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.

In unserem ersten Blog-Artikel Digitaler Zwilling und Virtueller Prototyp in Industrie 4.0 – Simulation macht sie lebendig haben wir zunächst die Begriffe Digitaler Zwilling, Virtueller Prototyp und Simulationsmodell definiert.

Anschließend haben wir erklärt, warum Simulationsmodelle in der Produktentwicklung das Fundament für den Einsatz von Digitalen Zwillingen bilden.

In unserem zweiten Blog-Artikel Simulation in der Produktentwicklung – der schnelle Weg zu optimalen Produkten und Fertigungsprozessen haben wir gezeigt, welche Chancen und Herausforderungen der Einsatz von Simulation mit sich bringt.

Wenn es uns mit diesen Artikeln gelungen ist unsere Begeisterung für Simulation mit Ihnen zu teilen, haben Sie sich vielleicht schon gefragt:

Wie wird der Einsatz von Simulationsmodellen konkret in die Tat umgesetzt?

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Um diese Frage zu beantworten, müssen wir den Begriff Simulation zunächst noch mit etwas mehr Leben füllen.

Um ein Simulationsmodell für eine konkrete Fragestellung aufzubauen, werden Simulationsmethoden und Simulationssoftware verwendet.

Je nachdem welche physikalische Fragestellung Sie primär beschäftigt benötigen Sie unterschiedliche Simulationsmethoden und eine passende Simulationssoftware für die praktische Umsetzung.

Wir werden uns in diesem Artikel zunächst mit einer der wichtigsten Simulationsmethoden im Maschinenbau widmen, der

Finite Elemente Methode.

Die Finite Elemente Methode (FEM) wird häufig auch als FEM Berechnung oder Finite Elemente Analyse (FEA) bezeichnet. Sie ist eine der meistverwendeten numerischen Simulationsmethoden.

Die FEM Berechnung kann zur Analyse von Fragestellungen aus der Strukturmechanik (Statik/Dynamik), der Wärmeübertragung und sogar zur Behandlung elektrischer bzw. elektormagnetischer Probleme verwendet werden. Beginnen wir mit der Frage:

Was kann die FEM Berechnung im Produktentwicklungsprozess für uns leisten?

In der Produktentwicklung sind Baugruppen von Maschinen und Anlagen zu dimensionieren. Je nach Anwendung müssen hierfür unterschiedliche Fragen beantwortet werden. Für jede Baugruppe ist zu prüfen, ob sie den Belastungen standhält.

Bei dynamischen Belastungen ist, abhängig von den Lastkollektiven, die Betriebs- oder Dauerfestigkeit sicherzustellen.

Wenn die Verformungen im Sinne der Funktion bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten dürfen (z.B. Wellen, Kräne, Brücken) muss dies zusätzlich geprüft werden.

All diese Fragen lassen sich für beliebig komplexe Baugruppen und Maschinen mit der FEM Berechnung beantworten.

Statt mit trockener Theorie wollen wir Ihnen die FEM an einem konkreten Beispiel vorstellen. Als Anwendungsbeispiel haben wir hierfür einen auskragenden Träger, der mittels einer angeschweißten Platte an eine Wand angeschraubt wird, ausgewählt.

Nachfolgendes Bild zeigt das Verformungsfeld des zugehörigen Simulationsmodells, welches mit der FEM Berechnung ermittelt wurde. Hierfür wurde die Open-Source-Simulationsumgebung Salome-Meca mit dem integrierten FEM-Solver Code_Aster verwendet.

Die Verformungen u(x,y,z) werden auf der Oberfläche des Biegebalkens dargestellt und erlauben dem Betrachter eine anschauliche Zuordnung der Werte u zu den Positionen (x,y,z) auf dem Balken.

Verläufe von Verformungen, Spannungen, Temperaturen usw. sind typische Ergebnisse von FEM Berechnungen. Es handelt sich hierbei um sog. ortsabhängige Feldgrößen. Die oben gezeigte Art der Darstellung von Feldgrößen wird als Konturplot bezeichnet.

Noch ein Effekt wird sichtbar: Die FEM Berechnung ist ein Werkzeug, um den Verlauf physikalischer Größen an nahezu beliebig geformten Bauteilen zu berechnen. Häufig sind komplexere Geometrien als der dargestellte Träger zu behandeln.

