CAE-Software Durch Simulation Rohstoffe und Energie effizienter nutzen

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Nur mit geeigneter CAx-Software lassen sich heute komplexe Bauteile und komplette Anlagen wirtschaftlich entwickeln und konstruieren. Über den Nutzen und die Einsatzbereiche von CAE- und Simulationstechnologien sprachen wir mit Roberto Rossetti, Co-CEO und Markus Dutly, Gründer und Co-CEO bei Cadfem (Suisse) AG.

SMM: Sicher wünschten sich Entwickler und Konstrukteure seit Beginn der Industrialisierung, dass sie die Eigenschaften und das Verhalten von Bauteilen bereits beim Konstruieren exakt und zuverlässig vorhersagen können. Doch verwirklichen ließ sich das wohl erst, seit es leistungsfähige Rechner und ausgeklügelte Software gibt. Welche Wege hat Cadfem beschritten, um Konstrukteure bei ihrer schwierigen Entwicklungsarbeit zu unterstützen?

Roberto Rossetti: Seit 28 Jahren, seit der Gründung von Cadfem (Suisse) AG im Jahr 1995, und schon 10 Jahre davor über die Cadfem Germany GmbH, unterstützen wir Konstrukteure und Entwickler in der Schweiz und in Liechtenstein. Dabei sei angemerkt, dass die Cadfem-Gruppe mit mittlerweile 500 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern Kunden in 23 Ländern weltweit betreut. Im Prinzip verkaufen wir Lösungen, damit unsere Kunden schneller bessere Produkte entwickeln können. Das funktioniert nur gut mit gleichzeitigem Know-how-Transfer. Unser Claim lautet „Simulation ist mehr als Software». Damit Konstrukteure und Entwickler Ihre Aufgaben lösen können, braucht es mehr als nur eine gute Software. Unsere Unterstützung fängt bei der Auswahl des richtigen Produkts an. Es folgen die Beratung für die notwendige Ausbildung, die Phasen des Know-how-Aufbaus, die Begleitung bei den ersten konkreten Aufgaben, die Qualitätssicherung der Simulationsresultate, die Beratung für die nächste Komplexitätsstufe der Anwendung mittels Pilotprojekten – sofern gewünscht – und natürlich der technische Support im Alltag. Es ist ein Steigerungslauf, den wir zusammen mit dem Kunden durchführen. Wir befähigen und sehen uns als Wegbereiter.

Markus Dutly: Zu Ihrer Frage, in der Sie von leistungsfähigen Rechnern und von exakten und zuverlässigen Vorhersagen sprechen, ein ergänzendes Wort. Die Rechnerkapazität reicht nie – das ist ein Gesetz. Die Realität mit Modellen noch besser abbilden zu können, ist ein Drang des Ingenieurs. Die Modelle werden grösser, je mehr Leistung die Hardware bietet. Da bietet die skalierbare Kapazität aus der Cloud eigentlich eine flexible Lösung. Aber sie wird aktuell erstaunlicherweise nur von wenigen Firmen angenommen. Es geht dabei nicht um eine Standard-Software, wie MS-Office. Die Hardware-Kapazität in einer Cloud ist nicht nur flexibel, sondern sie ist auch günstiger als On-Premises. Bei Cadfem nutzen wir seit etwa acht Jahren Rechnerkapazität in der Cloud. Sie ist zu hundert Prozent verfügbar. Als die Pandemie begann, konnten wir von heute auf morgen auf Homeoffice komplett umsteigen. Wir konnten auch mit unseren Kunden, die im Homeoffice waren, Seminare durchführen. Wir gaben ihnen den Zugang in die Cloud. Ehrlich gesagt bin ich da etwas ratlos. Warum springen Nutzer unserer Simulation in der Schweiz nicht viel mehr auf die Cloud auf? Für uns funktioniert es sehr gut! Und, im Gegensatz zur landläufigen Meinung ist die Cloud auch sicherer als ortsgebunden bei Unternehmen installierte Hard- und Software. Der zweite Punkt Ihrer Frage, an dem ich einhaken möchte, sind die exakten Resultate. Da können wir lange philosophieren. Was ist exakt? Exakt ist immer so genau wie notwendig. Aber was bedeutet „so genau wie notwendig»? Im Vergleich zu was? Die Meinungen gehen auseinander. Es gibt eine schöne Anekdote von Ed Wilson, einem der Pioniere der FEM (Finite Element Methode). Er sagte, in einem Raum von Ingenieuren glaube niemand den Resultaten des Simulanten, außer der Simulant selbst. Präsentiere jedoch der Testingenieur seine Testresultate, dann glaube jeder im Raum diesen Resultaten, außer der Testingenieur selbst. Das, was man anfassen kann, dem traut man, das ist menschlich. Man traut seiner Erfahrung, obwohl sie bereits bei kleinen Änderungen versagt. Den virtuellen Modellen traut man weniger. Das ist der Grund, warum gewisse Unternehmen nicht auf Simulation mit FEM, DEM (Diskrete Element Methode) oder CFD (Computational Fluid Dynamics) setzen, obwohl sie damit bessere Produkte schneller entwickeln könnten.

