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Virtuelles Prototyping

Fertigungs- und Montageeinflüsse berücksichtigen

Physische Prototypen sind teuer und aufwendig in der Herstellung. Vermehrt versuchen Unternehmen deshalb, ihre Entwicklungsziele mit einem simulationsbasierten Virtual Prototyping zu erreichen. Dabei müssen auch Funktion und Leistungsverhalten eines Produkts berücksichtigt werden.

Bild: ESI Group

Lange Zeit gab es für Unternehmen keine Alternative zum Bau aufwändiger und teurer physischer Prototypen. Wertvolle Entwicklungszeit wurde investiert, weil die nach dem ‚Trial-and-Error‘-Prinzip ablaufende Produktoptimierung erst beginnen konnte, wenn erste Konstruktions- beziehungsweise Fertigungsdaten für den Bau eines Prototyps vorlagen. Durch einen simulationsgestützten virtuellen Prototypenbau oder ‚Virtual Prototyping‘ lässt sich diese Vorlaufphase merklich reduzieren. Moderne Simulationsanwendungen ermöglichen, das Betriebs- und Leistungsverhalten auch komplexer Produkte unter realitätsnahen Bedingungen am Computer zu untersuchen und zu optimieren, sobald CAD-Daten für den Aufbau digitaler Simulationsmodelle vorliegen.

Alle an der Entwicklung beteiligten Disziplinen greifen dabei im besten Fall auf ein gemeinsames Modell beziehungsweise dessen Resultate zu, was eine kollaborative Entwicklungsarbeit ermöglicht und Informationsdefizite oder überholte Versionsstände minimieren kann. Eine solche Verfahrensweise kann einer innovativen Produktentwicklung hinsichtlich Optimierung von Qualität, Entwicklungszeit und -kosten einen deutlichen Schub verleihen und die Anzahl physischer Prototypen signifikant reduzieren. Insbesondere ist diese Methodik interessant für Bereiche, in denen der Bau von Prototypen sich aus ökonomischen Gründen oder aufgrund ihrer Dimensionen verbietet, wie dem Schiffs- und Anlagenbau.

Eine neue Qualität der numerischen Simulation

Virtual Prototyping-Ansätze sind wesentlich anspruchsvoller als der in der Vergangenheit übliche punktuelle Einsatz numerischer Berechnungsprogramme, beispielsweise zur Analyse der Strukturfestigkeit oder des Schwingungsverhaltens. Um physische Prototypen durch zumindest ebenbürtige digitale Modelle zu ersetzen, müssen alle produktrelevanten physikalischen Phänomene abgebildet werden. Dies wiederum erfordert in der Regel multidisziplinäre Simulationsansätze, also den gekoppelten Einsatz unterschiedlicher Berechnungsprogramme. Das Beispiel einer Windkraftanlage zeigt, welche Lösungen erforderlich sind: Strömungssimulation für die Auslegung der Rotorblätter, Composite-Simulation zur Konstruktion der Verbundfaserstruktur, FEM-Programme für die Strukturmechanik, ‚Noise, Vibration, Harshness‘-Programme (NVH) für Schwingungsanalyse und Geräuschentwicklung, Mehrkörpersimulationssysteme (MKS) zur Simulation des Gesamtsystems.

All diese Aufgaben mit Standalone-Programmen zu bearbeiten, kann durch die manuell durchzuführenden Kopplungen, Datentransfers und -konvertierungen einen immensen Aufwand bedeuten. Anbieter wie die ESI Group, ein auf das Gebiet der fertigungsorientierten Simulation spezialisierter Anbieter von Virtual Prototyping-Lösungen, fassen deshalb ihre Programme zu Komplettlösungen, wie beispielsweise der Visual Performance Solution, zusammen. Dazu hat der Software-Anbieter eine Arbeitsumgebung entwickelt, welche die für die Aufgabenbearbeitung notwendigen Applikationen integriert und durch ein gemeinsames Core-Modell den manuellen Aufwand minimieren soll. Ein flexibles Token-Lizensierungssystem ermöglicht dem Anwender dabei, nur die für die jeweilige Problembearbeitung benötigten Programme zu aktivieren.

Umfassendes Virtual Prototyping umsetzen

Der Vorteil physischer Prototypen ist sicherlich darin zu sehen, dass sie zwangsläufig in einer ‚As Built‘-Konfiguration vorliegen, während herkömmliche Virtual Prototyping-Ansätze auf der konstruktiv geplanten Nenngeometrie und den entsprechenden Materialkenndaten basieren. Fertigung und Montage können jedoch Funktion und Leistungsverhalten eines Produktes gravierend beeinflussen, beispielsweise im Hinblick auf Wandstärken oder Materialdicken, Material-Inhomogenität, Materialschrumpfung, Rückfederungseffekte, Eigenspannungen und Verzug. Das Software-Unternehmen propagiert daher ein ‚End-to-end Virtual Prototyping‘, das den Fertigungsaspekt integriert.

Mit Lösungen wie PAM-Stamp, PAM-Form oder der Welding Simulation Suite verfügt das Softwarehaus über Produkte, um verkettete Simulationsszenarios aufzubauen. Die Vorteile des Virtual Prototypings lassen sich nur vollständig ausschöpfen, wenn die optimierten Strukturen beziehungsweise Zusammenbauten virtuell getestet und eine zuverlässige Qualitätsbeurteilung durchgeführt werden kann, wozu unter anderem Dauerfestigkeit, Lebensdauerbetrachtungen, Berechnung unterschiedlicher Lastfälle mit Betriebs- und Extrembelastungen gehören. Ebenso sind spezifische Testszenarios möglich, wie sie beispielsweise in der Automobilindustrie durch Crash-Tests und Aufpralluntersuchungen vorgegeben sind, für welche die Lösungen PAM-Crash und PAM-Safe angeboten werden.

Anspruchsvoller Ansatz für höhere Prozessqualität

Zur Anpassung des Virtual Prototypings beziehungsweise der erforderlichen Simulationslösungen an industrielle Erfordernisse kooperiert der Systemanbieter mit Fertigungsunternehmen verschiedener Branchen. Seitens der Unternehmen wird dabei teils erheblicher Aufwand betrieben, um beispielsweise durch Vergleichsmessungen die Güte und Genauigkeit der Simulationen zu evaluieren und die Berechnungsmodelle und Annahmen zu validieren. Dabei konnte gezeigt werden, dass die theoretischen Vorteile auch in der Praxis zum Tragen kommen. Das End-to-End Virtual Prototyping ist simulationstechnisch anspruchsvoll. Entsprechend sind die Investitionen für den Einstieg in diese Welt nicht unerheblich. Gleichwohl bietet derzeit kaum eine Methodik ähnliche Möglichkeiten, um Innovationsprozesse zu unterstützen und Entwicklungsprozesse effizient zu gestalten. Der Einsatz der passenden Software kann dabei, verbunden mit umfassender Branchen- und Lösungskompetenz, eine verlässliche Basis bieten, die hohen Ansprüche an virtuelle Entwicklungsprozesse in die Realität umzusetzen.

 
Bild: ESI Group

3D-Visualisierung trägt dazu bei, Simulationsergebnisse veranschaulichen und interpretieren zu können. ESI bietet dazu die Ic.ido Visual Decision Platform an. Die Lösung unterstützt mit 3D-Technologien die Realtime-Visualisierung virtueller Prototypen. Unternehmen können auf dieser Basis funktions-, bereichs- und disziplinübergreifende Entscheidungen in zentralen Phasen des Entwicklungsprozesses treffen und Arbeitsergebnisse kollaborativ bearbeiten.


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