Sogar im hier vorliegenden Beispiel können mit der „Handrechnung“ (z.B. Kragbalkenformel) nur die Nennspannungen im Anschluss berechnet werden und nicht die lokalen Spannungs-Peaks in der Schweißnaht.

FEM Berechnung – von der Differentialgleichung zum praktischen Ergebnis

Physikalische Zusammenhänge werden in Differentialgleichungen formuliert, wie für eine Platte unter gleichförmig verteiltem Druck

Die Frage ist, wie wir diese Differentialgleichungen lösen. Denn die gesuchte Größe ist das Verformungsfeld u(x,y).

In den Differentialgleichungen stehen Ableitungen dieser Feldgröße. Wir können die Gleichung also nicht einfach nach der gesuchten Größe umstellen.

Die Lösung ist mathematisch nicht einfach, weil wir eine zur Geometrie passende Ansatzfunktion benötigen.

Diese zu finden, wird immer schwerer, je komplexer die Geometrie ist. Somit wird die Lösung für komplexe Geometrien auf diesem Weg schwer bis unmöglich.

Für einfache Geometrien, wie Dreiecke und Tetraeder, finden wir problemlos Ansatzfunktionen und die Differentialgleichungen wird lösbar.

Baut man eine Struktur aus diesen Geometrien, den Finiten Elementen, auf (das nennt man Diskretisierung oder Vernetzen) und fügt sie an den Knoten mathematisch zusammen, entsteht ein großes lineares Gleichungssystem.

Durch die Diskretisierung wandeln wir also komplexe Differentialgleichungen in eine größere Menge gewöhnlicher linearer Gleichungen um.

So erhalten wir oft sehr große lineare Gleichungssysteme die problemlos durch Computer gelöst werden können. Wir verringern so die Komplexität, erhöhen aber den Arbeitsaufwand.

Das ist aber kein Problem, weil diese einfache Arbeit problemlos ein Rechner für uns erledigen kann. Wir müssen nur noch warten.

Als Ergebnis liefert die FEM Berechnung uns die Verläufe verschiedenster physikalischer Feldgrößen, wie Spannungen und Verformungen, über die vernetzte Struktur.

Dieser Verlauf verrät weit mehr über das Geschehen in der Struktur, als es durch Messungen an realen Prototypen möglich wäre.

Messungen liefern nur Einzelwerte an ausgesuchten Messstellen.

Die Anzahl der Messstellen ist i.d.R. über das verfügbare Budget für die Messtechnik begrenzt.

Ein weiterer Nachteil des Messens ist, dass offen bleibt, was zwischen den Messstellen passiert.

Die Messung ist allerdings eine hervorragende Möglichkeit, um Simulationsmodelle an einzelnen Stellen zu validieren. Die große Bandbreite der Erkenntnisse liefert dann oft das Simulationsmodell.

Ablauf einer FEM Berechnung

Eine FEM Berechnung besteht aus drei Arbeitsbereichen:

• Aufbau des Simulationsmodells (Präprozessing),
• Rechenlauf und
• Auswertung (Postprozessing).

Es kann sich eine Optimierung anschließen, die wir zur Vereinfachung nicht betrachten.

Der Aufbau des Simulationsmodells erfolgt schrittweise.

Zuerst wird die Geometrie erstellt oder aus einem CAD-Programm übernommen und es werden alle erforderlichen Definitionen, z.B. für das Aufbringen von Belastungen, durchgeführt.

Nachfolgende Abbildung zeigt ein Beispiel dieses Präprozessings in Salome-Meca.

Anschließend wird die so erstellte Geometrie mit Finiten Elementen vernetzt. Funktionen für die Netzgenerierung nehmen dem Anwender die meiste Arbeit ab.

Die Finite-Elemente-Methode liefert eine Näherungslösung deren Abbildungsgüte von der Netzgenerierung abhängt. Es gibt immer eine Abweichung vom realen Verlauf der betrachteten physikalischen Größen. Sie wird auch als Abbildungsgüte bezeichnet und kann durch die lokale Verfeinerung des Netzes verbessert werden.

