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20.11.2019

Dr. Martin Herrmann zur zentralen Rolle der Simulation im Produktentstehungsprozess

Simulation Driven Design auch für den Mittelstand

Im Fertigungsumfeld sind simulative Verfahren zunehmend gefragt, weil sie Prozesse schneller, effizienter, flexibler und sicherer machen können. Für die Produktentwicklung hat sich der Ansatz des Simulation Driven Design etabliert. Flugzeugbau und Automobilindustrie sind hier vorangegangen aber Dr. Martin Herrmann erwartet eine „Demokratisierung“ von Simulationen auch im Mittelstand. Die CENIT-Redaktion fragte nach, wie Unternehmen Simulation Driven Design optimal nutzen können, was die Einführung verändert und wie sie am besten zu gestalten ist. 

Herr Dr. Herrmann, wie würden Sie als Experte die Vorzüge von Simulation Driven Design auf den Punkt bringen?

Mit Simulation Driven Design (SDD) können Konstrukteure bereits in frühen Entwicklungsphasen feststellen, ob ein Bauteil seine Funktion erfüllen kann. Sie können verschiedene Varianten bewerten, Vor- und Nachteile abwägen und sich dann für eine optimale Lösung entscheiden. Optimal zum Beispiel in punkto Wirtschaftlichkeit, Qualität oder Toleranzen – je nach Anforderung. Der Zeitpunkt spielt eine entscheidende Rolle: Je früher simuliert und optimiert wird, desto kostengünstiger sind die daraus resultierenden Änderungen. Liegt der Bauraum einmal fest, sind Varianten teuer oder auch gar nicht mehr möglich.

 

Je früher simuliert und optimiert wird, desto kostengünstiger sind die daraus resultierenden Änderungen. Liegt der Bauraum einmal fest, sind Varianten teuer oder auch gar nicht mehr möglich.

Wie sieht die beste Vorgehensweise bei Simulation Driven Design aus?

Im Optimalfall wird SDD bereits in einem frühen Stadium genutzt. Am besten schon in der Konzeptphase, in der die Grundgeometrie festgelegt wird. Danach folgt die eigentliche Entwurfsphase mit der Optimierung einzelner Parameter. Bis zu diesem Zeitpunkt hat der Konstrukteur oft nur sein einzelnes Bauteil betrachtet. Ob es auch im Zusammenspiel mit anderen Bauteilen funktioniert, muss anschließend überprüft und verifiziert werden. Additive Fertigungsverfahren ermöglichen danach einen ersten Praxistest für die Geometrie – ohne die hohen Kosten eines konventionellen Prototyps. Dieses Teil kann der Konstrukteur nacharbeiten, indem er zum Beispiel die Wandstärken so verändert, dass es später in der Herstellung keine Probleme gibt. Abschließend folgt der eigentliche Produktionsprozess, der vielfach auch simuliert werden kann.

Produktentstehungsprozess mit und ohne Simulation Driven Design

 

Wie und wo unterstützt SDD den Konstrukteur konkret?

Der Konstrukteur muss werkstoff- und fertigungsgerecht konstruieren – und natürlich soll das entstehende Teil am Ende auch seine Funktion erfüllen. Ein wesentlicher Bestandteil dafür ist die Festigkeit. Wenn der Konstrukteur keine Hilfsmittel hat, kann er ausschließlich auf sein Wissen und seine Erfahrung zurückgreifen. SDD hilft beispielsweise dem Konstrukteur, die richtige Geometrie für das Bauteil zu finden. Dabei hat er viel Spielraum. Um diese Freiheiten zu nutzen, braucht er aber Unterstützung: Mit SDD kann man im Idealfall nur den Bauraum vorgeben, dazu die Verbindungspunkte mit dem Rest der Strukturen sowie die auftretenden Belastungen. Daraus berechnet die Software dann eine optimale Geometrie.

Mit Model Based System Engineering kann der Konstrukteur alternativ dazu auch ohne Geometriedaten entscheidende Parameter finden und optimieren. Diese Simulation arbeitet eine Abstraktionsebene höher auf Basis eines Systementwurfs und analysiert die Grundfunktionen einer Maschine, die wiederum von mehreren Parametern abhängig sind. Das können beispielsweise die Kennfelder eines Antriebs sein – also die Leistung bei einer gewissen Drehzahl. Model Based System Engineering unterstützt den Konstrukteur dabei, die entscheidenden Parameter zu finden und zu optimieren.

Im System Engineering Prozess gehört das SDD zur Projekt-Definition

Stellen die unterschiedlichen Systeme nicht hohe Anforderungen an den Konstrukteur?

