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.



  • Mit künstlicher Intelligenz gegen Störungen in der Montage

    Mit künstlicher Intelligenz gegen Störungen in der Montage

    Künstliche Intelligenz (KI) soll produzierenden Unternehmen künftig dabei helfen, Störungen in der Montage zu beheben.

    mehr lesen: Mit künstlicher Intelligenz gegen Störungen in der Montage

  • Logpoint und Stackit mit strategischer Partnerschaft

    Logpoint und Stackit mit strategischer Partnerschaft

    Die Unternehmen Logpoint und Stackit schließen sich mit dem Ziel zusammen, die Cybersicherheit sowie die digitale Souveränität in Europa zu stärken.

    mehr lesen: Logpoint und Stackit mit strategischer Partnerschaft

  • Retrieval Augmented Generation als Unterstützung für LLMs

    Retrieval Augmented Generation als Unterstützung für LLMs

    Large Language Models (LLM) bzw. große Sprachmodelle liefern in Chatbots auf alltägliche Anfragen häufig gute bis sehr gute Ergebnisse, die für oft eine erste Orientierung mehr als ausreichend sind.

    mehr lesen: Retrieval Augmented Generation als Unterstützung für LLMs

  • Partnerschaft zwischen Rockwell und AWS

    Partnerschaft zwischen Rockwell und AWS

    Rockwell Automation und Amazon Web Services (AWS) haben ihre Zusammenarbeit bekanntgegeben.

    mehr lesen: Partnerschaft zwischen Rockwell und AWS

  • Hannover Messe lockt 127.000 Besucher

    Hannover Messe lockt 127.000 Besucher

    „Die Hannover Messe 2025 war ein kraftvolles Bekenntnis zur Zukunftsfähigkeit der Industrie in Deutschland und Europa – im Schulterschluss mit ihren internationalen Partnern“, sagt Dr. Jochen Köckler, Vorstandsvorsitzender der Deutschen…

    mehr lesen: Hannover Messe lockt 127.000 Besucher

  • BvD spricht sich für Reform der DSGVO aus

    BvD spricht sich für Reform der DSGVO aus

    Der Berufsverband der Datenschutzbeauftragten Deutschlands (BvD) fordert anlässlich der aktuellen politischen und gesellschaftlichen Entwicklungen eine zielgerichtete Reform der Datenschutz-Grundverordnung (DSGVO) sowie eine praxisgerechte Anpassung des Bundesdatenschutzgesetzes (BDSG).

    mehr lesen: BvD spricht sich für Reform der DSGVO aus

  • Strategische Partnerschaft für den digitalen Zwilling

    Strategische Partnerschaft für den digitalen Zwilling

    R. Stahl Services und Conplement haben auf der Hannover Messe eine Absichtserklärung über den Aufbau einer langfristigen und strategischen Partnerschaft unterzeichnet.

    mehr lesen: Strategische Partnerschaft für den digitalen Zwilling

  • MPDV weist den Weg durch den Digitalisierungs-Dschungel

    MPDV weist den Weg durch den Digitalisierungs-Dschungel

    Als Spezialist für Produktionssoftware beleuchtet MPDV mit seiner aktuellen Werbekampagne unter dem Titel ‚Dschungel‘ die digitale Transformation in der Fertigung.

    mehr lesen: MPDV weist den Weg durch den Digitalisierungs-Dschungel

  • Auftragsbücher im Maschinen- und Anlagenbau füllen sich wieder

    Auftragsbücher im Maschinen- und Anlagenbau füllen sich wieder

    Nach einem verhaltenen Jahresauftakt füllten sich die Auftragsbücher im Maschinen- und Anlagenbau im Februar sowohl aus dem Ausland als auch aus dem Inland unerwartet stark.

    mehr lesen: Auftragsbücher im Maschinen- und Anlagenbau füllen sich wieder

  • Siemens und Accenture gründen gemeinsame Geschäftseinheit

    Siemens und Accenture gründen gemeinsame Geschäftseinheit

    Siemens und Accenture intensivieren ihre langjährige strategische Partnerschaft und gaben auf der Hannover Messe die Gründung der ‚Accenture Siemens Business Group‘ bekannt.

    mehr lesen: Siemens und Accenture gründen gemeinsame Geschäftseinheit

  • Anwenderstudie ‚CRM in der Praxis‘ geht in die 7. Runde

    Anwenderstudie ‚CRM in der Praxis‘ geht in die 7. Runde

    Die von Trovarit gemeinsam mit dem FIR an der RWTH Aachen aufgelegte Studie ‚CRM in der Praxis – Anwenderzufriedenheit, Nutzen & Perspektiven‘ geht in die siebte Runde.

    mehr lesen: Anwenderstudie ‚CRM in der Praxis‘ geht in die 7. Runde

  • Tebis AG stellt Vorstand neu auf

    Tebis AG stellt Vorstand neu auf

    Das Münchner Software-Unternehmen Tebis Technische Informationssysteme AG hat zum Jahresbeginn 2025 eine neue Führungsstruktur in Form eines vierköpfigen Vorstands etabliert und wie folgt besetzt: Dr. Thomas Wrede (CEO, r.), Jens…

    mehr lesen: Tebis AG stellt Vorstand neu auf