Ist die Netzgenerierung abgeschlossen, werden die Verschiebungsrandbedingungen und die Lasten definiert.

Zu unterscheiden ist zwischen:

• Festhaltungen,
• Einzellasten und Drücken
• Klebekontakten,
• Couplings und
• nichtlinearen Kontakten.

Festhaltungen blockieren alle Freiheitsgrade eines Knotens (ui = 0). Damit wird eine unendliche Steifigkeit modelliert, die so in der Realität nicht vorkommt. Um unphysikalische Effekte zu vermeiden, müssen Festhaltungen mit Bedacht eingesetzt werden.

Ähnliches gilt für die Kopplung von einer Gruppe von Knoten mit der Starrkörperbewegung eines Referenzknotens (Coupling). Bei Klebekontakten, also der Verbindung von Knoten unterschiedlicher Elemente, erfahren die verbundenen Knoten dieselbe Verschiebung.

Können die Oberflächen von in Kontakt befindlichen Bauteilen sich unter Belastung voneinander lösen, wie es bei Schraubverbindungen und Wälzlagern der Fall ist, werden nichtlineare Kontakte eingesetzt.

Im Zuge der Modelldefinition folgen die Auswahl eines passenden Materialgesetzes und die Eingabe der zugehörigen Parameter, wie E-Modul und Querkontraktionszahl.

Hinzu kommen die nötigen Angaben für den Lauf des FEM-Gleichungslösers, wie Anzahl der zu nutzenden Prozessoren und Konvergenzkriterien.

Schließlich muss noch festgelegt werden, welche Größen in die Ergebnisdateien der FEM Berechnung auszugeben sind.

Das können

• Verschiebungen,
• Verzerrungen,
• Spannungen,
• Vergleichsspannungen,
• Temperaturen

und viele andere Werte sein, die in der Struktur feldartig verteilt sind.

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Verschiedene Bereiche der Physik in der FEM Berechnung nutzen

Jede FEM Software unterstützt verschiedene Bereiche der Physik, wie Statik und Dynamik in der Festkörpermechanik, Thermodynamik, Bruchmechanik und Wechselwirkungen, wie Fluid-Struktur-Interaktion. Neben grundlegenden Funktionen werden häufig eigene Module angeboten, die ausgewählte Teilbereiche der Physik unterstützen.

Über interne und externe Kopplungen können mehrere physikalische Domänen in einer FEM Berechnung zusammenwirken. Anwendungen der Thermo-Hydro-Mechanik und Fluid-Struktur-Interaktionen sind eindrucksvolle Beispiele hierfür.

Die Kopplung verschiedener physikalischer Domänen kann innerhalb eines FEM Programmes erfolgen. Sind die nötigen Schnittstellen vorhanden, können auch verschiedene Simulationssoftware-Tools für eine gekoppelte Analyse eingesetzt werden.

So werden für eine Fluid-Struktur-Interaktion oft die FEM- und CFD-Solver unterschiedliche Softwarepakete gekoppelt

Die FEM Berechnung bietet unschlagbare Vorteile im Maschinenbau

Der Einsatz der FEM Berechnung in der Produktentwicklung hat viele praktische Vorteile, von denen wir hier einige erörtern. Die größten Vorteile liegen häufig in der Einsparung von Kosten und Zeit.

Ein großer Teil der Kosteneinsparung ergibt sich, wenn reale Prototypen teilweise oder ganz eingespart werden können. Am Ende dieses Artikels liefern wir Ihnen hierzu noch ein einfaches Zahlenbeispiel.

Die FEM Berechnung gehört im Ingenieurwesen zu den meistverwendeten numerischen Methoden.

Deshalb sind viele Artikel, Berichte, Beispielrechnungen und Kontakte in Internetforen dazu verfügbar. Materialmodelle für häufig eingesetzten Werkstoffe, wie Stahl, Aluminium und Faserverbundwerkstoffe ermöglichen Vergleichsrechnungen mit dem Ziel der Materialeinsparung, des Leichtbaues und der Verringerung der Umweltbelastung.

Simulationen mit der FEM Berechnung bieten viel mehr Informationsgehalt als Messergebnisse.

