Multiphysik-Simulation und digitale Zwillinge im Engineering

0:000:00

Die Comsol-Plattform ermöglicht die Entwicklung verschiedener Apps für spezifische Anwendungen. So kann man mit dem Lithium-Akkupack-Designer ein Temperaturprofil des Akkus auf der Grundlage der thermischen Masse und der erzeugten Wärme in Verbindung mit den Spannungsverlusten des Akkus zu berechnen.
Die Comsol-Plattform ermöglicht die Entwicklung verschiedener Apps für spezifische Anwendungen. So kann man mit dem Lithium-Akkupack-Designer ein Temperaturprofil des Akkus auf der Grundlage der thermischen Masse und der erzeugten Wärme in Verbindung mit den Spannungsverlusten des Akkus zu berechnen. – Bild: Comsol Multiphysics GmbH

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.

Das Semiconductor Module bietet spezielle Funktionen für die Analyse der Funktionsweise von Halbleiterbauelementen auf der Ebene der grundlegenden Physik.
Das Semiconductor Module bietet spezielle Funktionen für die Analyse der Funktionsweise von Halbleiterbauelementen auf der Ebene der grundlegenden Physik. – Bild: Comsol Multiphysics GmbH

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.



  • Quantencomputing für den digitalen Zwilling

    Quantencomputing für den digitalen Zwilling

    Mit dem Forschungsprojekt ’Quasim’ verfolgen das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen und ihre Konsortialpartner das Ziel, Fertigungssimulationen wie etwa den digitalen Zwilling mithilfe von Quantencomputing zu beschleunigen und dadurch…

    mehr lesen: Quantencomputing für den digitalen Zwilling

  • Andreas Reif wird CFO bei Auvesy-MDT

    Andreas Reif wird CFO bei Auvesy-MDT

    Auvesy-MDT hat sein Management-Team erweitert und seit Jahresanfang mit Andreas Reif einen neuen CFO.

    mehr lesen: Andreas Reif wird CFO bei Auvesy-MDT

  • Dassault Systèmes verändert Konzernleitung

    Dassault Systèmes verändert Konzernleitung

    Pascal Daloz soll sich auf seine Aufgabe als Chief Operating Officer von Dassault Systèmes konzentrieren. Rouven Bergmann wird zum Executive Vice President und Chief Financial Officer des Konzerns ernannt.

    mehr lesen: Dassault Systèmes verändert Konzernleitung

  • Trotz Personalmangels die Cybersicherheit verbessern

    Trotz Personalmangels die Cybersicherheit verbessern

    76 Prozent der Security-Verantwortlichen berichteten von einer Zunahme der Cyberangriffe im vergangenen Jahr – beschleunigt durch die Covid-19-Pandemie und eine rasche Verlagerung von Büro- zu Remote-Mitarbeitern sowie von der lokalen…

    mehr lesen: Trotz Personalmangels die Cybersicherheit verbessern

  • Softing mit neuer Doppelspitze

    Softing mit neuer Doppelspitze

    Softing Industrial Automation wird seit Jahresbeginn von einer Doppelspitze geleitet. Thomas Hilz und Thomas Rummel haben die Nachfolge von Frank Steinhoff angetreten.

    mehr lesen: Softing mit neuer Doppelspitze

  • EU investiert 43Mrd.€ in Halbleiterfertigung

    EU investiert 43Mrd.€ in Halbleiterfertigung

    Das Chip-Gesetzt soll die Resilienz sowie die Wettbewerbsfähigkeit Europas in Sachen Halbleitertechnologien stärken. Die EU-Kommission hat nun die Eckpunkte des Gesetzes vorgestellt.

    mehr lesen: EU investiert 43Mrd.€ in Halbleiterfertigung

  • Kaspersky meldet Allzeithoch

    Kaspersky meldet Allzeithoch

    DDoS-Angriffe haben im letzten Quartal 2021 ein trauriges Allzeithoch erreicht. Laut Kaspersky-Telemetrie ist die Gesamtzahl der DDoS-Angriffe im Vergleich zum dritten Quartal 2021 um 52% gestiegen. Das ist 4,5-mal höher…

    mehr lesen: Kaspersky meldet Allzeithoch

  • Integrierte Angriffserkennung und -blockierung in Echtzeit

    Integrierte Angriffserkennung und -blockierung in Echtzeit

    Dynatrace hat das Application Security Module erweitert. Es bietet nun eine automatische Erkennung und Abwehr von Angriffen in Echtzeit. Dies schützt vor Injection-Attacken, die kritische Schwachstellen wie Log4Shell ausnutzen.

    mehr lesen: Integrierte Angriffserkennung und -blockierung in Echtzeit

  • Eva Heuer wird Gesellschafterin bei T.Con

    Eva Heuer wird Gesellschafterin bei T.Con

    Mit Eva Heuer hat die T.Con eine neue Gesellschafterin. Seit 2019 ist sie Personalverantwortliche des SAP-Partners und wird sich dieser Aufgabe auch weiterhin widmen.

    mehr lesen: Eva Heuer wird Gesellschafterin bei T.Con

  • Aufträge für die nächsten 4,5 Monate

    Aufträge für die nächsten 4,5 Monate

    Der Auftragsbestand der deutschen Industrie reicht laut Berechnungen des Ifo Instituts für die nächsten 4,5 Monate. In der Automobilindustrie liegt der Auftragsbestand sogar bei 8 Monaten.

    mehr lesen: Aufträge für die nächsten 4,5 Monate

  • Keba übernimmt Drag and Bot

    Keba übernimmt Drag and Bot

    Drag and Bot gehört nun zur Keba Gruppe. Der Österreichische Automatisierungsspezialist hat die Übernahme bereits Ende vergangenen Jahres abgeschlossen.

    mehr lesen: Keba übernimmt Drag and Bot

  • Jaggaer übernimmt DocSkiff

    Jaggaer übernimmt DocSkiff

    Der Source-to-Pay-Anbieter Jaggaer übernimmt die KI-gestützte Vertragsanalyseplattform DocSkiff und will durch die Akquise, nach eigenen Angaben, die ’Autonomous Commerce’-Strategie vorantreiben.

    mehr lesen: Jaggaer übernimmt DocSkiff