Computerunterstütztes Konstruieren mit Computer-Aided Design (CAD) Tools ist schon lange Industriestandard und hat großflächig das analoge Zeichenbrett ersetzt. Jedoch sind auch mit der Abbildung der Geometrie die heutigen technologischen Möglichkeiten noch lange nicht ausgereizt. Bei der physikalischen Simulation hingegen, erhält die digitale Geometrie noch ein Abbild ihres physikalischen Verhaltens. Und genau damit ergeben sich fast unbeschränkte Möglichkeiten.

Als gutes Beispiel im Sommer dient hier ein Ventilator. Produkte müssen eine bestimmte (physikalische) Funktion erfüllen. Durch eine mechanische Bewegung des Rotors und seiner speziellen Form, wird Luft in Bewegung gebracht und sorgt so für die gewünschte Abkühlung bei sommerlichen Temperaturen. Im Entwicklungsprozess sind daher für die Ingenieure unter anderem folgende Fragen von großem Interesse:

• Wie muss der Rotor geformt sein, um möglichst effizient die versprochene Abkühlung zu liefern?
• Welcher Motor wird benötigt, um einerseits energieeffizient, aber auch langanhaltend die gewünschten verschiedenen Drehgeschwindigkeiten zu liefern?
• Wie muss der Mechanismus aussehen, damit der Ventilator in verschiedene Richtungen Abkühlung bringt?
• Wie sehen Standfuß und Gehäuse aus?
• Wie erschaffe ich ein Produkt mit langer Lebensdauer, kostengünstiger Produktion und hoher Kundenzufriedenheit?

Letztlich ist die Funktion der treibende Anschaffungsgrund, jedoch bleibt die Ästhetik ein nicht zu vernachlässigender Faktor. Aber selbst bei Produkten, die nur “schön” aussehen müssen, kommen physikalische Fragestellungen, z.B. die effiziente und fehlerfreie Produktion oder der beschädigungsfreie Transport, hinzu.

Simulation kann hier ein entscheidender Schlüsselfaktor sein, denn sie hilft bei der Entwicklung und Auslegung von Produkten, von der eigentlichen Produktfunktionsweise, seiner Herstellung, seiner Auslieferung (Versand und Transport), bis hin zu Produktalterung und möglichen Schadensfällen. Denn nur die Berücksichtigung aller Lebensphasen eines Produktes möglichst früh im Entwicklungsprozess führt zu erfolgreichen Produkten.

Der Vorteil der Simulation ist, dass  virtuelle Tests der Bauteile im Computer, ohne bereits gefertigte reale Prototypen oder reale Produkte sehr realistisch möglich sind. So lassen sich früher, schneller und kostengünstiger Design- und Konstruktionskonzepte ausprobieren. Noch wichtiger ist jedoch die simulationsunterstützte Konstruktion und Produktentwicklung in frühen Phasen. So kann Simulation funktionale Bauteilgeometrien vorschlagen, die die angegebenen Funktionsanforderungen, z.B. mit minimalem Gewicht und Materialeinsatz optimal erfüllen, oder frühzeitig Designalternativen aus Produktions-, Lebensdauer-, oder Performanzgründen ausschließen und so die Ingenieure in die richtige Richtung leiten.

Von den Möglichkeiten nun weiter zu den Technologien. Bei Dassault Systèmes deckt die Marke SIMULIA den Technologiebereich Simulation ab. SIMULIA bietet mit Abaqus unter anderem den Bereich der Finite Elemente Technologie an. Hierbei wird die Geometrie aus dem CAD System durch viele kleine Rechenelemente diskretisiert und abgebildet. So lassen sich an den Elementknoten (genauer gesagt an den mathematischen Integrationspunkten der finiten Elemente) die verschiedensten physikalischen Eigenschaften und Größen berechnen, analysieren und clevere Entscheidungen ableiten. Mit den heutigen Rechenkapazitäten und den Möglichkeiten der Cloud  lassen sich komplizierteste Berechnungen mit detailliertesten Rechennetzen und den damit verbundenen Genauigkeiten problemlos lösen.

So wie sich die Rechenleistungen und Computersysteme verändert haben, wandeln sich auch die zu entwickelnden Produkte. Mechanik ist oft nur noch ein kleiner Teil der Wertschöpfung. Entsprechend hat sich über die Zeit das SIMULIA Lösungsportfolio durch Eigenentwicklungen und Akquisitionen erheblich vergrößert, um dem fortschreitenden Wandel der Produkte und ihrer Entwicklungsprozesse Rechnung zu tragen.

Ingenieure und Entwicklungsabteilungen müssen die verschiedensten Disziplinen unter einen Hut bringen. Am Beispiel des Ventilators: Einerseits werden Mechanik, Strömungsmechanik und Lebensdauer betrachtet, aber auch vermehrt Elektrik und Software.

Möchten sie nun einen „smarten“ Ventilator, den Sie mit ihrem Smartphone per Bluetooth oder WLAN steuern können, kommt schnell noch elektromagnetische Simulation zur Absicherung der elektromagnetischen Konformität, aber auch zur idealen Positionierung der nötigen Antennen hinzu. Da das Gehäuse sowie das gesamte Produkt mit als Antenne fungieren können bereits kleinste Designänderungen Auswirkungen auf die Antennenleistung haben. Es geht also um mehr, als es oft für den Endanwender den Anschein hat.

Am Beispiel eines smarten Ventilators sehen Sie bereits wie die Produktkomplexität selbst bei recht einfachen Produkten schnell zunimmt. Denkt man nun an Flugzeuge oder PKWs, vielleicht sogar bereits als vollständig elektrifiziertes Modell und voll gepackt mit Sensoren als Vorbereitung für (teil-)autonomes Fahren, steigt die Komplexität um ein vielfaches.

Genau diese absehbaren Herausforderungen der Produktkomplexität und das nötige Zusammenbringen von Disziplinen, Menschen und Daten hat Dassault Systèmes früh auf ein komplett neues Konzept setzen lassen: Die 3DEXPERIENCE Plattform. Mit der 3DEXPERIENCE Plattform bietet Dassault Systèmes maßgeschneiderte Softwarelösungen für die Industrieprozesse und die Herausforderungen in 12 verschiedenen Industrien. In diese Plattform mit einem einheitlichen Datenmodell und Datenhaltung werden die verschiedensten Lösungen mit einheitlichen Benutzeroberflächen integriert. So können die verschiedensten Rollen im Unternehmen auf die verschiedensten Tools und Daten zugreifen, gemeinsam bearbeiten und diskutieren, um so gemeinsam erfolgreiche Produkte auf den Markt zu bringen.

Speziell aus Sicht der Simulation bringt das einige Vorteile: Einerseits lassen sich nun Geometrie und Simulation viel enger zueinander bringen. Nötige Definitionen für die Simulation werden direkt auf der Geometrie durchgeführt. Änderungen an der Geometrie lassen so die Simulationsdefinitionen weiter gültig bleiben. Mit einem einfachen Update und nachfolgender Neuberechnung lassen sich schnell neue Ergebnisse erhalten. In traditionellen Lösungen, müsste bei jeder noch so kleinen Geometrieänderung die komplette Simulation und Vernetzung manuell neu aufgesetzt werden. Durch eine gemeinsame Plattform lassen sich auch sogenannte Co-Simulationen, also die Simulation gekoppelter physikalischer Phänomene, wesentlich einfacher lösen. Connecting the dots.