Dadurch entsteht eine neue, weit umfangreichere Basis für Ideen und die Produktoptimierung. Dieser Punkt sollte nicht unterschätzt werden, weil er hilft, im Wettbewerb wichtige Vorteile durch Innovationen zu sichern.

Die Rechenergebnisse werden als Verläufe im berechneten Bauteil ermittelt. Der Erkenntnisgewinn ist nicht nur punktuell, wie bei einem Messwert.

Die FEM Berechnung ermöglicht die isolierte Betrachtung einzelner Bauteile mittels äquivalenter Randbedingungen.

Es muss nicht das ganze System gebaut werden, wie bei einem realen Prototyp, um einzelne Komponenten zu testen. Die fehlenden Bauteile können mit Randbedingungen simuliert werden.

Im Simulationsmodell können physikalische Gesetze nach Bedarf ein- und ausgeschaltet werden. Der Anwender gewinnt genaue Erkenntnisse über die Einflussgrößen.

Auch in der Anwendung der FEM Berechnung wächst die Flexibilität. Liegt das FEM-Modell vor, kann es für verschiedene Simulationen eingesetzt werden.

An einem realen Prototyp müsste dagegen jedesmal der Versuchsaufbau geändert werden.

Oft ist der Raum für die Anbringung und Verkabelung von Sensoren an einem Maschinenbauteil nicht gegeben oder die Notwendigkeit dafür wird erst nach dem Zusammenbau erkannt. In diesen Fällen spart FEM-Simulation viel Zeit und Geld.

Hohe Realitätsnähe durch nichtlineare FEM Berechnung

Zur Steigerung der Realitätsnähe einer FEM Berechnung können Nichtlinearitäten berücksichtigt werden. Es werden drei Arten von nichtlinearen Effekten unterschieden:

• nichtlineare Kinematikmodelle (große Verformungen),
• nichtlineares Materialverhalten,
• nichtlinearer Kontakt.

Bei den nichtlinearen Verformungen sind die großen Rotationen von besonderem Interesse.

Für die Abbildung von nichtlinearem Materialverhalten existieren zahlreiche Stoffgesetze für nichtlineare Elastizität, Plastizität, Anisotropie, Temperaturabhängigkeit der Stoffwerte usw.

Mit nichtlinearem Kontakt kann die Berührung und Ablösung von Bauteilen, d.h. Strukturvariabilität, untersucht werden.

Auch die Veränderung einer Kontaktfläche bei Erhöhung der Anpresskraft (Hertzsche Pressung) lässt sich mit dem nichtlinearen Kontakt im Unterschied zum linearen Kontakt, auch als Klebekontakt bezeichnet, darstellen.

Kostensenkung mit FEM Berechnung

Vor der Einführung von FEM Berechnung ist es hilfreich, Rechenschaft über die bisherige Vorgehensweise abzulegen. In vielen Unternehmen werden noch heute reale Prototypen eingesetzt, um Funktion und Belastbarkeit der Produkte sicherzustellen.

Nicht selten wird dafür ein intuitives Try & Error-Verfahren angewendet. Den Beteiligten ist oft nicht bewusst, dass es sich so lange um einen realen Prototyp handelt, bis alles funktioniert. Das gilt auch für den Bau eines Einzelstückes, wie einer Sondermaschine.

Der Preis ist, dass die Produkte häufig überdimensioniert und unnötig teuer in der Herstellung sind. Würde stattdessen von Anfang an ein Virtueller Prototyp mit Simulation genutzt, könnten auch bei geringen Stückzahlen hohe Potenziale für Kosteneinsparung und Qualitätserhöhung abgeschöpft werden.

Gleichzeitig steigt die Termintreue und die Belastung für die Mitarbeiter sinkt. Wie so oft im Leben ist auch hier alles eine Frage der Konsequenz.

Zahlenbeispiel für Kostensenkung

Die positive Veränderung gegenüber der konventionellen Vorgehensweise lässt sich in Zahlen leicht abschätzen. Betrachten wir dafür ein einfaches Beispiel.

Die Kosten für einen Prototyp liegen typischerweise im 4- oder 5-stelligen Bereich. Gehen wir zunächst vereinfachend davon aus, dass die realen Prototypen komplett eingespart werden. Sind normalerweise 10 reale Prototypen mit Kosten von je 5.000 Euro pro Jahr zu fertigen, ergeben sich hierfür Kosten von

10 x 5.000,- € = 50.000,- €.

