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.



  • Dassault Systèmes übernimmt alle Anteile von NuoDB

    Dassault Systèmes übernimmt alle Anteile von NuoDB

    Um die Weiterentwicklung seiner 3DEexperience-Plattform im Bereich Cloud und Data Science voranzutreiben, hat Dassault Systèmes das US-Unternehmen NuoDB übernommen.

    mehr lesen: Dassault Systèmes übernimmt alle Anteile von NuoDB

  • Modulare Sicherheit für modulare Produktionsanlagen

    Modulare Sicherheit für modulare Produktionsanlagen

    Die Industrie 4.0-Inititative SmartFactory-KL hat ein Whitepaper zur Absicherung von modularen Produktionsanlagen veröffentlicht. Die Grundlage für das Papier bildet ein ebenfalls modular aufgelegtes Safety-Konzept, das seit 2018 entwickelt wird.

    mehr lesen: Modulare Sicherheit für modulare Produktionsanlagen

  • Mehr Budget für mehr Digitalisierung

    Mehr Budget für mehr Digitalisierung

    Die Digitalisierung von Prozessen ist die Nummer-1-Priorität, wenn es um den Einsatz des IT-Budgets geht. Knapp die Hälfte im Rahmen einer Capgemini-Studie befragten Unternehmen will die Budgets im kommenden Jahr…

    mehr lesen: Mehr Budget für mehr Digitalisierung

  • Maschinen- und Anlagenbau trotzt der Krise

    Maschinen- und Anlagenbau trotzt der Krise

    Die Unternehmen im Maschinen- und Anlagenbau werden das Krisenjahr 2020 mit deutlichen Minusraten abschließen, die aber nicht so heftig ausfallen, wie erwartet. „Für nicht wenige Betriebe dürfte dieses Jahr im…

    mehr lesen: Maschinen- und Anlagenbau trotzt der Krise

  • Software AG und Re‘Flekt arbeiten zusammen

    Software AG und Re‘Flekt arbeiten zusammen

    Im Rahmen einer Partnerschaft wollen die Software AG und Re‘Flekt eine gemeinsame IoT & AR-Lösung auf den Weg bringen.

    mehr lesen: Software AG und Re‘Flekt arbeiten zusammen

  • Non-Profit-Verein soll Technologietransfer beschleunigen

    Non-Profit-Verein soll Technologietransfer beschleunigen

    Volkswagen hat mit sechs Partnerunternehmen den Industrial.Digitalisation PartnerNet e.V. gegründet. Die herstellerunabhängige Non-Profit-Organisation ist vor allem als Innovationsmotor für die Automobilbranche ausgelegt, aber auch andere Fertigungsbranchen sollen profitieren.

    mehr lesen: Non-Profit-Verein soll Technologietransfer beschleunigen

  • Intec und Z findet online statt

    Intec und Z findet online statt

    Auch das kommende Messejahr wird noch mit Einschränkungen zu kämpfen haben. Die Veranstalter der Intec und Z 2021 verlegen die Messe nun in die virtuelle Welt. Das Motto: ‘Intec und…

    mehr lesen: Intec und Z findet online statt

  • Auftragseingang auf Vorjahresniveau

    Auftragseingang auf Vorjahresniveau

    Im Oktober hielt sich der Auftragseingang der Maschinen- und Anlagenbauer auf dem Niveau des Vorjahres. Jedoch kommen die erneuten Einschränkungen in Folge der Corona-Krise im Berichtsmonat noch nicht zum Tragen.

    mehr lesen: Auftragseingang auf Vorjahresniveau

  • Vorteile von Standards und Normen nutzen

    Vorteile von Standards und Normen nutzen

    Für die Verbreitung von Innovationen sind Normen und Standards ein wichtiger Katalysator. Sie definieren die Meilensteine der Technik und ebnen innovativen Ideen den Weg zum Erfolg auf dem Markt. Auch…

    mehr lesen: Vorteile von Standards und Normen nutzen

  • Produktionspläne der Industrie gedämpft

    Produktionspläne der Industrie gedämpft

    Die Erwartungen der Produzenten an die nächsten Monate haben sich insgesamt wieder leicht ins Minus gedreht, ermittelten die Wirtschaftsforscher am ifo Institut. Vor allem Konsumgüter könnten sich wieder leicht schlechter…

    mehr lesen: Produktionspläne der Industrie gedämpft

  • IT-Sicherheit auf Linux-Basis

    IT-Sicherheit auf Linux-Basis

    In seiner kostenlosen Firewall Community, einer Sicherheitslösung auf Linux-Basis, steigt Endian ab der aktuellen Version 3.3.2 auf Rolling Releases um. Über Open-VPN können Mitarbeiter im Homeoffice sicher auf die Unternehmensressourcen…

    mehr lesen: IT-Sicherheit auf Linux-Basis

  • IPC mit zweiter Platinenebene

    IPC mit zweiter Platinenebene

    Der lüfterlose Industrie-PC C6027 von Beckhoff verfügt über eine zweite Platinenebene mit optionalen sechs RJ45-Ports oder integrierter 1s-USV.

    mehr lesen: IPC mit zweiter Platinenebene