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.



  • Maschinen- und Anlagenbau spürt leichten Rückenwind

    Maschinen- und Anlagenbau spürt leichten Rückenwind

    Der Maschinen- und Anlagenbau zieht eine gemischte Bilanz für das abgelaufene Jahr, so das Ergebnis der 9. VDMA-Blitzumfrage zu den wirtschaftlichen Auswirkungen der Corona-Pandemie, an der 575 Mitgliedsunternehmen teilnahmen. Vier…

    mehr lesen: Maschinen- und Anlagenbau spürt leichten Rückenwind

  • PlusServer und GFT kooperieren für das IoT

    PlusServer und GFT kooperieren für das IoT

    Mit der Sphinx Open Online on Pluscloud haben Plusserver und GFT Technologies ihre Kompetenzen im Bereich IoT gebündelt. Einsatzgebiete sind beispielsweise Smart Factories in der Produktion.

    mehr lesen: PlusServer und GFT kooperieren für das IoT

  • ATS erwirbt Lean Scheduling International

    ATS erwirbt Lean Scheduling International

    Mit der Übernahme durch ATS Global wird aus der Lean Scheduling international die ATS Lean Scheduling International.

    mehr lesen: ATS erwirbt Lean Scheduling International

  • Lynx Software Technologies gewinnt Preis

    Lynx Software Technologies gewinnt Preis

    Lynx Software Technologies gibt bekannt, dass Lynx Mosa.ic im Rahmen der IoT Breakthrough Awards zur ‚IoT Security Platform of the Year‘ gekürt wurde.

    mehr lesen: Lynx Software Technologies gewinnt Preis

  • Plattformmodul für die Produktion

    Plattformmodul für die Produktion

    Dynatrace tritt in den Markt für Cloud Application Security ein. Dazu hat das Unternehmen seine Software-Intelligence-Plattform um ein neues Modul erweitert: Das neue Dynatrace Application Security Module bietet kontinuierliche Runtime-Application-Self-Protection…

    mehr lesen: Plattformmodul für die Produktion

  • Gefahrenpotenzial steigt weiter

    Gefahrenpotenzial steigt weiter

    Was wird sich bei der Sicherheit kritischer Infrastrukturen, Industrie- und Produktionsanlagen im neuen Jahr ändern? Welche Herausforderungen erwarten die Sicherheitsverantwortlichen, welche Trends zeichnen sich ab? Die Experten für industrielle Cybersecurity…

    mehr lesen: Gefahrenpotenzial steigt weiter

  • Mehr Polizeipräsenz im digitalen Raum

    Mehr Polizeipräsenz im digitalen Raum

    Die Bedrohung durch Internetkriminelle wird immer größer. Darüber sind sich 94% der Internetnutzer einig. Die große Mehrheit sieht daher Staat und Behörden in der Pflicht, stärker gegen Kriminelle im digitalen…

    mehr lesen: Mehr Polizeipräsenz im digitalen Raum

  • Ende-zu-Ende Technologie-Stack mit Funktechnik

    Ende-zu-Ende Technologie-Stack mit Funktechnik

    Um die Entwicklung KI-basierter Funksensor-Edge-Anwendungen zu vereinfachen, hat SSV mit dem WSEI/154A den weltweit ersten Ende-zu-Ende Technologie-Stack mit einer 868MHz-Funktechnik gemäß IEEE802.15.4 entwickelt. Als Sensing Endpoint gehört ein Evaluation Board…

    mehr lesen: Ende-zu-Ende Technologie-Stack mit Funktechnik

  • Verlängerter Lockdown lässt Wirtschaft stagnieren

    Verlängerter Lockdown lässt Wirtschaft stagnieren

    Nach ersten Schätzungen geht das Ifo-Institut von einer Stagnation der Wirtschaftsleistung im ersten Quartal aus. Erst im zweiten Quartal gehen die Experten wieder von einem Zuwachs aus.

    mehr lesen: Verlängerter Lockdown lässt Wirtschaft stagnieren

  • Intelligente Überwachung von Produktionsmaschinen

    Intelligente Überwachung von Produktionsmaschinen

    Die Forschungspartner Technische Hochschule Deggendorf und die Technische Universität München sowie den beiden Unternehmen Schindler & Schill (EasyLogix) und Systema haben das BMWi-ZIM-Projekt MobiCM erfolgreich abgeschlossen. Ziel war die Entwicklung…

    mehr lesen: Intelligente Überwachung von Produktionsmaschinen

  • DIN und VDE DKE kooperieren mit Enterprise Singapore

    DIN und VDE DKE kooperieren mit Enterprise Singapore

    Die Normungsorganisationen DIN und VDE DKE haben eine Kooperationsvereinbarung mit ‚Enterprise Singapore‘ getroffen. Die Zusammenarbeit soll unter anderem die Bereiche Industrie 4.0 sowie künstliche Intelligenz umfassen.

    mehr lesen: DIN und VDE DKE kooperieren mit Enterprise Singapore