Künstliche Intelligenz in der Gussteilentwicklung

physics ai inspire cast NEU
Bild: Altair Engineering GmbH

Die Fertigungsindustrie steht heute vor einer Vielzahl von Herausforderungen. Während die Hersteller sich eine möglichst energie- und ressourcenschonende Fertigung zum Ziel setzen, steigen gleichzeitig die Anforderungen an die Qualität der Produkte kontinuierlich. Nicht nur Branchen wie die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie oder der Maschinenbau sind mit hohen Produktivitätszielen und engen Zeitplänen oder Budgetvorgaben konfrontiert. Gerade auch in der Entwicklung für energieintensive Gussbauteile müssen Hersteller ihre Konstruktions- und Designprozesse beschleunigen, um den sich ständig ändernden Bedingungen anzupassen, ohne dabei Kompromisse bei Präzision und Effizienz eingehen zu müssen.

Simulation breit etabliert

Um diesen Spagat zu meistern, hat sich die Simulation bereits als fester Bestandteil im Produktentwicklungsprozess vieler Unternehmen etabliert, um Prototypen zu sparen und insgesamt effizienter zu entwickeln. Da allerdings Simulationen für Gießereiverfahren sehr aufwendig sein können und die Simulations-Expertise oft in den Händen weniger Experten liegt, stellt sich die grundsätzliche Frage, wie Unternehmen der Gussindustrie ihre Abläufe weiter optimieren und die Produktentwicklung insgesamt beschleunigen können. Die Antwort liegt in der frühzeitigen Integration innovativer Technologien wie künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen (ML) in die Gussteilentwicklung.

Data Science in der Produktentwicklung

KI und ML haben in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht und ermöglichen Herstellern völlig neue Ansätze in der Bewertung von Konstruktionsvarianten. Sie bieten die Möglichkeit, traditionelle, rein physikbasierte Simulationsmethoden durch datengetriebene Prozesse zu ergänzen, was die Effizienz erheblich steigert. Mit Methoden des maschinellen Lernens lassen sich Verhaltensmuster erkennen, beispielsweise bei umfassenden Variantenanalysen in der Produktentwicklung: Mittels sogenanntem Clustering können Parametersätze in Gruppen bzw. Cluster, eingeteilt werden, die zu einem gewünschten Verhalten führen, etwa bei der Optimierung sicherheitskritischer Bauteile für Fahrzeugcrashs oder bei anspruchsvollen Fertigungsprozessen. Dadurch lassen sich spezifische Eigenschaften oder Problemzonen eines Designs sichtbar machen, die auf traditionellem Weg nur schwer zu erkennen wären.

KI-berechnet statt Iteration

Während klassische Simulationsanwendungen auf umfangreiche Berechnungen und iterative Prozesse angewiesen sind, kann KI mit Bestandsdaten trainiert werden, um schnelle und dennoch präzise Vorhersagen zu treffen. Zudem kann die Simulation synthetische Daten erzeugen, um Lernmodelle zu trainieren und Daten von unterschiedlichen, auch unerwünschten Betriebszuständen zu generieren. Hersteller können so verschiedene Designoptionen virtuell testen, physische Prototypen weiter reduzieren und die Kosten sowie die Zeit für Fehleranalysen minimieren. Darüber hinaus kann KI in Echtzeit Anpassungen vornehmen, die es ermöglichen, besser auf sich ändernde Anforderungen zu reagieren. Eine solche KI-Technologie ist Altair PhysicsAI, ein Werkzeug, das insbesondere zu Beginn eines Entwicklungsprozesses, wenn noch zahlreiche verschiedene Konstruktionsvarianten bewertet werden, zum Einsatz kommt. Es nutzt Bestandsdaten aus Simulationen, um physikalische Vorhersagen zu treffen und schließt damit eine kritische Lücke in der frühen Phase des Produktlebenszyklus. Die Anwender können ihre CAD-Variante direkt bewerten und müssen keine zeitaufwendigen neuen Simulationen durchführen – das beschleunigt den Weg zu wichtigen Antworten.