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Welche entscheidenden Gründe sprechen aus Ihrer Sicht dafür, dass Konstrukteure eine ausgereifte Berechnungs- und Simulationssoftware wie die von Ansys nutzen?

Dutly: Wie Roberto sagte, braucht es mehr als Software. Viel mehr. Mit der besten Software können beliebige Resultate, „farbigi Bildli“, produziert werden. Selbst einfache Physik kann von den Ingenieuren falsch interpretiert werden. Je komplexer die Aufgaben, umso wichtiger werden das Wissen des Anwenders UND die Qualität der Software UND die Qualität und Kapazität des Partners wie Cadfem. Wir helfen unseren Kunden mit praxiserprobtem Support auf allen Ebenen. Im Gegensatz dazu steht der sogenannte Mickey-Mouse-Support, bei dem anhand kleiner, überschaubarer Beispiele immer alles läuft. Wir begleiten Kunden vom Start bis zum Ende ihres Projekts. Wir sind präsent, wenn der Kunde nicht mehr weiterkommt und stellen unser gesamtes Know-how zur Verfügung. Das wird komplett unterschätzt. Wie oft haben wir von Unternehmen gehört, dass deren Spezialist keine Ausbildung mehr braucht, weil er eine Bachelorarbeit im Bereich Simulation durchgeführt hat. Das ist gelinde gesagt heikel. Es reicht schlicht nicht aus, hin und wieder ein Simulationstool in die Hand zu nehmen, sei es noch so einfach zu bedienen. Man muss schon über den Tellerrand hinaussehen, um Simulationen und deren Ergebnisse beurteilen zu können.

Simulation gilt häufig als sehr aufwendig und lohnt sich deshalb allein für große Unternehmen in exponierten Branchen, zum Beispiel Luftfahrt, Rennsport oder Automobilindustrie. Welche Software und Unterstützung können Sie für kleinere und mittlere Unternehmen bieten, damit auch diese von den Vorteilen einer Berechnung und Simulation profitieren?

Dutly: Anfang der 1990er-Jahre war das noch so. Es gab nur wenige KMU und nur wenige Ingenieurbüros, die simulierten. Konstrukteure ließ man gar nicht an die teure Software ran. Es gab einen Spruch damals: „Zum Vernetzen braucht man einen Doktortitel.“ Ich bin seit 34 Jahren in der Branche, also sollte ich wissen, wie es damals war und wie es heute ist. Seit 20 Jahren gehört Simulation zum Standard-Entwicklungsprozess. Wer technologisch vorne dabei sein will, der darf sich nicht auf die gute alte Erfahrung verlassen. Der CAE-Markt (Computer Aided Engineering) wächst Jahr für Jahr um 10 bis 15 Prozent. Heute sind 80 Prozent unserer Kunden, die unsere Simulationssysteme nutzen, kleine und mittelständische Unternehmen. Mir geht das allerdings zu langsam, denn wir, die Schweizer Industrie, verpassen Chancen. Alle reden von Digitalisierung. Mit geeigneten Softwaresystemen lassen sich beispielsweise wiederkehrende Berechnungen automatisieren, so dass auch ein Nicht-Simulant, beispielsweise ein Verkäufer, diese nutzen kann, um Angebote schneller zu erstellen. Als zweites Beispiel kann ich das Verwalten von Simulationsdaten, also von relevanten Resultaten, anführen. Dies geschieht gemäß Umfrage meist auf persönlichen Laptops. Ist der Anwender weg, ist auch das Wissen weg.

Welche weiteren entscheidenden Vorteile können Unternehmen über die rein technische Beurteilung der konstruierten Bauteile hinaus erzielen, wenn sie Bauteile, Baugruppen und komplette Systeme vorab simulieren?