Unser Ziel ist die Minimierung der Schnittstellen: Im besten Fall arbeitet der Konstrukteur in der gleichen Software-Umgebung, die er kennt. Dann hat er auch vollen Zugriff auf den gemeinsamen Datenstamm und kann Simulationen intuitiv einsetzen. Das betrifft sowohl die Modellerstellung, wie auch die Auswertung und Berechnung. Falls der Konstrukteur an seine Grenzen stößt, kann er sein Konzept reibungslos an einen Spezialisten weitergeben. Dieser kann dann mit den gleichen Informationen ein komplexeres Modell aufbauen. Beide müssen nicht mehr überlegen, wie die Datenübertragung funktioniert, die Daten sind einfach da. Der Status Quo wird allerdings noch durch unterschiedliche Anwendungen und damit durch unterschiedliche Oberflächen geprägt. Das hat zumindest den Vorteil, dass sich der Anwender die jeweils effizientesten Einzellösungen heraussuchen kann.

Unser Ziel ist die Minimierung von Schnittstellen: Wenn der Konstrukteur in seiner üblichen Software-Umgebung arbeitet, dann setzt er Simulationen intuitiv ein.

Es wird also nach wie vor Simulationsexperten geben?

Bei aller Integration werden Konstrukteure auch zukünftig nur bestimmte Simulationsbereiche abdecken können. Für wiederkehrende komplexe Aufgaben wird der Experte zum Beispiel automatisierte Prozesse entwickeln. Die funktionieren wie eine Black Box. Der Konstrukteur gibt seine Kenngrößen ein und erhält sofort die benötigten Informationen. Der Spezialist ist dann nur noch für Detailfragen verantwortlich. Da es viel zu wenig solcher Experten gibt, können sie in anderen Bereichen sinnvoller und wertschöpfender eingesetzt werden.

Dieser Prozess verändert die Arbeitswelt der Konstrukteure. Wie stehen die zu diesem Umbruch?

Das ist von Betrieb zu Betrieb unterschiedlich. Die meisten Rückmeldungen sind aber positiv. Denn mit SDD können Konstrukteure neue Konzepte untersuchen und diese mit Hilfe der Simulation an virtuellen Prototypen testen, ohne dass die Kosten explodieren. Sie haben für ihre Entscheidungen eine stabile Grundlage, die nicht nur auf Basis von Erfahrungen beruht. Früher mussten Konstrukteure im Zweifelsfall ein Tabellenbuch aufschlagen, in dem sie aber nur Standardanwendungen fanden. Falls sie weitere Informationen benötigen, können interne Spezialisten oder externe Dienstleister für sie Simulationen durchführen. Dies ist aber oftmals mit Verzögerungen und zusätzlichen Kosten verbunden. Nun können sie in Eigenregie für spezifische Anwendungen entsprechend spezifische Untersuchen durchführen. Damit gewinnen sie Freiheiten und die Sicherheit, dass ihre Konstruktion am Ende auch funktioniert. Aber zugegeben: Wer mit Simulationen gar nichts am Hut hat, der wird sie auch nicht einsetzen.

Verbessern Simulationen die Qualität von Bauteilen?

Das trifft grundsätzlich zu. SDD beschreibt in der Konzeptphase die Geometrie von Teilen. Sobald ich eine Geometrie erzeuge, muss ich sie auch mit Toleranzen versehen. Eine typische Anwendung hierfür sind elastische Kunststoffteile. Wer solche Teile einsetzt, benutzt oftmals die sogenannte Montageelastizität. Wenn das Teil immer wieder an einer bestimmten Stelle bricht, muss man gezielt diese Stelle verstärken. Dann aber ist die Frage, ob es überhaupt noch montiert werden kann. Mit einer Simulation kann man relativ früh diese beiden Parameter gegeneinander abwägen und zu einem wirtschaftlichen Ergebnis kommen.

Inwieweit haben sich Simulationen im Vorfeld der Produktion bereits durchgesetzt?

