung von Entwicklungskosten in Abhängigkeit der notwendigen Optimierungs-Iterationen

Wir erleben es in der Praxis oft, dass bei komplexen Projekten nicht nur 3, sondern bis zu 10 und mehr Anpassungen am realen Prototyp erforderlich sind, bis das Produkt die Anforderungen im Betrieb erfüllt.

Natürlich explodieren dann die Kosten und es wird immer schwieriger, den Projektplan einzuhalten.

Die Anpassung und Optimierung virtueller Prototypen erfolgt (selbstverständlich) rein virtuell. Das geht schnell und erfordert keinen physischen Material- und Arbeitseinsatz. Die Anpassung realer Prototypen ist wesentlich zeitaufwendiger und verursacht zusätzlich den Verbrauch von Rohstoffen und Maschinenstunden (Verschleiß, Energiekosten).

Das erklärt warum eine Optimierungsschleife mit virtuellen Prototypen wesentlich geringere Entwicklungskosten verursacht als eine Optimierungsschleife mit realen Prototypen. Deshalb steigen die Einsparungen bei den Entwicklungskosten deshalb mit der Anzahl der erforderlichen Optimierungsschleifen leicht an.

Diesen Effekt verdeutlichen wir im konkreten Beispiel, wenn wir die Kostenentwicklung in Abhängigkeit der erforderlichen Iterationsschleifen für einen realen und einen virtuellen Prototyp in einem Diagramm vergleichen.

Es ist deutlich zu erkennen, dass die Entwicklungskosten bei realen Prototypen mit jeder erforderlichen Iterationsschleife viel stärker ansteigen als bei den virtuellen Prototypen. Das absolute Einsparpotential ist deshalb besonders groß, wenn bei der Produktentwicklung viele Iterationsschleifen notwendig sind, damit das Produkt den Anforderungen im Betrieb standhält.

Dies ist in vielen Fällen bei der Entwicklung komplexer Anlagen im Sondermaschinenbau der Fall.

Da sich hier die Entwicklungskosten häufig auf eine geringe Stückzahl verteilen sind Einsparungen besonders relevant. Nachfolgendes Diagramm zeigt die Entwicklung der Ersparnis in Abhängigkeit der Iterationen.

Sollten in einem aufwendigen Projekt also mal 8 Iterationen notwendig sein, liegt die Ersparnis im konkreten Fallbeispiel bei fast 80.000,-€. In Relation zu den Entwicklungskosten bei der Produktentwicklung mit realen Prototypen (87.600,- €) liegt die relative Ersparnis hier bei 91 %.

Wenn wir diesen Wert mit der Ersparnis bei 2 Iterationen (89 %) vergleichen fällt auf, dass die relative Ersparnis mit der Anzahl der Iterationen sogar noch leicht zunimmt. Logischerweise wird die Produktentwicklung mit virtuellen Prototypen immer lohnenswerter, je optimierungsintensiver die Produktentwicklung ist.

Aber mehr ehrlich, bei einer ungefähren Ersparnis von 90 %, wen interessiert da schon ob es jetzt 89 % oder 91 % sind!?

Zusätzlich ist, insbesondere bei sicherheits- oder prozesskritischen Komponenten in großen Anlagen, bei einem Schadensfall mit hohen Schadensersatzforderungen für

• Personen- und Sachschäden,
• stillstehende Fertigungseinrichtungen,
• Konventionalstrafen,
• Umsatzausfälle,

zu rechnen

Die Erfahrung zeigt, dass es bei der Arbeit mit realen Prototypen häufig nicht möglich ist frühzeitig und umfangreich zu prüfen, ob Bauteile den Betriebsbelastungen standhalten. Dies führt zu Schadensfällen, die mit der virtuellen Produktentwicklung zu vermieden sind. Das macht den Einsatz von virtueller Produktentwicklung nochmals lohnenswerter.

Fazit zu Entwicklungskosten

Meine erstes Fallbeispiel zeigt, dass der strategische Einsatz der virtuellen Produktentwicklung in Kombination mit Open-Source-Simulationssoftware Einsparungen bei den Entwicklungskosten von bis zu 90 % ermöglicht. Zu begründen ist dies im konkreten Fall mit der immensen Kostenersparnis beim Einsatz virtueller Prototypen anstatt realer Prototypen.