Rossetti: Das volle Potential der Simulation für ein Unternehmen erschließt sich, wenn man es aus drei Perspektiven betrachtet. Zunächst aus der Sicht des Konstrukteurs oder Entwicklungsingenieurs, der die Software in seiner täglichen Arbeit nutzt. Daraus ergeben sich wesentliche Vorteile für den gesamten Entwicklungsprozess. Unternehmer und Produktmanager sehen den Mehrwert von Simulation vor allem in der höheren Produktqualität, der schnelleren Produktverfügbarkeit und der Steigerung der Innovationskraft des Unternehmens. Mit Simulationen können Unternehmen vollständige, virtuelle Prototypen realer Systeme erstellen. Diese können eingesetzt werden, um den gesamten Lebenszyklus von Produkten und Anlagen zu verwalten. Dieses digitale „Zwillingssimulationsparadigma“ ermöglicht, die Effizienz im Laufe der Zeit exponentiell zu steigern, indem man die Wartung auf der Grundlage von Vorhersagemethoden plant. Der Zugang zu diesen Informationen ermöglicht es Ingenieuren, zusätzlichen Wert aus bestehenden Anlagen zu schöpfen, was ungeplante Ausfallzeiten verhindert und die Betriebskosten senkt.

Welche Softwareumgebung ist am besten geeignet, damit Konstrukteure mit Simulation arbeiten können? Welche Schnittstellen zur CAD-Software stehen zur Verfügung, welche Datenmodelle werden unterstützt?

Rossetti: Konstrukteure konstruieren, simuliert wird nebenbei. Oft steht dem Konstrukteur weniger als zehn Prozent seiner Arbeitszeit zur Verfügung, um zu simulieren. Das ist eine kritische Größe. Die Gefahr besteht, dass durch die limitierte Zeit Anwender nie in den notwendigen Fluss kommen.

Der Simulationsprozess besteht traditionell aus mehreren Schritten. Dazu gehören das Aufsetzen der Simulation, das Vernetzen, das Lösen und das Auswerten. Eine Alternative bietet die sogenannte Live-Simulation. Sie verkürzt den Prozess auf Sekunden. Gelöst wird mit einer Vielzahl Grafik-Prozessoren leistungsfähiger Grafikkarten, voll parallelisiert. So erhält man unverzüglich ein Feedback. Der Konstrukteur verschiebt beispielsweise eine Versteifungsrippe und sieht sofort den Einfluss. Die Rippe wird so lange verschoben, bis der gewünschte Effekt eintritt. Während der Optimierungsprozess abläuft, lernt der Anwender extrem schnell und viel über sein Produkt. Die hohe Berechnungsgeschwindigkeit erlaubt den Einsatz der Software auch während Diskussionen und Meetings. Alle CAD-Schnittstellen werden unterstützt.

Zu simulieren erfordert – speziell bei komplexen Strukturen – sicher einiges an Know-how und Erfahrungen, zum Beispiel hinsichtlich passender Parameter und Randbedingungen beim Einrichten der Simulationsmodelle. Wie unterstützen Sie Anwender der Simulationssoftware, damit diese effizient arbeiten und einen möglichst grossen Nutzen aus dem Softwareeinsatz ziehen?

M. Dutly: Komplexe Strukturen sind seit einiger Zeit kein Problem mehr. Das müssen die Vernetzer robust und schnell schlucken. Millionen Elemente sind in Sekunden oder Minuten vernetzt und oft auch gelöst. Komplexe Physik, Know-how, die richtigen Randbedingungen bleiben als Aufgabe bestehen, da ist der Ingenieur gefordert. Um eine schnelle Lernkurve hinzulegen, ist eine professionelle Begleitung hilfreich. Diese Begleitung bietet Cadfem in vielfältiger Weise. Im Support, in der Ausbildung vom Grundkurs bis zum zertifizierten Simulationsspezialisten, vom CAS-Nachdiplom bis zum Masterstudium oder auch bei der Simulationskonferenz mit 250 Gleichgesinnten. Viele User sind allein und haben keinen Austausch mit anderen Usern. Das ist gefährlich für die Qualität. Wer keinen Sparringpartner hat, wird viel häufiger Fehler machen als ein Team. Das fehlende Team bietet Cadfem, mit all seinen Spezialisten. Weltweit sind dies gegen 500. Zu jedem Problem finden wir bei Cadfem einen Spezialisten, ob aus Indien, Singapur, Frankreich, Polen, Griechenland, Rumänien, Tschechien, Irland, England, Deutschland, Österreich oder gar aus der kürzlich gegründeten Niederlassung aus der Ukraine.

Welche unterschiedlichen Möglichkeiten der Simulation stehen heute zur Verfügung? Für welche Branchen haben Sie spezifisch ausgelegte Software verwirklicht?