In der breiten Masse noch nicht. In manchen Branchen, beispielsweise in der Luftfahrt- oder in der Automobilindustrie, wird bereits viel simuliert. Die Verkehrssicherheit eines Autos wird heutzutage erst einmal mithilfe von Computersoftware berechnet. Wenn ein Auto erst einmal auskonstruiert ist, sind Änderungen nicht mehr bezahlbar. Reale Crashtests sind erst recht keine Alternative. Man müsste jedes Automodell zehnmal an die Wand fahren und sie danach optimieren; das wäre unendlich teuer. Deshalb wird im Vorfeld ausgiebig simuliert, wodurch das Verformungsverhalten im Detail untersucht werden kann. Am Ende müssen dann nur noch ein oder zwei gezielte Crashtests durchgeführt werden. Ich wünsche mir, dass sich Simulationen auch im Mittelstand durchsetzen – quasi eine Demokratisierung von Simulationen. Das ist auch eine Frage der Wettbewerbsfähigkeit: Bei komplexen Teilen muss ein Zulieferer für die Automobilindustrie heute schon in der Angebotsphase die Machbarkeit eines Teiles mit Simulationen belegen. Wenn Designer zum Beispiel aufwändige Geometrien vorschreiben, muss der Werkzeugkonstrukteur nachweisen, dass er diese ohne Falten und Risse im Blech umsetzen kann.

Ich wünsche mir, dass sich Simulationen auch im Mittelstand durchsetzen – quasi eine Demokratisierung von Simulationen. Das ist auch eine Frage der Wettbewerbsfähigkeit, wenn Zulieferer immer öfter schon in der Angebotsphase die Machbarkeit eines Teiles mit Simulationen belegen muss.

 

Was müssen Mittelständler beachten, wenn sie Simulation Driven Design einführen?

Entscheidend ist eine offene Kultur. Alle Beteiligten müssen zu dieser strategischen Entscheidung stehen. Um SDD einzuführen, müssen darüber hinaus bestimmte Voraussetzungen geschaffen werden. Zuerst sollten alle Prozesse daraufhin überprüft werden, ob sie sich automatisieren lassen. Auch müssen die Kernpunkte der Produktentwicklung identifiziert werden. Wenn eine bestimmte Eigenschaft für den Produkterfolg verantwortlich ist, dann darf sie durch Analysen und Optimierungspotenziale nicht in Frage gestellt werden – weder in der Entwicklungsphase, noch in der Produktion. Auch muss der gesamte Workflow einbezogen werden. Man darf nicht nur die Teile im Auge haben, sondern den gesamten Herstellprozess einbeziehen; egal ob es sich um Kunststoff- oder Metallspritzguss handelt.

Werden Simulationen irgendwann den Versuch ersetzen?

Das sehe ich auf lange Sicht nicht. Im Gegenteil, je genauer wir simulieren, desto genauer müssen wir auch die begleitenden Messungen ausführen. Es geht vor allem darum, dem Konstrukteur ein Hilfsmittel an die Hand zu geben und ihn in seinem Entwurfsprozess zu unterstützen. Software kann aber weder den Versuch, noch den Konstrukteur und schon gar nicht den kreativen Entwicklungsspezialisten ersetzen.

Vielen Dank für das Gespräch, Dr. Herrmann!

 

 

Zur Person: Dr. Martin Herrmann

Dr. Martin Herrmann beschäftigt sich seit mehr als 30 Jahren mit FEM-Simulation. Vor seiner Tätigkeit als Simulationsexperte bei der CENIT war er seit 2012 Geschäftsführer der Firma SynOpt, an der die CENIT seit Juli 2017 eine Mehrheitsbeteiligung hält. SynOpt ist ein spezialisierter Vertriebspartner von Dassault Systèmes für die Simulationsprodukte des SIMULIA Portfolios.

Der studierte Maschinenbauer und promovierte Fertigungstechniker startete seine Laufbahn 1989 als Entwicklungsingenieur für Crashsimulation bei der Daimler AG, ehe er von 1992 bis 2011 als Geschäftsführer eines Herstellers von Messtechnik für die Automobilindustrie und Dienstleisters im Bereich FEM-Simulation agierte. Hier war er von 1994 an auch Vertriebspartner der DEFORM-Software (Simulation von Vorgängen der Metallumformung, Zerspanung und Wärmebehandlung).

Simulationsexperten bei CENIT

CENIT Kunden profitieren durch die Beteiligung an SynOpt von dessen Stellung als Simulationsexperten im Bereich Strukturanalyse, Metallumformung und Zerspanung in Deutschland. Technisch basiert die Expertise der SynOpt unter anderem auf SIMULA Lösungen von Dassault Systèmes – ein Umfeld, in dem auch CENIT seit vielen Jahren zuhause ist.

CENIT berät und begleitet Kunden in der virtuellen Produktentwicklung über alle Prozessstufen hinweg: Das Leistungsspektrum reicht von der Potenzialanalyse über die Methodenentwicklung und Softwareintegration bis hin zur individuellen Erstellung und Automatisierung von Simulationsabläufen.