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.

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.

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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.

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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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Starting-Simulation-Guide ...

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Dazu gibt es den Bonus-Guide: In 9 Schritten die passende Open-Source-Simulationssoftware für Ihr Unternehmen auswählen.

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Der Beitrag Simulation in der Produktentwicklung – der schnelle Weg zu optimalen Produkten und Fertigungsprozessen erschien zuerst auf Vonstein & Partner.