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Ausgewählte Ausgabe: 11-12-2017 Ansicht: Modernes Layout
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„Es genügt nicht, bunte Bilder zu liefern!“

Die rechnergestützte Entwicklung von Produkten mit Hilfe von numerischer Berechnung und Simula- tion wird immer wichtiger. Nicht nur die Automobilindustrie nutzt diese Techniken immer stärker, um den anstehenden grundlegenden Wandel zu schaffen, auch kleine und mittlere Unternehmen kommen nicht daran vorbei. Udo Jankowski und Martin Westerwald vom Engineering-Dienstleister Tecosim geben Auskunft.


Bild 1 Dipl.-Ing. Udo Jankowski, Vorstand mind venture AG (Holdinggesellschaft der Tecosim-Gruppe), (links), und Dipl.-Ing. Martin Westerwald, Geschäftsführer Tecosim GmbH (rechts)

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Dipl.-Ing. Udo Jankowski, Vorstand mind venture AG (Holdinggesellschaft der Tecosim-Gruppe), (links), und Dipl.-Ing. Martin Westerwald, Geschäftsführer Tecosim GmbH (rechts)

Herr Jankowski, Herr Westerwald, wird die numerische Simulation in deutschen Unternehmen noch zu selten eingesetzt?
Westerwald: Aus unserer Sicht wird Simulation auf jeden Fall zu selten genutzt. Wenn wir numerische Berechnungsmethoden einsetzen, dann profitiert der Kunde immer davon. Mir ist kein einziges Projekt bekannt, wo der Kunde hinterher gesagt hätte „Das hat nichts gebracht.“

Wo sehen Sie Unterschiede zwischen den Unternehmen, die Simulation einsetzen? Spielt die Unternehmensgröße eine Rolle?
Westerwald: Es gibt tatsächlich Unterschiede zwischen großen und kleinen Firmen oder zwischen einzelnen Branchen. Relativ weit vorne sind die Automobilbranche und die Luftfahrtindustrie: Hier wird die Methode schon sehr lange und intensiv ein- gesetzt, die Simulation ist treibend für die Entwicklung. Auf der anderen Seite gibt es kleine Firmen, die sich Simula-tion gar nicht leisten können oder wollen.

Wo sehen Sie die Gründe dafür?
Westerwald: Das ist unterschiedlich. Manche Unternehmen scheuen sich einfach davor, einen Prozess oder ein Tool einzusetzen, das sie noch nie genutzt haben und die damit verbundenen Kosten. Manchmal sind die Möglichkeiten, die Simulation heut-zutage bietet, gar nicht bekannt und die Ansprechpartner sind überrascht, welche Ergebnisse diese liefert und welche Vorteile man daraus ziehen kann.

In welcher Situation wenden sich KMUs typischerweise an Sie? Ist das projektbezogen, z. B. bei der Entwicklung eines neuen Produktes?
Jankowski: Es wäre ideal, wenn KMUs sagen würden: „Ich habe hier ein neues Produkt. Lasst uns das doch gemeinsam anschauen und einen Projektplan machen, wie wir es mithilfe von Simulation noch weiter optimieren können.“ Fakt ist aber: Im KMU- Bereich werden wir oft gerufen, wenn es brennt, wenn man nicht mehr weiter weiß und die Testingenieure auch nicht sagen können, wo es hakt. Dann werden wir zu einer klassischen Feuerwehraktion gerufen. In den allermeisten Fällen können wir weiterhelfen – besser wäre es aber natürlich gewesen, man hätte man uns frühzeitig einbezogen.

Dennoch ist ein Trend da, dass die Industrie Berechnungs- und Simulationsleistungen auslagert zu Unternehmen wie Ihnen – immerhin haben Sie seit Jahren relativ konstante Umsatzsteigerungen von rund zehn Prozent. Liegt das auch daran, dass viele Unternehmen das entsprechende Know-how nicht oder nicht mehr selbst vorhalten wollen?
Jankowki: Outsourcing ist ein Trend, klar. Eine Grundüberlegung dabei ist, Spitzen abzudecken und flexibel zu sein. Man muss außerdem bedenken, dass Fachleute, wie wir sie haben, und die technische Umgebung, die man zum Arbeiten braucht, relativ teuer sind. Wenn heute ein Unternehmen darüber nachdenkt, eine eigene kleine Berechnungsabteilung mit drei oder vier Mann aufzubauen, dann sollte es genau prüfen, ob sich das lohnt: Sind genug Projekte da, um diese Mitarbeiter das ganze Jahr zu beschäftigen? Kann ich mir die Hard- und Software leisten? Im Zweifelsfall würde ich lieber zum Spezialisten gehen und sagen: „Bitte mach Du das für mich!“ Wir bei Tecosim setzen Software-Programme ein, deren Lizenzkosten einen großen Anteil unserer Ausgaben ausmachen, wir arbeiten mit den schnellsten Computer der Welt – und deren hohe Rechenkapazität hat auch ihren Preis. Eine ganz entscheidende Rolle spielt sicherlich die langjährige Erfahrung und das Know-how unserer Mitarbeiter: Bei uns fließt das Wissen aus ganz unterschiedlichen Projekten zusammen, in verschiedenen „Competence Circle“ findet kontinuierlich ein standortübergreifender Austausch zwischen unseren Fachleuten statt ...

