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.



  • Immer weniger Arbeitsplätze hängen vom China-Geschäft ab

    Immer weniger Arbeitsplätze hängen vom China-Geschäft ab

    Die Anzahl der Arbeitsplätze in Deutschland, die vom Export nach China abhängen, ist seit 2021 um rund 40% gesunken, wie eine neue Analyse des Instituts der deutschen Wirtschaft (IW) zeigt.

    mehr lesen: Immer weniger Arbeitsplätze hängen vom China-Geschäft ab

  • Mehr IT-Dienstleister erleben Vorwürfe wegen Schlechtleistung

    Mehr IT-Dienstleister erleben Vorwürfe wegen Schlechtleistung

    Gegen zwei Drittel der IT-Dienstleister wurden im vergangenen Jahr seitens ihrer Auftraggeber Vorwürfe wegen angeblicher Schlechtleistung erhoben.

    mehr lesen: Mehr IT-Dienstleister erleben Vorwürfe wegen Schlechtleistung

  • Enbik und Edgecon gründen Service-Büro

    Enbik und Edgecon gründen Service-Büro

    Enbik, ein in Taiwan beheimateter Hersteller für Industrial Edge Computing und IT-Hardware, und Edgecon gründen in Deggendorf ein Logistik- und Service-Büro für den deutschsprachigen Raum.

    mehr lesen: Enbik und Edgecon gründen Service-Büro

  • Wenn KI-Modelle zum Angriffsziel werden

    Wenn KI-Modelle zum Angriffsziel werden

    Zur Münchner Sicherheitskonferenz (13. bis 15. Februar) hat die Google Threat Intelligence Group (GTIG) einen Bericht veröffentlicht, mit dem die Verfasser die Debatte um KI-gestützte Bedrohungen auf eine operative Ebene…

    mehr lesen: Wenn KI-Modelle zum Angriffsziel werden

  • Ein Tag ohne Internet und alles steht still

    Ein Tag ohne Internet und alles steht still

    Laut einer Untersuchung des Bitkom ist die deutsche Wirtschaft schlecht auf hybride Bedrohungen wie Stromausfälle, Sabotage oder durch Ransomware lahmgelegte Fabriken vorbereitet.

    mehr lesen: Ein Tag ohne Internet und alles steht still

  • Heitec übernimmt Artschwager + Kohl

    Heitec übernimmt Artschwager + Kohl

    Artschwager + Kohl Software ist seit Januar 2026 Teil der Heitec-Gruppe.

    mehr lesen: Heitec übernimmt Artschwager + Kohl

  • Lantek expandiert nach Kanada

    Lantek expandiert nach Kanada

    Lantek, Anbieter von Software für die metallverarbeitende Industrie, gibt die Eröffnung einer Niederlassung in Kanada als Teil seiner Wachstumsstrategie in Nordamerika bekannt.

    mehr lesen: Lantek expandiert nach Kanada

  • All for One Group beteiligt sich an BrightFlare

    All for One Group beteiligt sich an BrightFlare

    Die All for One Group, ein IT-, Consulting- und Service-Provider aus Filderstadt, beteiligt sich an dem österreichischen Cybersecurity-Spezialisten BrightFlare.

    mehr lesen: All for One Group beteiligt sich an BrightFlare

  • Humation nimmt humanzentrierte Automation in den Fokus

    Humation nimmt humanzentrierte Automation in den Fokus

    Wie lassen sich Menschen und Maschinen so zusammenbringen, dass beide voneinander profitieren?

    mehr lesen: Humation nimmt humanzentrierte Automation in den Fokus

  • Webinar: Smart Maintenance mit KI

    Webinar: Smart Maintenance mit KI

    Am 20. Mai 2026 um 14.00 Uhr steht im IT&Production -TechTalk das Thema Smart Maintenance mit KI im Mittelpunkt.

    mehr lesen: Webinar: Smart Maintenance mit KI

  • Rethink! IAM beleuchtet Cybersicherheit

    Rethink! IAM beleuchtet Cybersicherheit

    In einer komplexen Welt, in der alle überall und jederzeit verbunden sind, gilt intelligentes und transparentes Identity & Access Management (IAM) als ein wirksames Mittel zum Schutz der Unternehmens- und…

    mehr lesen: Rethink! IAM beleuchtet Cybersicherheit

  • Cyber Resilience Act startet mit Meldepflichten

    Cyber Resilience Act startet mit Meldepflichten

    Der Cyber Resilience Act (CRA) hat ab 2026 erstmals unmittelbare Auswirkungen, auf die sich die Hersteller digitaler Geräte, Maschinen und Anlagen mit Internetverbindung einstellen müssen.

    mehr lesen: Cyber Resilience Act startet mit Meldepflichten