PhysicsAI in der Gussteilentwicklung

Eines der zentralen Leistungsversprechen von KI in der Gussteilentwicklung ist die Geschwindigkeit. Mit KI-gestützten Tools wie PhysicsAI können Vorhersagen bis zu 1.000-mal schneller getroffen werden als mit traditionellen Simulationslösungen. KI liefert Einblicke, die Entscheidungen erleichtern. Ingenieurteams können verschiedene Szenarien simulieren, die Auswirkungen von Änderungen schnell bewerten und mehr Designoptionen evaluieren. Dies kann die Qualität der Produkte und die Time-to-market erhöhen.

Tabelle Nuetzliche KI Anwendungen ohne Tools
Bild: Altair Engineering GmbH

Geometrisches Deep Learning

Der Algorithmus von PhysicsAI kann Abhängigkeiten zwischen Geometrien und einem beliebigen Ergebnis lernen. So kann es sowohl für strukturelle Bewertungen als auch die jeweilige Fertigungsmethode, Test-Daten oder andere geometrieabhängige Ergebnisse herangezogen werden. Das Tool nutzt geometrisches Deep Learning, um die Beziehung zwischen Form und Funktion in unterschiedlichen physikalischen Szenarien zu verstehen. Anwender können trainierte Modelle auswählen, Vorhersagen erstellen und die Qualität für eine Reihe von Fertigungsprozessen bewerten. So lassen sich selbst komplexe Designprobleme lösen. Gleichzeitig ermöglicht es das Tool den Bedarf an physischen Prototypen und Versuchsreihen drastisch zu senken. Unternehmen können aus bereits vorhandenen Daten lernen und neue Konstruktionen bewerten, ohne extra Maschinen oder Materialien kaufen zu müssen. Weiterhin lenken KI-gestützte Simulationen den Blick auf Fehler und Schwachstellen früh im Prozess. Ungünstige Designrichtungen werden so vermieden, was die Entwicklungskosten signifikant beeinflussen kann.

Anwendungsfälle aus der Praxis

  • 1. Eines der häufigsten Probleme bei Gussteilen ist Porosität, also die Bildung von Lufteinschlüssen in Gussteilen, die oft durch unzureichende Formgestaltung oder mangelnde Prozesskontrolle entsteht und die Funktionalität und Lebensdauer von Komponenten beeinträchtigen kann. In einem Anwendungsfall mit Altair Inspire Cast und PhysicsAI konnte die Porosität eines industriellen Antriebs-Gehäuses analysiert und durch gezielte Optimierungen signifikant reduziert werden. Der gesamte Prozess verlief dabei deutlich schneller als mit herkömmlichen Simulationsmethoden.
  • 2. Bei der Herstellung von Kunststoffteilen kann Verzug ein ernsthaftes Problem darstellen, insbesondere bei Teilen mit komplexen Rippenstrukturen. Altair Inspire Mold und PhysicsAI wurden eingesetzt, um den Verzug vor der Fertigung vorherzusagen und durch Designanpassungen zu reduzieren. Infolge wurden Bauteile mit besserer struktureller Integrität hergestellt.
  • 3. Ein weiteres Beispiel ist die Optimierung von Rohlingen in der Blechumformung. Altair Inspire Form half dabei, die passende Größe und Form eines Rohlings zu bestimmen, um Materialkosten zu reduzieren und gleichzeitig die Umformbarkeit des Endprodukts sicherzustellen. Durch KI konnten Vorhersagen schneller und genauer getroffen werden, was zu einer effizienteren Materialnutzung führte.
  • 4. In einem weiteren Anwendungsfall wurden mit Altair Inspire PolyFoam Schäumungsprozesse bei Kühlschranktüren analysiert. KI-Modelle halfen dabei, die Dichteverteilung und Eigenspannungen vorherzusagen. So konnte die Produktqualität gesteigert und Produktionsfehler vermieden werden.
inspire mold pai predicted results 134x46mm
Bild: Altair Engineering GmbH

