Interface 01/2010 - FEM - Berechnung

Produkt
Der Nutzen der Simulation
im Produktlebenszyklus
Was leistet die Simulation im Produktentwicklungsprozess und wo sind ihre Grenzen?
Die Simulation versucht mit einem Modell die Funktion
eines Produktes oder eines Verfahrens nachzubilden. Läuft
diese Modellbildung in einem Rechner ab, spricht man von
Computer Aided Engineering, kurz CAE.
Da die Simulation mit einem Ersatzmodell die Physik nachbildet,
sind genau hier auch die Anwendungsgrenzen zu
suchen. Ein Modell nimmt eine Vereinfachung vor und es
ist zu prüfen, ob diese Vereinfachung für den zu untersuchenden
Effekt einen Einfluss hat oder nicht. Zum Beispiel
möchte man das dynamische Verhalten eines Bauteils aus
Kunststoff untersuchen, welches stark verformt wird.
Durch diese starke Verformung kommt es zu einer lokalen
Erwärmung im Kunststoff an der Verformungsstelle. Bedeutet
die Erwärmung eine Veränderung der Eigenschaften des
Kunststoffes und muss diese mit berücksichtigt werden?
Die Antwort erhält man durch die Korrelation mit Versuchsdaten,
also den Vergleich der Simulation mit der Realität.
Aber erstmal zurück zum Anfang.
Warum simuliert man überhaupt
mit digitalen Produktmodellen? Die
traditionelle Vorgehensweise Entwurf,
Herstellung, Versuch und Verbesserung
des Entwurfs hat zwei gravierende Nachteile
(Abb.1, Ref[1]). Zum einem dauert es
sehr lange – je nachdem wie oft die Schleife
durchlaufen werden muss und zum anderen
kann die Herstellung von Prototypen
und deren Prüfung sehr viel Geld und Zeit
kosten. Oder die Prüfung unter Einsatzbedingungen
ist nur unzureichend oder vielleicht
sogar ganz unmöglich. Ein Beispiel
hierfür war das Apollo-Programm der USA
und der damit verbundenen massiven Entwicklung
der Simulationsverfahren. Aus
diesem Programm heraus entstand in den
sechziger Jahren des vorigen Jahrhunderts
NASTRAN (NASA Structural Analysis
Sys tem) zur Simulation der strukturellen
Integrität der Raumfahrtkomponenten.
Simuliert wird nicht nur im Produktentstehungsprozess,
sondern entlang des
kompletten Lebenszyklus eines Produktes.
Die Herstellung von Komponenten durch
komplexes Umformen wie Tiefziehen wird
genau so simuliert wie die Montage mit
und ohne Roboter, die Logistik zur Fertigung
hin und von der Fertigung weg. Und
ist das Produkt beim Kunden, lassen sich
Servicetätigkeiten ebenfalls simulieren.
Kann man die Xenon-Lampe des PKW mit
oder ohne Demontage des kompletten
Haupt scheinwerfers austauschen? Oder wie
einfach ist die Demontage des Produk tes
beim Recyceln?
Die folgenden Trends und Vorgehensweisen
in der Simulation werden zwar
exem plarisch in der Produktentwicklung
betrachtet, ihre Relevanz gilt jedoch für
den kompletten Produktlebenszyklus. Die
Funktion eines Produktes ist der Funktion
eines Prozesses äquivalent.
Eine ganze Zeit lang beschäftigte sich
die Simulation mit dem ‘Hinterher-Rechnen‘
während der Versuchsphase oder
dem Berechnen bei Problemen zum Verständnis
des Warums und gegebenenfalls
der Prüfung von Lösungsalternativen.
Hierbei ist die Simulation als ‘Feuerwehr‘
tätig und in den eigentlichen Prozess
wenig oder gar nicht integriert, sie agiert
vor nehm lich reaktiv.
In einem nächsten Schritt beschäftigen
sich die Simulationsexperten neben der
eigentlichen Berechnung auch mit der Bewertung
ihrer Verfahren, wie gut beispielsweise
Modellansätze und Vereinfachungen
die Realität nachbilden können.
Angewiesen sind sie hier auf Daten aus
dem Versuch. Mit gut korrelierenden Ergebnissen
wird so das Vertrauen in die
Relevanz der Simulationsergebnisse aufgebaut
– als Voraussetzung für den nächsten
Schritt.
Dieser nächste Schritt ist, die Simulation
in die Lage zu versetzen, auch voraus berechnen
zu können. Bisher konnte sie nur
erklären, warum eine Funktion oder Eigenschaft
nicht vorhanden ist. Jetzt ist sie in
der Lage, Funktion oder Eigenschaft vorauszusagen.
Und dann kann die Simulation
optimieren, um bei gegebener Funktion
das Gewicht oder den Verbrauch zu minieren.
Diese Optimierung nur über Versuchsergebnisse
durchzuführen, wäre viel
zu teuer und würde sehr lange dauern.
10 interface | 1-2010