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.



  • Zu wenig in Vermeidung investiert

    Zu wenig in Vermeidung investiert

    Obwohl einer von zehn vermiedenen Sicherheitsvorfällen schwerwiegend ist, zeigt ein aktueller Kaspersky-Report ‚Cybersicherheits-Eckpfeiler für proaktive Entscheidungsträger‘ jedoch, dass 26% der Entscheidungsträger in Deutschland (23% in Europa) nicht genug in die…

    mehr lesen: Zu wenig in Vermeidung investiert

  • Geschäftsleitung bei IPG neu strukturiert

    Geschäftsleitung bei IPG neu strukturiert

    Nach mehr als 20 Jahren operativer Tätigkeit hat der bisherige CEO und Co-Founder der IPG Group, Marco Rohrer, das Präsidium im Verwaltungsrat der IPG Gruppe übernommen. Claudio Fuchs wird somit…

    mehr lesen: Geschäftsleitung bei IPG neu strukturiert

  • Wieder mehr Menschen in Kurzarbeit

    Wieder mehr Menschen in Kurzarbeit

    Nach Angaben des Ifo Instituts ist die Zahl der Kurzarbeitenden in Deutschland im Dezember auf 879.000 Menschen gestiegen. Vor allem in der Automobilindustrie ist der Anteil an Beschäftigten in Kurzarbeit…

    mehr lesen: Wieder mehr Menschen in Kurzarbeit

  • Autonomer Rennwagen der TU München fährt zum Vizetitel

    Autonomer Rennwagen der TU München fährt zum Vizetitel

    Im Rahmen der Autonomous Challenge @CES hat das Team der Technischen Universität München den 2. Platz belegt. Bei Geschwindigkeiten von bis zu 270km/h belegte am Ende das Team aus Mailand…

    mehr lesen: Autonomer Rennwagen der TU München fährt zum Vizetitel

  • Tobias Klein wird CFO bei Prime Computer

    Tobias Klein wird CFO bei Prime Computer

    Prime Computer hat Tobias Klein zum Chief Financial Officer ernannt. In seiner neuen Position soll er die globale Finanzorganisation des Unternehmens leiten.

    mehr lesen: Tobias Klein wird CFO bei Prime Computer

  • Industrial Digital Twin Association und Open Industry 4.0 Alliance arbeiten zusammen

    Industrial Digital Twin Association und Open Industry 4.0 Alliance arbeiten zusammen

    Im Rahmen einer strategischen Partnerschaft wollen die Industrial Digital Twin Association und Open Industry 4.0 Alliance zusammenarbeiten. Erste Kooperationsprojekte werden Ende Januar vorgestellt.

    mehr lesen: Industrial Digital Twin Association und Open Industry 4.0 Alliance arbeiten zusammen

  • Kritische Berichte über KI in der Unterzahl

    Kritische Berichte über KI in der Unterzahl

    Über künstliche Intelligenz wird in der Medienlandschaft weitgehend positiv berichtet, so eine Analyse des KI-Spezialisten SAS. Laut Analyse ist der überwiegende Teil der Berichterstattung dabei entweder deutlich kritisch oder deutlich…

    mehr lesen: Kritische Berichte über KI in der Unterzahl

  • Aus Auvesy und MDT Software wird Auvesy-MDT

    Aus Auvesy und MDT Software wird Auvesy-MDT

    Auvesy und MDT Software schließen sich zur Auvesy-MDT zusammen und wollen künftig unter der neuen Marke Softwarelösungen für die industrielle Automatisierung anbieten.

    mehr lesen: Aus Auvesy und MDT Software wird Auvesy-MDT

  • Spielerisch zu mehr MES-Knowhow

    Spielerisch zu mehr MES-Knowhow

    Was ist eigentlich eine Smart Factory? Dieser Frage nähert sich die MPDV-Gruppe spielerisch und hat dafür die App MyFactoryMania auf den Markt gebracht.

    mehr lesen: Spielerisch zu mehr MES-Knowhow

  • Fellowmind übernimmt ERP-Spezialisten Applabs

    Fellowmind übernimmt ERP-Spezialisten Applabs

    Der Microsoft Gold-Partner Fellowmind treibt seine Wachstumsstrategie weiter voran und hat mit Applabs ein drittes deutsches Unternehmen übernommen.

    mehr lesen: Fellowmind übernimmt ERP-Spezialisten Applabs

  • NTI Kailer eröffnet Standort in Burgau

    NTI Kailer eröffnet Standort in Burgau

    NTI Kailer expandiert mit einem weiterem Standort im Burgau (Bayern). Insgesamt verfügt das Unternehmen somit über 11 Niederlassungen in Deutschland.

    mehr lesen: NTI Kailer eröffnet Standort in Burgau

  • Gesellschaftlichen Problemen mit technischem Fortschritt entgegentreten

    Gesellschaftlichen Problemen mit technischem Fortschritt entgegentreten

    Technologien können die Welt verbessern und beispielsweise bei der Bewältigung des Klimawandels helfen. Das geht aus dem Bosch Tech Compass hervor.

    mehr lesen: Gesellschaftlichen Problemen mit technischem Fortschritt entgegentreten