Rossetti: Praktisch die gesamte Physik kann mit numerischen Modellen in allen Branchen angewendet werden. Dies wird ergänzt durch vertikale Lösungen. Diese „Verticals» decken nur einen Zweck ab, dies aber extrem effizient. Diese Anwendungen kommen immer mehr in Mode, denn Unternehmen haben ein großes Problem, den Fachkräftemangel. Verticals können von Nichtspezialisten ausgeführt werden. Mit nur wenigen Klicks des Anwenders werden im Hintergrund komplexe Simulationen gestartet. Die Resultate sind qualitätsgeprüft und unabhängig von der Tagesform oder dem Wissen des Benutzers. Einige Beispiele sind die Auslegung von Kühlkörpern in der Elektronik, Mischprozesse in der Chemie, PET-Flaschen in der Getränkeindustrie und Halterungen in der Bauindustrie. Cadfem bietet auch ANSYS-Erweiterungen (Cadfem Extensions), die die Berechnung und Auslegung von Schrauben, Lagern und Kugellagern stark vereinfachen, oder einen automatisierten Betriebs- oder Dauerfestigkeitsnachweis für mechanisch beanspruchte Bauteile ermöglichen.

Welche weiteren Entwicklungen und Trends sehen Sie in Bezug auf Berechnungen und Simulationen? Wie wird beispielsweise die derzeit umfassend diskutierte Künstliche Intelligenz (KI) die Software beeinflussen oder zukünftig sogar prägen?

Dutly: The sky is the limit. Der größte Markt – Lebensmittel – ist noch völlig unterentwickelt. Wir müssen Lebensmittelprodukte effizienter entwickeln. In der Lebensmittelproduktion dürfen wir nicht so viel Ausschuss hinnehmen. Wir müssen den CO₂-Fussabdruck verkleinern – offen gesagt interessiert das aktuell in der Entwicklung praktisch niemanden. Mit wenig Aufwand ließe sich der CO₂-Fussabdruck feststellen und mit wenig Aufwand lässt er sich verkleinern. Ein Beispiel aus jüngster Vergangenheit betrifft das Verpackungsmaterial. Ein Kunde spart jährlich Fr. 15.000.– an Material, weil das Material nun an der richtigen Stelle platziert ist und ebenso spart der Auftraggeber gegen Fr. 300 000.– an Retouren, weil Transportschäden abnehmen. Gesamt beträgt die Ersparnis mit einem Simulationsprojekt gegen Fr. 500 00.–, der Aufwand für die Simulation dagegen nur Fr. 20 000.–.

Rossetti: Der wichtigste Teil der KI-gestützten Technik sind Daten. Der Ingenieur trainiert die KI, indem er sie mit den Daten füttert, die sie zur Erfüllung der jeweiligen Aufgabe benötigt. Hier kann die Simulation mit ihrer Vorhersagegenauigkeit, ihrer großen Datenkapazität, ihren nahezu unbegrenzten Analysemöglichkeiten und ihren schnellen Ergebnissen eine große Hilfe sein. Aus diesem Grund ist die KI-Integration mit der Simulation ein entscheidender Baustein auf dem Weg zu einem vollwertigen KI-Engineering. Ein weiterer Vorteil von KI-basierten Methoden ist ihre Fähigkeit, historische Daten zu nutzen. Tatsächlich kann KI Altdaten in einen wertvollen Schatz verwandeln. Während die KI von der Simulation profitiert, profitiert auch die Simulation von der KI. KI kann die Simulation bis zu hundertmal schneller machen, wie wir bei KI-gestützten Simulationen sehen. Doch trotz der zahllosen Vorteile von Simulation, KI, Automatisierung oder ähnlicher computergestützter Hilfen gibt es einen wichtigen und wertbestimmenden Platz für Menschen. Nicht nur Ingenieure, sondern auch Designer und andere Fachleute werden nach wie vor benötigt, um KI zu schulen und die Lücke zwischen KI, Simulation und Technik zu schließen. Diese Fachleute sind mit leistungsfähigen KI-gestützten Designtools, welche unglaubliche Kreativität freisetzen, einfach besser ausgestattet.

Dutly: Lasst uns hoffnungsvoll abschließen und schauen wir mit dem Fernrohr in die Zukunft. Stefan Mohr, der Entwicklungsleiter des Sportartikelherstellers Head Sport sagte dazu: „Simulation mit Ansys ist wie ein Teleskop, mit dem man in ein Land blicken kann, in dem man noch nicht war!»

Herr Dutly, Herr Rossetti, vielen Dank für das Interview!

Dieser Beitrag erschien zuerst auf unserem Partnerportal www.maschinenmarkt.ch

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