KI-generierte Designs für Megacasting

Als recht neues Herstellungsverfahren in der Automobilindustrie eröffnet Megacasting großes Potenzial, bringt jedoch erhebliche Herausforderungen mit sich. Die Fertigung großer Gussteile erfordert spezielle Maschinen und hohe Präzision, um Toleranzen trotz der enormen Dimensionen der Bauteile einzuhalten und die Materialqualität sicherzustellen. Gleichzeitig ermöglicht die neue Gestaltungsfreiheit innovative Leichtbauansätze. Für Konstrukteure wird es daher wichtiger, Technologien wie KI und ML einzusetzen, um Ansätze zur Gewichtsreduktion, Kostensenkung und Leistungssteigerung zu entwickeln. Ein integrativer Entwicklungsprozess, der Data Science und Engineering verbindet, bildet dafür einen Rahmen. Mit KI, generativem Design und CAE-Technologie können tausende Varianten gleichzeitig untersucht werden, um fertigungsgerechte und effiziente Strukturen zu schaffen. KI-gestütztes generatives Design erlaubt es, den Zusammenhang zwischen Materialqualität und Bauteilverhalten zu steuern und auf gewünschtes Verhalten hin zu optimieren.

Auch hierfür hat der Simulationsspezialist Altair etwas im Produktportfolio. Ein skalierbarer Optimierungsprozess von Megacasting-Komponenten erfolgt in zwei Phasen:

  • Topologieoptimierung – Diese Technik ermöglicht die passende Materialverteilung unter Berücksichtigung linearer Lastfälle und Fertigungseinschränkungen. Sie identifiziert optimale Lastpfade und berücksichtigt multidisziplinäre Belastungen.
  • Multidisziplinäre Optimierung – KI-gestützte Methoden kombinieren Response Surface-Optimierung mit ML, um Rippenorientierungen und Dickenverteilungen für Gussstrukturen zu ermitteln. Durch Clustering und Klassifizierung können Entwicklungsziele auf gewünschtes Bauteilverhalten abgestimmt werden.

Unüberwachtes maschinelles Lernen unterstützt zudem die Bewertung der Herstellbarkeit. So lassen sich Strömungsgeschwindigkeiten und Fließfronten in der Simulation analysieren, um Geometrien für Anschnitte und Angüsse zu definieren. Dieser Ansatz ermöglicht eine effiziente und präzise Umsetzung komplexer Gussbauteile, die den Anforderungen des Megacastings entsprechen.

KI in der Gießereiindustrie

Die Einführung von KI in die Gussteilentwicklung kann ein wichtiger Schritt sein, um mit den steigenden Marktanforderungen Schritt zu halten. Durch die Kombination von traditioneller Simulation und KI können Hersteller nicht nur Kosten und Zeit sparen, sondern auch die Qualität ihrer Produkte verbessern.



  • Low Code-Plattform lässt SoftProject-Umsatz wachsen

    Low Code-Plattform lässt SoftProject-Umsatz wachsen

    Ein Umsatzplus von 7 Prozent hat das Softwareunternehmen SoftProject im vergangenen Jahr erzielt. Auch der Datenverkehr im eigenen Rechenzentrum nahm zu.

    mehr lesen: Low Code-Plattform lässt SoftProject-Umsatz wachsen

  • TransKI untersucht die Übertragbarkeit von KI-Modellen

    TransKI untersucht die Übertragbarkeit von KI-Modellen

    Im Forschungsprojekt TransKI arbeiten die Beteiligten daran. KI-Modelle für bestimmte Anwendungen auf ähnliche Anwendungen zu übertragen. Das sogenannte Transfer Learning soll Zerspanprozesse effizienter machen.

    mehr lesen: TransKI untersucht die Übertragbarkeit von KI-Modellen

  • Digitalisierte Produktion reduziert Emissionen nicht so stark wie erwartet

    Digitalisierte Produktion reduziert Emissionen nicht so stark wie erwartet

    Allgemein besteht die Annahme, dass digitale Technologien zu Energieeffizienzverbesserungen führen und dadurch CO2-Emissionen erheblich reduziert werden können. Eine Studie des ZEW in Mannheim deutet allerdings darauf hin, dass digitale Technologien…

    mehr lesen: Digitalisierte Produktion reduziert Emissionen nicht so stark wie erwartet

