Simulieren geht über Probieren

Unternehmen, die auch zukünftig erfolgreich ihre Position behaupten wollen, sind daher mehr denn je gezwungen, den gesamten Entwicklungs- und Fertigungsprozeß zu überdenken und effizienter zu gestalten.

Ca. 70 % der gesamten Produktionskosten werden heute bereits in der Entwicklungsphase festgelegt. Die Devise für die Umgestaltung der Prozesse muß also lauten: „Wissen verschaffen, bevor Kosten entstehen“. Je mehr Informationen über Produkt und Fertigung schon in der Entwicklungsphase zur Verfügung stehen, desto höher ist die Zeit- und Kostenersparnis in den folgenden Phasen, indem z. B. die Anzahl der Konstruktionsänderungen und Versuche reduziert werden können.

Integrierte virtuelle Produktdatenmodelle tragen wesentlich dazu bei, das bestehende Informationsdefizit zu eliminieren und Knowhow abteilungsübergreifend verfügbar zu machen. Dazu werden alle entwicklungs- und fertigungsrelevanten Informationen EDV-mäßig erfaßt, gesammelt und mit entsprechenden Systemen (EDM/PDM) den beteiligten Abteilungen und Personen verfügbar gemacht. Der erste Schritt in diese Richtung ist es, die vorhandenen CAD-Daten umfassender als bisher zu nutzen. Zwar setzen alle namhaften Unternehmen heute bereits 3D-CAD- und CAM-Systeme für die computergestützte Konstruktion und Fertigung ein, doch nicht immer werden diese Daten auch in anderen Entwicklungsphasen genutzt. In das Zentrum des Interesses rückt daher die Verwendung von Werkzeugen, die es erlauben, Kreativität und Erfahrung der Fachleute verstärkt bereits früh in die Entwicklung einfließen zu lassen.

Prädestiniert dazu sind

Systeme für die computergestützte Bauteilanalyse und Fertigungssimulation.

Wo liegen die Vorteile der Simulation ?

Die Entwicklungpläne werden heute fast ohne Reserven kalkuliert. So wird das Risiko, ohne Erfolgsgarantie zusätzlich Zeit und Kosten zu investieren, meist nur ungern eingegangen.

Mit der computergestützten Simulation können mit relativ geringem Arbeitsaufwand neue Verfahren, Materialien etc. schnell und kostengünstig am Computer auf ihre Einsetzbarkeit getestet werden. Der Entwickler hat zusätzlich den Vorteil, nicht nur schnell zu erkennen, ob etwas funktioniert oder nicht, sondern kann darüber hinaus detailliert die Zusammenhänge analysieren, die zu dem vorliegenden Resultat geführt haben. Dazu kann er zu jedem Zeitpunkt der Simulation  „in“ das Bauteil hineinsehen.

So können leicht mehrere Varianten analysiert und verglichen werden. Das Erarbeiten einer optimierten Lösung erfolgt wesentlich zielgerichteter und die Entwickler erhalten die größtmögliche Sicherheit, dass ihr Konzept auch in die Praxis umsetzbar ist.

Simulation – wie funktioniert das ?

Die Anfänge der computergestützten Analyse gehen auf die 50er Jahre zurück. Seitdem werden diese Systeme, die überwiegend nach der Finite Elemente Methode (FEM) arbeiten, mit wachsendem Erfolg für die Untersuchung komplexer hochbeanspruchter Bauteile ein-gesetzt.

Es dauerte jedoch relativ lange, bis eine praktikable Lösung auch für die Simulation verfügbar war, denn die FE-Methode ließ sich nicht ohne weiteres auf diese Problematik anwenden. Zwar wurden recht schnell Systeme vorgestellt, die zufrieden stellende Simulationsergebnisse lieferten, sie  benötigten dazu jedoch teilweise mehrere Tage auf teuren High-End-Computern und waren so nicht geeignet für die industrielle Praxis.

Erst in den letzten Jahren wurden Problemlösungen entwickelt. Bei MSC.Software wurde z. B. in dem Simulationsprogramm MSC.Superforge ein anderer mathematischer Ansatz benutzt (Finite Volumen Methode).

Mit dem Resultat, daß die Laufzeiten nun in der Größenordnung von einigen Stunden lagen.

Für eine Simulation werden im wesentlichen vier Arbeitsschritte durchlaufen:

die grafische Geometrieaufbereitung,

die Eingabe der Prozeßparameter,

die eigentliche Berechnung und

die Ergebnisauswertung.

Die Bedienung erfolgt über eine grafische Menüoberfläche, deren Aufbau und Syntax sich an der Praxis orientiert und dem Benutzer keine besonderen EDV-Kenntnisse abverlangt.

Nachdem die Geometriedaten aus dem CAD-System eingelesen und entsprechend ihrer Einbaulage positioniert wurden, erfolgt die Eingabe der Technologiedaten (Maschinencharakteristik und -daten, Materialdaten und Temperaturen) sowie die Angabe, in wie viele Zeitschritte der Simulationsvorgang unterteilt werden soll. Ist danach die Berechnung einmal gestartet, kann der Entwickler die Ergebnisse für jeden abgeschlossenen Zeitschritt noch während der Berechnung begutachten und frühzeitig die Simulation abbrechen, sollten Eingabefehler vorliegen oder aber der Trend in eine falsche Richtung laufen. All diese Schritte können in 30 bis 60 Minuten bewerkstelligt werden, die Berechnung selbst kann je nach Komplexität einige Stunden in Anspruch nehmen. Für jeden berechneten Zeitschritt werden dabei die Spannungen, Verformungen, Kräfte, Temperaturen etc. gespeichert und sind so jederzeit wieder abrufbar.

Ebenso können die Technologiedaten in einer Datenbank gespeichert und bei späteren Berechnungen wieder abgerufen werden. Die eigentliche  Arbeit für den Entwickler ist jedoch die Auswertung und Interpretation der Ergebnisse. Mit dem sogenannten Postprocessor kann er zwischen einer Vielzahl von Darstellungsarten wählen, die es erlauben, alle Bereiche und Komponenten in beliebiger Kombination nach unterschiedlichen Kriterien detailliert zu untersuchen und die Ergebnisse übersichtlich, z. B. als Animation, darzustellen.

(Simulationsbeispiel)

 

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