Die Einsparungen, welche mit der FEM Berechnung zu erreichen sind, lassen sich so einfach ausrechnen.

Werden durch den Einsatz der FEM Berechnung alle realen Prototypen eingespart, ergeben sich Kostensenkungen von bis zu 50.000,- €.

50.000 EUR Einsparung in einem Jahr sind ein üppiges Budget um eine eigene Simulationsstrategie zu entwickeln und das nötige Simulations-Know-How aufzubauen.

Diese Rechnung wird nach unserer Erfahrung in Unternehmen selten gemacht. Hier liegt viel verschenktes Geld und viel Potenzial für leicht verdiente Wettbewerbsvorteile.

Wird eine FEM Freeware (Open-Source-Software) für die FEM Berechnung genutzt, ergibt sich zusätzlich ein hoher wirtschaftlicher Vorteil gegenüber Unternehmen, die kommerzielle Simulationsoftware einsetzen.

Schließlich müssen diese Unternehmen die jährlichen Lizenzkosten auf ihre Kundenprojekte umlegen.

In meinem Artikel „Entwicklungskosten mit Simulation um 90% senken“ finden Sie eine ausführlichere Berechnung der möglichen Kostenersparnisse anhand eines konkreten Fallbeispiels.

Anwendungsbeispiel Festigkeitsberechnung einer Halterung mit der FEM Berechnung

Nachfolgend sehen Sie das diskretisierte Simulationsmodell (links) und den Konturplot der von-Mises-Vergleichsspannungen für eine einfache Festigkeitsberechnung eines Halters.

Es wird deutlich, dass die maximalen Spannungen (50 N/mm²) weit unterhalb der Fließgrenze (207 N/mm²) des verwendeten Materials liegen. Es ergibt sich eine Sicherheit von ca. 4 gegen Fließen.

Wir würden sagen: Hier kann ruhig noch etwas Material eingespart und optimiert werden. Gerade wenn es sich um ein Serienteil handelt, ist dies äußerst lohnenswert.

Haben Sie noch Fragen zur FEM Berechnung oder gibt es noch Unklarheiten? Setzen Sie die Finite Elemente Analyse bereits in Ihrem Unternehmen ein? Hat unser Artikel Ihr Interesse am Einsatz von Simulationsmodellen geweckt? Ich freue mich auf Ihre Fragen und Ihr Feedback in den Kommentaren.

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Der Beitrag FEM Berechnung – Eine anwendungsorientierte Einführung in die Finite Elemente Methode 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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Der Beitrag Simulation in der Produktentwicklung – der schnelle Weg zu optimalen Produkten und Fertigungsprozessen erschien zuerst auf Vonstein & Partner.

Das ist gut, denn digitale Zwillinge regen zum Nachdenken über die Abläufe im eigenen Produktentstehungsprozess an.

Begriffe, wie Industrie 4.0, virtueller Prototyp und Simulation kursieren und müssen mit möglichst einheitlicher Bedeutung gefüllt werden.

In diesem Blog-Beitrag möchten wir Ihnen einen Überblick über die Bedeutung dieser Begriffe geben und ein gemeinsames Verständnis aufbauen.

Die Diskussion über den digitalen Zwilling ist dabei keineswegs abgehoben und akademisch. Sie bringt die industrielle Anwendung der digitalen Transformation auf den Punkt, auch in kleinen und mittelständischen Unternehmen.

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Digitaler Zwilling treibt die Digitalisierung im Produktentstehungsprozess voran

Zu erwarten ist, dass die Entwicklung neuer Schnittstellen-Standards und einer eigenen Sprache für die Kommunikation des Digitalen Zwillings schon in näherer Zukunft für Unternehmen ganz praktische Auswirkungen haben wird.

Um die Tragweite dieser Entwicklung zu verstehen, brauchen Sie als Beispiel nur daran zu denken, wie selbstverständlich der Download von CAD-Dateien für Zukaufteile für den Konstrukteur heute ist.

