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.



  • Interaktion zwischen Mensch und KI verbessern

    Interaktion zwischen Mensch und KI verbessern

    Im Forschungsprojekt ’GeMeKI’ entwickelt das Fraunhofer-Institut für Produktiontsechnologie IPT aus Aachen gemeinsam mit elf Partnern drei KI-gestützte Assistenzsysteme für das Fügen, Trennen und Umformen, die komplexes menschliches Expertenwissen in ihre…

    mehr lesen: Interaktion zwischen Mensch und KI verbessern

  • ZEW-Konjunkturerwartungen gehen erneut zurück

    ZEW-Konjunkturerwartungen gehen erneut zurück

    Mit einem Rückgang um 4,2 Punkte verzeichnet die ZEW-Konjunkturumfrage im Oktober den fünften Rückgang in Folge. Erstmals seit Februar verschlechtert sich auch die Einschätzung der aktuellen konjunkturellen Lage.

    mehr lesen: ZEW-Konjunkturerwartungen gehen erneut zurück

  • Onoff eröffnet neuen Standort

    Onoff eröffnet neuen Standort

    Die Onoff AG eröffnet einen Standort in Erlangen und will damit zukünftig auch den Bereich digitales Engineering mit Echtzeitsimulation bedienen.

    mehr lesen: Onoff eröffnet neuen Standort

  • PWC-Studie ‚Digital Trust Insights 2022‘

    PWC-Studie ‚Digital Trust Insights 2022‘

    Vier von fünf IT-Führungskräften in Deutschland sehen die Komplexität in ihren Unternehmen laut einer PWC-Studie auf einem zu hohen Level. Dies führe wiederum zu Risiken für die Bereiche Cybersicherheit und…

    mehr lesen: PWC-Studie ‚Digital Trust Insights 2022‘

  • Mobile Luftreinigungsgeräte auf Wirksamkeit prüfen

    Mobile Luftreinigungsgeräte auf Wirksamkeit prüfen

    Im September ist die Richtlinie VDI-EE 4300 Blatt 14 ‚Messen von Innenraumluftverunreinigungen – Anforderungen an mobile Luftreiniger zur Reduktion der aerosolgebundenen Übertragung von Infektionskrankheiten‘ erschienen.

    mehr lesen: Mobile Luftreinigungsgeräte auf Wirksamkeit prüfen

  • FontOnLake attackiert Linux-Systeme

    FontOnLake attackiert Linux-Systeme

    ESET-Forscher sind einer Malware-Familie auf die Schliche gekommen, die es gezielt auf Linux-Betriebssysteme abgesehen hat.

    mehr lesen: FontOnLake attackiert Linux-Systeme

  • Großes Wiedersehen auf der It-sa 2021

    Großes Wiedersehen auf der It-sa 2021

    Die It-sa 2021, Treffpunkt für IT-Sicherheitsexperten und -entscheider, wurde von 274 Ausstellern aus 18 Ländern und rund 5.200 Fachbesuchern aus 28 Ländern wieder nach dem Corona bedingten Aussetzen im vergangenen…

    mehr lesen: Großes Wiedersehen auf der It-sa 2021

  • Die Lieferkette im Visier von Hackern

    Die Lieferkette im Visier von Hackern

    Die Allianz geht davon aus, dass sich Ransomware-Angriffe vermehrt gegen Lieferketten richten könnten. Der Versicherer sieht dabei hauptsächlich IT-Dienstleister im Visier von Hackern. Und auch die Höhe der Lösegeldforderungen steigt.

    mehr lesen: Die Lieferkette im Visier von Hackern

  • Oliver Gronau wird CCO bei Auvesy

    Oliver Gronau wird CCO bei Auvesy

    Mit Oliver Gronau als CCO stößt ein weiteres Mitglied zum Management-Team des Datenmanagement-Spezialisten Auvesy, das zukünftig aus Tim Weckerle (CEO), Stefan Jesse (COO) und Oliver Gronau in der neugeschaffenen Position…

    mehr lesen: Oliver Gronau wird CCO bei Auvesy

  • Wie Projektingenieure mit Entwicklungspartnern kooperieren

    Wie Projektingenieure mit Entwicklungspartnern kooperieren

    Die Richtlinie VDI-MT 6602 Blatt 2 ‚Projektingenieur in Projekten mit Entwicklungspartnern – Anforderungen an die Qualifizierung‘ ist Anforderungsprofil für in der Praxis tätige Ingenieure und Projektingenieure, die ihre Fähigkeiten für…

    mehr lesen: Wie Projektingenieure mit Entwicklungspartnern kooperieren

  • IT-Sicherheitsmarkt vor Umsatzrekord

    IT-Sicherheitsmarkt vor Umsatzrekord

    Der Markt für IT-Sicherheit in Deutschland wächst ungebrochen. Das bisherige Rekordjahr 2020 könnte in diesem Jahr nochmals übertroffen werden. So geht der Digitalverband Bitkom von einem Plus von 9,7 Prozent…

    mehr lesen: IT-Sicherheitsmarkt vor Umsatzrekord

  • Zuliefermesse für den Maschinenbau

    Zuliefermesse für den Maschinenbau

    In Bad Salzuflen findet am 10. November die FBM statt. Bereits im Vorfeld der Messe können Unternehmen über eine Matchmaking-Plattform feste Termine mit den Ausstellern buchen.

    mehr lesen: Zuliefermesse für den Maschinenbau