Konstruktionen mit Simulationstools antreiben

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Die Idee der Design-Optimierung wurde in den Laboren von Universitäten und Expertengruppen in der Luft-/Raumfahrt- und Automobilindustrie geboren. Mittlerweile ist sie aus den Forschungslaboren zum Mainstream bei der Produktkonstruktion geworden, und Ingenieure und Designer setzen für Konstruktionsentscheidungen zunehmend Simulationstools ein.

Während konventionelle Analyseverfahren die Leistung eines vorhandenen Produkts oder Konzepts prognostizieren, ist dieser Prozess bei der Design-Optimierung umgekehrt. Anhand einer Reihe von Leistungsmessgrößen, die durch Anforderungen vorgegeben werden, definiert sie die beste Form für den Entwurf und ermittelt die optimalen Werte für die bestimmenden Parameter. Damit das funktioniert, müssen die Analyseergebnisse sehr genau und die geometrischen Formelemente im Modell ausreichend flexibel definiert sein.

Zwar treibt die Industrie die Entwicklung von Optimierungstechnologie voran, es gibt jedoch einige Hürden, die noch überwunden werden müssen, bevor die Design-Optimierung in der Praxis auf breitem Feld Fuß fassen wird. Simulationstools werden allerdings schon heute zur Optimierung von Entwürfen verwendet. Sehen wir uns also einmal an, wie Unternehmen mit ihrer Hilfe Konstruktionen verbessern und schneller zur Marktreife führen.

Analyse im Produkt-Design

Wenn Simulationstools nicht mehr nur zur Produktvalidierung eingesetzt werden sollen, sondern eine zentrale Rolle schon bei der Produktkonstruktion übernehmen sollen, sind neue Prozesse, neue Tools und eine neue Denkweise bei den Ingenieuren erforderlich. Simulationstools liefern Ingenieuren eine Möglichkeit, bessere Entscheidungen zu treffen und so bessere Produkte schneller und kostengünstiger zu entwickeln.

Während ein Entwurf den Zyklus durchläuft, wird eine Reihe von Entscheidungen getroffen und Anpassungen durchgeführt, um sicherzustellen, dass der Entwurf auf dem richtigen Weg ist. Berechnungen, Prototypen und Analysen sind Tools, die Ingenieuren während des Entwicklungszyklus als Richtschnur dienen. Die meisten Produktgeometrien sind zu komplex für manuelle Berechnungen, und physische Prototypen sind teuer und können erst zu spät im Zyklus angefertigt werden, um für die frühzeitige Design-Optimierung eingesetzt zu werden.

Infolgedessen sind Analyseverfahren wie die Finite-Elemente-Analyse (FEA) nützlicher für Ingenieure, um rasch Variationen von Entwürfen zu erkunden, bis ein wirklich optimaler Entwurf erreicht ist. Die Integration von CAD und FEA ermöglicht es, Ideen auszuprobieren, Entwürfe anzupassen und zu erkunden und zu überprüfen, ob Entwürfe auf dem richtigen Weg sind. Dadurch wird das Risiko vermindert, dass fehlerhafte Entwürfe weiterentwickelt werden und in späteren Entwicklungsphasen hohe Kosten verursachen. In anderen Worten: In die Konstruktion integrierte Analysen ermöglichen es Entwicklungsteams, in kürzerer Zeit mehr Entwicklungsvarianten auszuloten.

Maximale Vorteile nur bei Anpassung der Entwicklungskultur

In der Praxis werden FEA-Tools bei den meisten Unternehmen nicht ausreichend genutzt. Dennis Nagy, ein Branchenexperte für FEA, schätzt, dass in Unternehmen nur etwa 10 bis 15 Prozent der Fähigkeiten von bereits erworbener CAE-Software genutzt werden. Das Problem ist möglicherweise eher kulturell als technisch. Viele Entwicklungsmanager schreiben keine Prozessänderung für den Einsatz von Simulation vor bzw. lassen diese nicht zu.

Damit sich die Anschaffung von Analysetools wirklich auszahlt, müssen Unternehmen endlich aufhören, den Irrglauben zu verbreiten, dass Simulation die Entwicklung nicht antreiben könne, sondern nur zur Validierung von Entwürfen geeignet sei. Ohne eine Prozessänderung werden nur die Entwürfe digital validiert, die sonst anhand von physischen Prototypen validiert worden wären. Wo ist da der Mehrwert?

Auch bessere Benutzerschulungen sind notwendig. Die Benutzer müssen verstehen, was die Simulationsergebnisse über den Entwurf oder die Simulationsqualität aussagen. Mehr Schulungen über Eingabeeigenschaften, Materialeigenschaften und Fehlermechanismen ermöglichen ihnen bessere Entscheidungen, bis die optimale Konfiguration gefunden ist.

Für die Demokratisierung der Simulation müssen Simulationstools den Ingenieuren in ihrer CAD-Software zur Verfügung stehen und eng mit den Prozessautomatisierungssystemen integriert sein. Das Wichtigste ist, dass die Design-Optimierung früh im Entwicklungszyklus stattfindet, wenn Änderungen noch ohne größere Nacharbeit, verlorene Zykluszeit oder beträchtliche Ausgaben vorgenommen werden können.

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