Früher reichten ihm die Kataloge der Hersteller von Maschinenkomponenten, wie Schrauben, Ventile und Sicherheitsschalter. Heute erwartet er ganz selbstverständlich, die CAD-Dateien dieser Maschinenkomponenten im Internet zum Download vorzufinden, um sie in die eigenen CAD-Modelle hineinzukopieren.

Hersteller, die die CAD-Dateien ihrer Produkte nicht zum Download in bekannten Formaten wie IGES, STEP und VDA-FS anbieten, haben einen schweren Stand. Eine ähnliche Entwicklung darf im Hinblick auf den digitalen Zwilling erwartet werden.

Am Ball bleiben wird nur, wer in der Lage ist, seine eigenen Digitalen Zwillinge, Virtuellen Prototypen und Simulationsmodelle mit denen anderer Hersteller und Kunden kommunizieren zu lassen.

Konzertierte Aktion schafft Klarheit – Plattform Industrie 4.0

Unter der Leitung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie, des Bundesministeriums für Bildung und Forschung und einer Reihe von namhaften Industrieverbänden und -unternehmen entwickelt die Plattform Industrie 4.0 ein umfassendes Angebot von Informationen und Strategien für die digitale Transformation der Produktion in Deutschland.

In Anlehnung an Plattform Industrie 4.0 und andere Quellen geben wir hier unser Verständnis der Begriffe Digitaler Zwilling, virtueller Prototyp und Simulation wieder.

Unsere Darstellung erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit und Allgemeingültigkeit, sondern soll Ihnen das Lesen in unseren Beiträgen erleichtern.

Unterschiede Digitaler Zwilling, Virtueller Prototyp und Simulationsmodell

Digitaler Zwilling

Der Digitale Zwilling ist nach unserem Verständnis ein Datencontainer, auch als Verwaltungsschale bezeichnet. In ihm sind die Daten, die im Laufe eines Produktlebenszyklus gesammelt werden, gespeichert. Die Speicherung geschieht in sogenannten Teilmodellen.

Jedes Teilmodell steht für die Daten einer bestimmten Anwendung, die für Entwicklung, Produktion, Vertrieb und Wartung eines Produktes erzeugt werden.

Der Digitale Zwilling ist ein virtuelles Modell des realen Produktes.

Er unterscheidet sich vom Virtuellen Prototypen durch die zusätzlich gespeicherten Daten für die Herstellung, Nutzung und Wartung des Produktes und seiner einzelnen Instanzen.

Virtueller Prototyp

Als Virtuellen Prototyp verstehen wir das Pendant zum realen Prototyp. Der Virtuelle Prototyp ist ein digitales Modell eines Maschinenteils oder Produktes. Neben der CAD-Geometrie kann er ein oder mehrere Simulationsmodelle umfassen.

Je nach Detailgrad des Virtuellen Prototyps können Simulationsmodelle für Mechanik, Thermodynamik, Strömung und viele weitere physikalische Fachgebiete zugeordnet werden. Der Virtuelle Prototyp ist ein Teilmodell des Digitalen Zwillings.

Simulationsmodell

Das Simulationsmodell setzt sich aus dem geometrischen Modell, den ausgewählten physikalischen Gesetzen, den Einstellungen für die Berechnung und vielen weiteren Parametern zusammen.

Hinzu kommen die Rechenergebnisse, gegebenenfalls Daten zur Validierung und Aufzeichnungen zu den Auswertungen und abgeleiteten Maßnahmen.

Simulationsmethoden – Werkzeuge für die Erstellung digitaler Zwillinge

In der digitalisierten Produktentwicklung soll der digitale Zwilling (virtuelle Prototyp) reale Prototypen ersetzen, um Kosten zu sparen und frühe, sichere Entscheidungen zu ermöglichen.

Simulationsmethoden, wie FEM, CFD und MKS, sind Werkzeuge, um in der Produktentwicklung digitale Zwillinge zu erstellen.

Auch wenn sie im alltäglichen Sprachgebrauch innerhalb eines Unternehmens nicht als Virtuelle Prototypen bezeichnet werden, sind sie oft schon da, in Form von CAD-Dateien, Simulationsmodellen und sonstigen Aufzeichnungen.

Der digitale Zwilling und der virtuelle Prototyp muss, wie sein reales Pendant, mit Werkzeugen erstellt werden. Die Werkzeuge für die Erstellung digitaler Zwillinge werden von den Simulationsmethoden bereitgehalten.

