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.



  • Cybercrime in Deutschland

    Cybercrime in Deutschland

    Schon seit Jahren ist zu beobachten, dass die Bedrohung durch Cyberkriminelle kontinuierlich zunimmt. Allein im Vorjahr wurden nach Angaben des Bundeskriminalamts (BKA) fast 110.000 Cyberattacken in Deutschland registriert. Das sind…

    mehr lesen: Cybercrime in Deutschland

  • Schutz von Industrieunternehmen

    Schutz von Industrieunternehmen

    Industrielle Netzwerke sind äußerst unterschiedlich. Entsprechend benötigen Unternehmen effektive Cybersicherheitslösungen, die sich auf die individuellen Anforderungen abstimmen lassen und sich mit ihren Zielen weiterentwickeln können, ohne ihre Infrastruktur oder ihr…

    mehr lesen: Schutz von Industrieunternehmen

  • Peter Schmidt wird Chief Revenue Officer bei iPoint

    Peter Schmidt wird Chief Revenue Officer bei iPoint

    Compliance-Software-Pionier Peter Schmidt wird Chief Revenue Officer bei iPoint Auf der neu geschaffenen Position des Chief Revenue Officer soll Peter Schmidt das internationale Geschäft bei iPoint-Systems voranbringen. Der strategischen Neuausrichtung…

    mehr lesen: Peter Schmidt wird Chief Revenue Officer bei iPoint

  • IT-Dienstleister steigern Umsatz

    IT-Dienstleister steigern Umsatz

    Das Marktforschungsunternehmen Lünendonk & Hossenfelder hat im Rahmen der Studie ’Der Markt für IT-Beratung und IT-Services in Deutschland’ 83 IT-Dienstleister in Deutschland analysiert. Demnach konnten 65 Prozent von ihnen ihren…

    mehr lesen: IT-Dienstleister steigern Umsatz

  • Neuer Bedrohungsakteur PuzzleMaker

    Neuer Bedrohungsakteur PuzzleMaker

    Bereits im April entdeckten Kaspersky-Experten eine Reihe extrem zielgerichteter Cyberattacken gegen mehrere Unternehmen, die zuvor unentdeckte Google-Chrome- und Microsoft-Windows-Zero-Day-Exploits nutzten.

    mehr lesen: Neuer Bedrohungsakteur PuzzleMaker

  • Dan Smoot wird CEO bei Riverbed

    Dan Smoot wird CEO bei Riverbed

    Riverbed ernennt Dan Smoot zum President und CEO und will damit die nächste Wachstumsphase vorantreiben.

    mehr lesen: Dan Smoot wird CEO bei Riverbed

  • Fachkräftemangel im Maschinenbau verschärft sich wieder

    Fachkräftemangel im Maschinenbau verschärft sich wieder

    Im Maschinen- und Anlagenbau gewinnt der konjunkturelle Aufschwung deutlich an Fahrt. Doch nun rücken wieder zunehmend Fachkräfteengpässe in den Fokus der Unternehmen. Laut einer aktuellen Umfrage des VDMA unter rund…

    mehr lesen: Fachkräftemangel im Maschinenbau verschärft sich wieder

  • T-Systems CTO steht Board of Directors der Gaia-X Association vor

    T-Systems CTO steht Board of Directors der Gaia-X Association vor

    Maximilian Ahrens, CTO von T-Systems, wurde zum Vorsitzenden des Board of Directors der Gaia-X-Initiative gewählt.

    mehr lesen: T-Systems CTO steht Board of Directors der Gaia-X Association vor

  • Instabile Lieferketten machen Unternehmen zu schaffen

    Instabile Lieferketten machen Unternehmen zu schaffen

    Durchschnittlich 1Mio.€ Verlust Instabile Lieferketten machen Unternehmen zu schaffen Seit Anfang 2020 sind auch die Lieferketten weltweit immer instabiler und anfälliger geworden. Der Nachschub von Komponenten wie etwa Chips oder…

    mehr lesen: Instabile Lieferketten machen Unternehmen zu schaffen

  • SAP und TeamViewer arbeiten zusammen

    SAP und TeamViewer arbeiten zusammen

    Durch die strategischen Partnerschaft zwischen TeamViewer und SAP soll u.a. die AR-Lösung Frontline in das SAP-Angebot integriert werden.

    mehr lesen: SAP und TeamViewer arbeiten zusammen

  • Konsortium für Quantencomputing gegründet

    Konsortium für Quantencomputing gegründet

    Mit dem QUTAC haben sich zehn Unternehmen in einem Konsortium zusammengeschlossen um industrielle Anwendungen für Quantencomputing zu entwickeln.

    mehr lesen: Konsortium für Quantencomputing gegründet

  • Remote Work in der Fertigungsindustrie

    Remote Work in der Fertigungsindustrie

    Okta hat im Rahmen einer Studie ermittelt, wie Arbeitnehmer künftig arbeiten wollen. Demnach möchten sie ihr Arbeitsmodell zukünftig selbst wählen. Einige glauben jedoch nicht, dass ihr Arbeitgeber ihnen diese Flexibilität…

    mehr lesen: Remote Work in der Fertigungsindustrie