Anbieter von Simulationssoftware wie Comsol Multiphysics bieten umfangreiche Software-Plattformen, um digitale Zwillinge zu erstellen und zu verwalten. Damit lassen sich verschiedene physikalische Phänomene, wie Elektromagnetik, Wärmeübertragung, Fluiddynamik und mechanische Spannungen innerhalb eines einzigen Multiphysik-Modells koppeln und untersuchen. Diese Fähigkeit, komplexe, gekoppelte Probleme innerhalb einer einheitlichen Umgebung zu modellieren und zu simulieren, stellt einen entscheidenden Vorteil gegenüber herkömmlichen Simulationslösungen dar. Die Vorteile der Multiphysik-Simulation liegen dabei vor allem in der umfassenden Analyse: Durch die Integration verschiedener physikalischer Phänomene erlangen Ingenieure ein tieferes Verständnis komplexer Wechselwirkungen innerhalb eines Systems. Dies führt zu genaueren Vorhersagen und einem robusteren Design. Zudem verkürzt das frühzeitige Erkennen von möglichen Fehlern bereits im Designprozess die Entwicklungszeit und reduziert so zugleich die Kosten. So sparte das Industrial Technology Research Institute (ITR) durch den Einsatz einer Simulations-App zur Vorhersage von Verformungen und Spannungen beim Laser-Pulverbett-Schmelzen bis zu 83% der Kosten und 99% der Zeit beim 3D-Druck von Raketeninjektoren für Taiwan Innovative Space ein.
Einen digitalen Zwilling erstellen
Um aufzuzeigen, mit wie wenig Aufwand die Nutzung digitaler Zwillinge die übergeordnete Effizienz erhöht, soll im Folgenden der Prozess der Entwicklung eines solchen nachvollzogen werden. Die einzelnen Phasen bieten Einblicke, die branchenübergreifend Gültigkeit haben und den strategischen Abwägungen von Entscheidern zugrunde liegen sollten.
Lebenszyklus-Phase 1: In der Design- und Herstellungsphase eines digitalen Zwillings werden anhand gesammelter realer Daten des physischen Objekts virtuelle Modelle entwickelt. In dieser Phase geht es um Trial & Error: Die Konzepte werden getestet, modifiziert und optimiert. Auf diese Weise entsteht mittels 3D-Simulation unter nahezu realen Bedingungen ein digitaler Prototyp – die ideale Grundlage für umfassende Analysen und gelingendes Engineering.
Lebenszyklus-Phase 2: In der operativen Phase wird die Maschine in der realen Welt in Betrieb genommen; ihr gegenüber steht der entsprechende digitale Zwilling, der Messungen und die Überwachung während der Inbetriebnahme übernimmt. Optimierungen und Modifikationen lassen sich dabei problemlos umsetzen.
Lebenszyklus-Phase 3: Die gewonnenen Daten aus dem Betrieb des digitalen Zwillings werden zur Weiterentwicklung neuer Maschinen verwendet. Das Simulationsmodell steht dem Maschinenhersteller zur Verfügung, um alle geplanten Erweiterungen vorab sicher zu testen. Das Ergebnis: Bei Um- oder Aufrüstungen sind nur minimale Stillstandzeiten erforderlich, was wiederum Kosten und Zeit einspart.
In der Praxis
Durch die Datenanalyse eines digitalen Zwillings können Ressourcen für physische Prototypen und Testverfahren reduziert und die Lebensdauer von Anlagen signifikant verlängert werden. Design- und Prozessanpassungen lassen sich virtuell durchführen und prüfen, bevor sie in der realen Welt angewendet werden. Im Bereich der Simulation ist es zudem möglich hochresponsive Ersatzmodelle, die auf neuronalen Netzwerken basieren, mit den Resultaten aus den Multiphysikmodellen zu trainieren. Solche Modelle sind in der Lage, innerhalb von Sekunden neue Ergebnisse für stark nichtlineare und komplexe Systeme mit hoher Genauigkeit zu liefern und eignen sich daher hervorragend für den Einsatz in digitalen Zwillingen.
Multiphysics ist die Plattform von Comsol für die Erstellung physikbasierter Modelle und Simulations-Apps. Sie umfasst den Model Builder, den Application Builder sowie den Model Manager. Der Model Builder enthält alle Funktionen und Operationen zum Erstellen, Lösen, Visualisieren und Auswerten von Modellen. Mit dem Application Builder, lassen sich Add-On-Module direkt in die Simulationsplattform integrieren. Der Model Manager ist ein Workspace für das Management von Modellen und Apps. Um sowohl Einzel- als auch Multiphysik zu modellieren, lassen sich Add-On-Module direkt in die Multiphysics-Plattform integrieren. Mit der Comsol-Software wurde beispielsweise in der Automobilbranche die Entwicklung eines digitalen Zwillings für die Thermomanagementsysteme eines Elektrofahrzeugs erfolgreich umgesetzt. Hierbei wurden Strömungs-, Wärme- und Elektrochemiesimulationen kombiniert, um die Kühlung von Batterien während unterschiedlicher Belastungsszenarien präzise zu analysieren. Ingenieurinnen konnten durch den digitalen Zwilling die Effizienz des Kühlsystems optimieren und gleichzeitig die physische Prototyping-Phase erheblich verkürzen. Comsol ermöglicht es zudem maßgeschneiderte Simulationslösungen für digitale Zwillinge zu entwickeln, welche zur Überwachung und Optimierung von Wärmeabfuhrstrategien in Echtzeit dienen. Dies ist entscheidend, um die Zuverlässigkeit und Lebensdauer elektronischer Komponenten zu verbessern.
Fazit
Digitale Zwillinge und Multiphysik-Simulationen sind entscheidende und leistungsstarke Werkzeuge, die die Zukunft moderner Engineering-Prozesse bestimmen. Sie ermöglichen es Ingenieuren und Entwicklern, durch die Einbindung dieser Technologien in die Konstruktionsabläufe die Qualität und Verlässlichkeit ihrer Produkte zu verbessern, Entwicklungszeiten zu verkürzen und Kosten zu optimieren. Die präzise Modellierung und Simulation physikalischer Phänomene macht Simulationsanbieter zu unverzichtbaren Partnern, um Engineering-Prozesse zu optimieren.
