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.



  • Der Fokus liegt auf der Elektromobilität

    Der Fokus liegt auf der Elektromobilität

    Eine gemeinsame Studie von VDA und Deloitte zeigt, dass Automobilzulieferer sich mitten in der Transformation befinden, aktuell jedoch noch 85 Prozent des Umsatzes aus der Verbrennertechnologie generiert wird. Dabei geht…

    mehr lesen: Der Fokus liegt auf der Elektromobilität

  • Förderung für den Messeauftritt

    Förderung für den Messeauftritt

    Kleine und mittlere Unternehmen können für Ihren Auftritt bei bestimmten Messen eine Förderung des BMWi in Anspruch nehmen. Auf bis zu 12.000€ kann sich der Förderbetrag belaufen.

    mehr lesen: Förderung für den Messeauftritt

  • Wenn Cyberangriffe schiefgehen

    Wenn Cyberangriffe schiefgehen

    Ransomware hat sich zu einem kriminellen Geschäft mit hohen Um- und Einsätzen entwickelt. Doch nicht jeder Angriff verläuft wie geplant. Der Security-Anbieter Sophos zählt einige Pannen auf.

    mehr lesen: Wenn Cyberangriffe schiefgehen

  • Universal Robots erzielt +75 Prozent

    Universal Robots erzielt +75 Prozent

    Nach einem großen Umsatzplus im zweiten Quartal rechnet Universal Robots auch im 3. Quartal mit einem zweistelligen Umsatzwachstum.

    mehr lesen: Universal Robots erzielt +75 Prozent

  • Internationale Lieferketten bleiben bestehen

    Internationale Lieferketten bleiben bestehen

    Deutsche Unternehmen halten an ihren international aufgestellten Lieferketten fest — trotz der Probleme während der Pandemie. Dabei setzen Großunternehmen auf mehr Zulieferer, kleinere und mittlere Unternehmen auf mehr Lagerhaltung, so…

    mehr lesen: Internationale Lieferketten bleiben bestehen

  • German Edge Cloud und Schuler kooperieren

    German Edge Cloud und Schuler kooperieren

    German Edge Cloud kooperiert mit dem Anlagenbauer Schuler. Im Zuge der Kooperation bietet Schuler innerhalb seiner Digital Suite eine Track- und Trace-Lösung für Presswerke an, die auf der Technologie der…

    mehr lesen: German Edge Cloud und Schuler kooperieren

  • Bechtle übernimmt Cadmes

    Bechtle übernimmt Cadmes

    Bechtle baut die Präsenz in den Niederlanden und Belgien aus. Das Unternehmen hat den CAD/CAM/PLM-Spezialisten Cadmes übernommen.

    mehr lesen: Bechtle übernimmt Cadmes

  • Wechsel in der Leitung bei ABB Elektrifizierung in Deutschland

    Wechsel in der Leitung bei ABB Elektrifizierung in Deutschland

    Torsten Nolting (Bild) übernimmt am 1. August die Leitung der Business Area Elektrifizierung in Deutschland. Er folgt damit auf Uwe Laudenklos, der am 1. April des Jahres zum Lead Business…

    mehr lesen: Wechsel in der Leitung bei ABB Elektrifizierung in Deutschland

  • Siemens erzielt Auftrags- und Umsatzplus

    Siemens erzielt Auftrags- und Umsatzplus

    Mit einem Auftrags- und Umsatzplus hat Siemens das dritte Quartal abgeschlossen. Der Ausblick für das aktuelle Geschäftsjahr wurde zudem angehoben.

    mehr lesen: Siemens erzielt Auftrags- und Umsatzplus

  • Hoher Schaden für die deutsche Wirtschaft

    Hoher Schaden für die deutsche Wirtschaft

    Ein Schaden in Höhe von 223Mrd.€ entsteht der deutschen Wirtschaft jährlich durch Diebstahl, Spionage und Sabotage. Allein Ransomware-Angriffe nahmen im Vergleich zu den Jahren 2018/2019 um 358 Prozent zu.

    mehr lesen: Hoher Schaden für die deutsche Wirtschaft

  • Wieder mehr persönlicher Kundenkontakt in der Industrie

    Wieder mehr persönlicher Kundenkontakt in der Industrie

    Im Zuge der Pandemie setzten viele Unternehmen auf digitale Kommunikation. Laut einer Umfrage des Finanzdienstleisters CBAF treffen vier von fünf Industrieunternehmen ihre Kunden wieder persönlich. Probleme haben die Befragten derzeit…

    mehr lesen: Wieder mehr persönlicher Kundenkontakt in der Industrie

  • Software AG mit neuem Management-Team

    Software AG mit neuem Management-Team

    Die Software AG führt eine neue Management-Team-Struktur ein. Das neue Team soll aus den vier Vorstandsmitgliedern sowie zwei intern ernannten Mitgliedern bestehen und die Struktur ergänzen: Scott Little wird ab…

    mehr lesen: Software AG mit neuem Management-Team