  • Maschinen- und Anlagenbauer mit Auftragsplus

    Maschinen- und Anlagenbauer mit Auftragsplus

    Ein Auftragsplus von 32 Prozent haben die Maschinen- und Anlagenbauer im vergangenen Jahr erzielt. Dabei legten die Bestellungen auch im Dezember zu — im Vorjahresvergleich um 21 Prozent.

    mehr lesen: Maschinen- und Anlagenbauer mit Auftragsplus

  • Dassault Systèmes erzielt Umsatzwachstum

    Dassault Systèmes erzielt Umsatzwachstum

    Mit einem Umsatzplus von 11 Prozent hat Dassault Systèmes das Geschäftsjahr 2021 abgeschlossen. Dabei war vor allem der Softwarebereich Wachstumstreiber.

    mehr lesen: Dassault Systèmes erzielt Umsatzwachstum

  • M&M Software unter neuer Leitung

    M&M Software unter neuer Leitung

    Ab Juli steht M&M Software unter neuer Leitung. Der Langjährige Geschäftsführer Klaus Hübschle übergibt an Christian Gnädig und Thomas Gaus.

    mehr lesen: M&M Software unter neuer Leitung

  • Geschäftsklima in der Digitalbranche erreicht Vor-Corona-Niveau

    Geschäftsklima in der Digitalbranche erreicht Vor-Corona-Niveau

    Mit einem Plus von 5,4 Punkten liegt der Ifo-Bitkom-Digitalindex nun bei 30 Punkten. Die deutsche Digitalbranche hat somit wieder ihr Vor-Corona-Niveau erreicht. Die Personalsorgen der Branche sind laut Index jedoch…

    mehr lesen: Geschäftsklima in der Digitalbranche erreicht Vor-Corona-Niveau

  • Arbeitsmarkt kommt ‚ohne große Schrammen‘ durch die Welle

    Arbeitsmarkt kommt ‚ohne große Schrammen‘ durch die Welle

    Nach vier Rückgängen in Folge ist das IAB-Arbeitsmarktbarometer im Januar wieder gestiegen. Die zahlen deuten u.a. auf weiter steigende Beschäftigung hin.

    mehr lesen: Arbeitsmarkt kommt ‚ohne große Schrammen‘ durch die Welle

  • EU-Kommission stellt neue Normungsstrategie vor

    EU-Kommission stellt neue Normungsstrategie vor

    Die EU-Kommission hat eine neue Normungsstrategie vorgestellt. Diese sieht u.a. vor, die Einflussnahme von Akteuren aus nicht-Mitgliedsstaaten eindämmen. Zudem soll die Rolle Europas bei globalen Normen gestärkt werden.

    mehr lesen: EU-Kommission stellt neue Normungsstrategie vor

  • Statamath wird Tochter von IFM Solutions

    Statamath wird Tochter von IFM Solutions

    IFM Solutions hat den Big-Data-Spezialisten Statamath übernommen. Alexander Hoffmann und Christian Friedrich sollen das Unternehmen weiterhin führen.

    mehr lesen: Statamath wird Tochter von IFM Solutions

  • Kooperation zwischen AIF und IDTA

    Kooperation zwischen AIF und IDTA

    Die Industrial Digital Twin Association und Alliance Industrie du Futur haben ein Memorandum of Understanding unterzeichnet. Beide wollen sich u.a. auf Digital Twin-Projekte fokussieren, die der Industrie zu mehr Nachhaltigkeit…

    mehr lesen: Kooperation zwischen AIF und IDTA

  • Smart Systems Hub erweitert IoT-Labor

    Smart Systems Hub erweitert IoT-Labor

    Rund 500.000€ investiert der Smart Systems Hub in den Ausbau seines ‚IoT-Labs‘. Unternehmen und Institute können dort beispielsweise Roboter per über die Cloud mithilfe von 5G fernsteuern.

    mehr lesen: Smart Systems Hub erweitert IoT-Labor