Schon wenige virtuelle Prototypen genügen, um durch Einsparungen ein Mehrfaches der Kosten für die Einführung von Simulation mit Open-Source-Code zurückzugewinnen. Je mehr Iterationsschleifen für die Reifung eines Prototyps benötigt werden, desto wirtschaftlicher wird der Einsatz von Simulation, wie die Diagramme verdeutlichen.

Hinzu kommt noch ein Effekt der sich im Hinblick auf den „Return of Invest“ gar nicht so genau quantifizieren lässt. Für mich ist es aber der faszinierendste Vorteil bei der Einführung virtueller Produktentwicklung:

Simulation ermöglicht Ihnen viel leichter hochwertige Produkte und optimale Fertigungsprozesse zu entwickeln. In der Produktentwicklung werden Sie so schneller, flexibler und sicherer. Ihre Produkte werden besser und günstiger als die Ihrer Mitbewerber. Sie können stärker auf die individuellen Bedürfnisse Ihrer Kunden eingehen.

Mit der Zeit führt das zu mehr Kundenzufriedenheit und ist so ein unschlagbarer Wettbewerbsvorteil. Welche finanziellen Vorteile entstehen lässt sich im Vorfeld schwer abschätzen. Der „Return of Invest“ und die Verbesserung der Gesamtsituation sind aber i.d.R. immens.

Wenn Sie die Wettbewerbsfähigkeit Ihres Unternehmens schnell und mit geringem finanziellem Einsatz steigern wollen, dann ist Simulation mit Open-Source-Software sicher eine gute Idee. Wo sonst können Sie ohne den Einkauf teurer Hard- und Software derart hohe Einsparpotenziale abschöpfen!

Mich fasziniert das! Wie sieht es bei Ihnen aus?

Jedoch treten diese Vorteile nicht zwangsläufig ein, wenn man eine Simulationssoftware installiert und einen Lehrgang besucht. Entscheidend ist, dass Sie eine Simulations-Strategie entwickeln, die zu Ihrem Unternehmen passt.

Nur wenn man die virtuelle Produktentwicklung strategisch und zielgerichtet einsetzt sind solch großartige Ergebnisse möglich. Dafür ist es auch wichtig über das Know-How zur Softwarebedienung hinaus das nötige Hintergrundwissen im Unternehmen aufzubauen.

Im zweiten Teil meiner Artikelserie „Entwicklungskosten mit Simulation um 90% senken“ betrachten wir die Fälle 2 und 3.

• Fall 2 | Mitarbeiter zu Simulation Specialist ausgebildet und dadurch ermöglicht, dass Simulationsprojekte intern mit Open-Source-Simulationssoftware durchgeführt werden anstatt extern als Berechnungsdienstleistungen
• Fall 3 | Im kostenfreien Beratungsgespräch festgestellt, dass sich der Einsatz von Simulation im konkreten Fall derzeit nicht lohnt.

Der zweite Teil erscheint in Kürze!

Eine Einsparung von 90 % wird sicher nicht für alle Unternehmen zutreffen. Dennoch zeigt unsere Erfahrung aus vielen Kundenprojekten regelmäßig ein so großes Einsparpotenzial, dass wir Ihnen eine eigene Kalkulation empfehlen.

Schauen Sie doch mal mit einer überschlägigen Rechnung, welche Kosteneinsparungen in Ihrem Unternehmen durch Simulation möglich sind. Ich lade Sie einfach meine an die Zahlen Ihres Unternehmens anzupassen

Jetzt bin ich gespannt auf Ihr Feedback zu meinem Fallbeispiel.

Können Sie sich ähnliche Ersparnisse und Vorteile auch in Ihrem Unternehmen vorstellen? Oder sind Sie der Meinung, dass dies in Ihrem Unternehmen nicht möglich ist?

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Der Beitrag Entwicklungskosten mit Simulation um 90% senken erschien zuerst auf Vonstein & Partner.