Mit ihnen sind Daten zu Geometrie, Werkstoff, Randbedingungen, Lasten, anzuwendender Physik (Mechanik, Temperatur, Schwingung), Einstellungen für die Berechnung (Schrittweiten, CPU-Anzahl, Abbruch-Kriterien), Rechenergebnisse, Kommentare und viele weitere Einzelinformationen für den digitalen Zwilling zu erstellen und zu verwalten.

Simulationsmethoden bilden das physikalische Verhalten des digitalen Zwillings ab, indem sie nach der Modellerstellung die Gleichungssysteme lösen. In den folgenden Abschnitten geben wir Ihnen eine kurze Übersicht über diese Methoden.

Kollisionsprüfung im CAD

Ein frühes Einsatzfeld des digitalen Zwillings war die Kollisionsprüfung von Bauteilen im CAD.

Die CAD-Modelle nebeneinander angeordneter Bauteile wurden auf Durchdringung und Montierbarkeit geprüft, um sicherzustellen, dass sie genügend Platz hatten.

Dies stellt bereits eine einfache Form der Simulation mit Virtuellen Prototypen dar. Sie konnte bereits lange vor der Fertigstellung von realen Prototypen durchgeführt werden und bot enorme Kostenvorteile.

FEM in der Festkörpermechanik

Die Finite-Elemente-Methode (FEM) gehört zu den bekanntesten numerischen Verfahren für die Lösung von Gleichungssystemen in der Festkörpermechanik und anderen Fachgebieten des Ingenieurwesens.

Sie wurde in den 60er Jahren des vorigen Jahrhunderts zunächst in der Forschung und in Großunternehmen eingesetzt.

Seit dem Aufkommen leistungsfähiger Desktop-PCs in den 80ern findet die FEM eine breite Anwendung in Maschinenbau, Verfahrenstechnik, Bauingenieurwesen und vielen weiteren Branchen.

Zahlreiche physikalische Phänomene und Gesetze aus Mechanik, Thermodynamik, Schwingungslehre und anderen Disziplinen sind in der FEM abgebildet und können in den verfügbaren FEM-Lösungen abgerufen werden.

FEM-Software steht in Form von kommerziellen Produkten und als Freeware (Open Source Software) in großer Auswahl zur Verfügung.

Der Ablauf einer FEM-Anwendung ist in Modellerstellung (Preprocessing), Rechenlauf und Ergebnisauswertung (Postprocessing) gegliedert.

Die heute verfügbaren Programme bieten viele Funktionen für eine schnelle Modellerstellung. Die Lernkurve der Anwender ist steil, weil die Arbeit am eigenen Produktspektrum die Konzentration auf eine überschaubare Auswahl von Programmfunktionen ermöglicht.

CFD und FSI für Strömungssimulation

Mit Computational Fluid Dynamics (CFD) wird ein eigenständiges Fachgebiet der Simulationsmethoden für die Strömungssimulation bezeichnet.

Strömungssimulation verwendet Navier-Stokes-Gleichungen, Euler-Gleichungen, Potenzialgleichungen und andere Systeme, die mit verschiedenen numerischen Methoden gelöst werden.

CFD galt lange Zeit als Thema mit sehr hohem Anspruch an das physikalische Verständnis der Anwender und die Rechnerleistung. Inzwischen sind CFD-Systeme mit komfortablen Benutzeroberflächen entwickelt worden, die die Konstrukteure bei vielen alltäglichen Simulationsaufgaben unterstützen.

Sie laufen auf der im Konstruktionsbüro üblichen Hardware, ermöglichen aber auch Rechenläufe auf Großrechnern. Mit der Verbindung von CFD und FEM sind Fluid-Struktur-Interaktionen (FSI) zu untersuchen.

MKS / EMKS Mehrkörpersimulation

Optisch nicht ganz so eindrucksvoll, in der praktischen Anwendung aber nicht minder bedeutsam ist die Mehrkörpersimulation (MKS).

In der MKS werden Anordnungen von starren Festkörper nahezu unabhängig von ihrer realen Geometrie betrachtet. Ziel ist die Untersuchung des kinematischen Systems, dass die stark vereinfachten Körper zusammen mit idealisierten Gelenkverbindungen bilden.

