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.



  • Die Nominierten stehen fest

    Die Nominierten stehen fest

    Hermes Award 2021 Die Nominierten stehen fest Bosch Rexroth, Phoenix Contact und Pilz sind die Nominierten für den Hermes Award der im Rahmen der Hannover Messe Digital Edition verliehen wird.

    mehr lesen: Die Nominierten stehen fest

  • Partnerschaft zwischen Synaos und SEW-Eurodrive

    Partnerschaft zwischen Synaos und SEW-Eurodrive

    Synaos und SEW-Eurodrive wollen in einem gemeinsamen Projekt das Zusammenspiel von künstlicher Intelligenz und mobilen Robotern erproben und verbessern.

    mehr lesen: Partnerschaft zwischen Synaos und SEW-Eurodrive

  • Procad kauft Produktkonfigurator-Spezialisten Acatec

    Procad kauft Produktkonfigurator-Spezialisten Acatec

    Der Karlsruher PLM-Anbieter Procad hat Acatec erworben. Wenige Monate nach Beginn einer Partnerschaft mit dem Spezialisten für Produktkonfiguratoren sprachen die Synergieeffekte für die Akquisition, heißt es in der Pressemitteilung.

    mehr lesen: Procad kauft Produktkonfigurator-Spezialisten Acatec

  • Das selbstständige Warehouse-Management-System

    Das selbstständige Warehouse-Management-System

    ZIM-Förderung für Forschungsprojekt ‚SeSoGEN‘ Das selbstständige Warehouse-Management-System Die CIM GmbH und die Technische Universität München entwickeln im Rahmen eines Forschungsprojektes intelligente Lagersoftware die selbstständig Einlagerungsstrategien entwickeln kann.

    mehr lesen: Das selbstständige Warehouse-Management-System

  • Mercedes-Benz und Siemens schließen Partnerschaft

    Mercedes-Benz und Siemens schließen Partnerschaft

    Mercedes-Benz will die Produktionsaktivitäten am Standort in Berlin-Marienfelde neu gestalten. Dort soll ein Zentrum für Digitalisierung entstehen. Dafür arbeitet der Autobauer mit Siemens zusammen.

    mehr lesen: Mercedes-Benz und Siemens schließen Partnerschaft

  • Arbeitsmarktbarometer legt erneut zu

    Arbeitsmarktbarometer legt erneut zu

    Im aktuellen IAB-Arbeitsmarktbarometer stehen die Zeichen auf Entspannung. Beide Komponenten des Indexes gaben im März positive Signale.

    mehr lesen: Arbeitsmarktbarometer legt erneut zu

  • UiPath übernimmt Cloud Elements

    UiPath übernimmt Cloud Elements

    Cloud Elements gehört ab sofort zu UiPath. Durch die Akquisition kann der RPA-Anbieter zukünftig Benutzeroberflächen- und API-basierte Automatisierung auf einer Plattform anbieten.

    mehr lesen: UiPath übernimmt Cloud Elements

  • Europäische CEO Alliance unterstützt Klimastrategie

    Europäische CEO Alliance unterstützt Klimastrategie

    CEOs unterschiedlicher Unternehmen haben sich zur CEO Alliance 2020 zusammengeschlossen, um Europa zu einer führenden Region in Sachen Klimaschutz zu machen.

    mehr lesen: Europäische CEO Alliance unterstützt Klimastrategie

  • Cognizant übernimmt ESG Mobility

    Cognizant übernimmt ESG Mobility

    Cognizant übernimmt ESG Mobility und will dadurch seine Expertise im Bereich autonome und vernetzte Mobilität ausweiten.

    mehr lesen: Cognizant übernimmt ESG Mobility

  • Robert Bosch GmbH ordnet Geschäftsführung neu

    Robert Bosch GmbH ordnet Geschäftsführung neu

    Die Robert Bosch GmbH gibt Veränderungen in der Geschäftsführung bekannt. Uwe Rasche und Michael Bolle verlassen das Unternehmen. Somit werden die Zuständigkeiten innerhalb der Geschäftsführung neu geordnet.

    mehr lesen: Robert Bosch GmbH ordnet Geschäftsführung neu

  • Mehr Resilienz durch Digital Workplace

    Mehr Resilienz durch Digital Workplace

    In einer Studie von Campana & Schott geben zwei Drittel der Befragten an, dass digitale Arbeitsplätze Resilienz und Effizienz steigern. Fast die Hälfte der Studienteilnehmer hat bereits solche Arbeitsplätze eingeführt.

    mehr lesen: Mehr Resilienz durch Digital Workplace

  • Forschung am digitalen Zwilling

    Forschung am digitalen Zwilling

    Das Projekt IoT4DigitalTwin ist Teil der europäischen Initiative IoT4Industry im Rahmen des Programms Horizon 2020. Geprom Connecting Inustries und Gefasoft GmbH haben ein Konsortium gebildet mit dem Ziel, einen digitalen…

    mehr lesen: Forschung am digitalen Zwilling