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.



  • Was international tätige Projektingenieure können sollten

    Was international tätige Projektingenieure können sollten

    Zurzeit liegt weder ein fest umrissenes Berufsbild noch klar formulierte Anforderungen an Projektingenieure vor, die in internationalen Projekten eingebunden sind.

    mehr lesen: Was international tätige Projektingenieure können sollten

  • Neuer Geschäftsführer bei Cideon

    Neuer Geschäftsführer bei Cideon

    Zum 1. November hat Dr. Clemens Weis die operative Geschäftsführung von Cideon übernommen. Er folgt auf Clemens Voegele, der den Posten des Chief Digital Officers der Friedhelm Loh Group übernommen…

    mehr lesen: Neuer Geschäftsführer bei Cideon

  • Partnerschaft für verbessertes Service Lifecycle Management

    Partnerschaft für verbessertes Service Lifecycle Management

    Gemeinsam wollen MHP und IFS verbesserte Lösungen für ein durchgängiges Service Lifecycle Management anbieten.

    mehr lesen: Partnerschaft für verbessertes Service Lifecycle Management

  • Jedes vierte Unternehmen will mehr Produktionsprozesse auslagern

    Jedes vierte Unternehmen will mehr Produktionsprozesse auslagern

    25 Prozent der Unternehmen in Deutschland rechnen damit, dass in den kommenden fünf Jahren mehr Produktionsprozesse ausgelagert werden. Damit beschäftigen sich vor allem kleinere Unternehmen (bis 50Mio.€ Jahresumsatz). Etwa jede…

    mehr lesen: Jedes vierte Unternehmen will mehr Produktionsprozesse auslagern

  • Maschinenbauexporte überwinden Tiefpunkt

    Maschinenbauexporte überwinden Tiefpunkt

    Die Maschinenexporte aus Deutschland stabilisieren sich zunehmend. Im September verbuchten die Maschinen- und Anlagenbauer aus Deutschland beim Exportgeschäft ein Minus in Höhe von 7,6 Prozent im Vorjahresvergleich. Im Zeitraum Juli…

    mehr lesen: Maschinenbauexporte überwinden Tiefpunkt

  • 90 Anträge für Campusnetze

    90 Anträge für Campusnetze

    Mit Campusnetzen können Industrieunternehmen ihr eigenes 5G-Netzwerk betreiben. Ein Jahr nach Inkrafttreten der entsprechenden Vergabebedingungen sind bei der Bundesnetzagentur rund 90 Anträge eingegangen.

    mehr lesen: 90 Anträge für Campusnetze

  • Prüfkriterien zur KI-Zertifizierung

    Prüfkriterien zur KI-Zertifizierung

    Um das wirtschaftliche und gesellschaftliche Potential von künstlicher Intelligenz auszuschöpfen, müssen Menschen den Entscheidungen von KI-Systemen und den mit ihnen verbundenen Prozessen vertrauen. Dazu kann eine entsprechende Zertifizierung beitragen. Nach…

    mehr lesen: Prüfkriterien zur KI-Zertifizierung

  • SPS-MAGAZIN zeigt Herbst-Innovationen 2020

    SPS-MAGAZIN zeigt Herbst-Innovationen 2020

    Die Innovationen der Automatisierung im Rampenlicht: Im Sonderteil GROSSER HERBST DER INNOVATIONEN des aktuellen SPS-MAGAZINs präsentieren die führenden Anbieter der Automatisierungstechnik die neuen Produkte und Lösungen, die sie eigentlich auf…

    mehr lesen: SPS-MAGAZIN zeigt Herbst-Innovationen 2020

  • Softeq eröffnet Innovation Lab

    Softeq eröffnet Innovation Lab

    Technologieentwicklung Softeq eröffnet Innovation Lab Das IT-Unternehmen Softeq, mit Hauptsitz in Houston und Dependance unter anderem in München, will mithilfe des Integrated Design and Management Program vom Massachusetts Institute of…

    mehr lesen: Softeq eröffnet Innovation Lab

  • Sicherer Datentransfer mit OPC UA

    Sicherer Datentransfer mit OPC UA

    Genua hat seine Cyber-Diode für OPC UA erweitert. Die Securitylösung lässt den Datentransfer ausschließlich in eine Richtung zu – in Gegenrichtung blockt sie jeden Informationsfluss ab.

    mehr lesen: Sicherer Datentransfer mit OPC UA

  • Thermografiekameras und deren Kalibrierung

    Thermografiekameras und deren Kalibrierung

    Praktisch alle im Handel erhältlichen Thermografiekameras zeigen für die Messpunkte im Kamerabild Temperaturwerte an. Jedoch ist nicht offengelegt, wie der Kalibrierprozess stattgefunden hat.

    mehr lesen: Thermografiekameras und deren Kalibrierung

  • Wieder mehr Beschäftigte in der Industrie

    Wieder mehr Beschäftigte in der Industrie

    Im Vergleich zum Vorjahr verzeichnen die deutschen Industrieunternehmen zwar weniger Beschäftigte, im Vergleich zum August 2020 ist die Zahl der Beschäftigen jedoch erstmals seit einem Jahr wieder gestiegen.

    mehr lesen: Wieder mehr Beschäftigte in der Industrie