Die Bewegung der Mehrkörpersysteme wird durch Differentialgleichungen beschrieben, die auf dem Rechner gelöst werden. Ist das elastische Verhalten eines Festkörpers nicht zu vernachlässigen, wird von einem elastischen Mehrkörpersystem (EMKS) gesprochen. Es kann mit einer Kopplung der Methoden von MKS und FEM untersucht werden.

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Digitale Zwillinge, Virtuelle Prototypen und Simulationsmodelle in der industriellen Praxis

Im einfachsten Fall wird ein Virtueller Prototyp bereits durch ein einzelnes Simulationsmodell abgebildet und dient zur Klärung der offenen Fragestellungen.

Ein Virtueller Prototyp, der für eine einfache FEM-Simulation mit einem linear-elastischen Materialgesetz genutzt wird, kann im Produktentwicklungsprozess frühzeitig entscheidende Hinweise auf die Tauglichkeit der Konstruktion liefern.

Natürlich kann ein Virtueller Prototyp auch aus mehreren Simulationsmodellen bestehen, um verschiedene Aspekte des physikalischen Verhaltens zu erfassen.

Ein Beispiel ist der Virtuelle Prototyp einer Werkzeugmaschine mit einem FEM-Simulationsmodell für die Verformung des Gestells, einem MKS-Modell für das dynamische Verhalten von Spindel, Werkzeug, Werkstück, Antrieb und Getriebe und einem CFD-Modell für die Kühlung des Prozesses mit Schneidflüssigkeit.

Simulationsmodelle sind ein wesentlicher Bestandteil des Digitalen Zwillings

Der Digitale Zwilling ist als ein universeller Datencontainer zu verstehen, der einen Produkttyp und seine einzelnen Instanzen durch den Produktlebenszyklus begleitet.

Er kann ein oder mehrere Teilmodelle enthalten, die bestimmten Anwendungen, wie einem Simulationsprogramm, zugeordnet sind.

Wird ein Simulationsmodell für eine Berechnung, wie für die linear-elastische Simulation eines Maschinenhebels, angefertigt, steht ein Teilmodell im Digitalen Zwilling für die Speicherung der Eingabedaten und Rechenergebnisse über den gesamten Produktlebenszyklus zur Verfügung.

Dem aufmerksamen Leser wird sich die Frage aufdrängen, wieso Simulationsmodelle ein „wesentlicher“ Bestandteil des Digitalen Zwillings sind.

Die Antwort ist aus unserer Sicht recht einfach: Die Simulation der Reaktion eines Maschinenbauteils oder Virtuellen Prototyps macht aus einer bloßen Datensammlung ein im virtuellen Raum lebendiges Objekt.

Sein Verhalten als Reaktion auf äußere und innere Belastungen kann in nahezu beliebiger Genauigkeit studiert werden.

Der Anwender wird damit vom Datensammler zum Beobachter und gewinnt tiefe Einsicht in das Funktionieren des Virtuellen Prototyps. Deshalb sind Simulationsmodelle für die Nutzung des Digitalen Zwillings wesentlich.

Simulationsmodelle bilden das Fundament für den Virtuellen Prototyp

Simulationsmodelle bilden das Fundament für die virtuelle Beschreibung der physikalischen Eigenschaften von Produkten und Fertigungsprozessen.

Die Beschreibung der physikalischen Eigenschaften erfolgt in Simulationsmodellen nicht nur über einzelne Parameter, sondern über virtuelle Funktionen, also Rechenläufe, die das physikalische Verhalten des Produktes untersuchen und für den Betrachter nachvollziehbar, d.h. optisch, wiedergeben.

Bei der Simulation geht es um das Verhalten des Virtuellen Prototyps, nicht nur um starre physikalische Werte, wie Farbe, Höhe, Gewicht, Drehzahl und Steckertyp.

Wie sehen Sie die Rolle der Simulation im Kontext von Digitalisierung und Industrie 4.0? Wie ist Ihr Verständnis der Begriffe Digitaler Zwilling, Virtueller Prototyp und Simulationsmodell? Wir freuen und auf Ihr Feedback!

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