Die großen Automobilhersteller verfügen aber doch sicher auch über all diese Voraussetzungen. Warum greifen diese trotzdem auf Ihre Dienstleistung zurück?
Jankowski: Die Automobilhersteller entwickeln heute sehr viele Projekte parallel, das müssen sie tun. Von der Bandbreite her können sie kaum alle Aufgaben selber erledigen. Wir ergänzen und entlasten dann die internen Teams und steuern zusätzliches Know-how bei. Mittlerweile werden Entwicklungsprojekte aber auch komplett „outgesourced“. Als Spezialist rund um das Thema Engineering werden wir immer öfter angefragt und übernehmen dann komplette Entwicklungsprojekte.

Der Trend geht eindeutig zur virtuellen Produktentwicklung bis hin zum „digitalen Zwilling“ ...
Jankowski: Der Trend ist da und wird auch schon gelebt. In vielen Fällen geht es gar nicht mehr anders. Das liegt auch daran, dass man heute ganz streng Zeit und Kosten im Blick behalten muss. Produkte werden immer komplexer und aufwendiger. Man muss zudem mehrere Teams integrieren bei der Produktentwicklung – und das geht eigentlich nur, wenn man in den frühen Phasen der Produktenwicklung eine virtuelle Basis hat, auf die man sich verlassen kann. Die virtuelle Basis ist quasi auch ein Arbeitsbereich, eine Workbench wo sich alle treffen, ihre Daten zusammenbringen und abgleichen können. Das sind Konstruktionsdaten, virtuelle Testdaten, PLM-Daten und Projektdaten. Alles kommt zusammen. Das läuft dann letztlich auf diesen digitalen oder virtuellen Zwilling hinaus.

Gibt es technische Fragestellungen, die zur Zeit vermehrt auftauchen, die Sie beobachten, z. B. Themen wie Leichtbau, Topologieoptimierung, die additive Fertigung etc.?
Westerwald: Leichtbau ist mittlerweile fast Standard. In der Automobilbranche spielen natürlich Projekte rund um das Thema E-Mobilität eine immer wichtigere Rolle. Schließlich nehme ich beim Auto nicht nur den Verbrennungsmotor raus und setze einen E-Motor ein. Es gibt massive Veränderungen beim gesamten Fahrzeug, z. B. was die Architektur, die Fahrzeugstruktur, Sicherheitskriterien oder den Komfort angeht. In anderen Branchen, in denen wir tätig sind – ob zum Beispiel Medizintechnik, erneuerbare Energien, Anlagentechnik oder Raumfahrt etc. – sind die Anforderungen breit gestreut und sehr unterschiedlich. Hier können wir kaum einen einzelnen Trend ausmachen.

Der Einsatz neuer Werkstoffe birgt für Konstrukteure noch große Potentiale für Produktverbesserungen. Oft geschieht dies aber nicht – man setzt lieber die altbekannten Werkstoffe ein, die man vielleicht schon im Studium kennengelernt hat.  Besteht durch Simulationssoftware – mit der man quasi spielerisch verschiedene Werkstoffe und ihr Verhalten virtuell ausprobieren kann – die Möglichkeit, Konstrukteure an diese Werkstoffe heranzuführen?
Jankowski: Auf jeden Fall! Ein Beispiel: Ein Kunde möchte sein Produkt leichter gestalten und kommt mit dieser Fragestellung auf uns zu. Wir beraten ihn und liefern dann gerne nicht nur neue Konstruktionsvorschläge, sondern auch Vorschläge zum Einsatz anderer Werkstoffen. Wenn alle von der Idee überzeugt sind, wird dieser Weg weiter verfolgt. Insofern sind wir hier auch Treiber. Wenn wir dann sagen „Es ist möglich, das Produkt auf diese oder jene Weise zu realisieren.“, möchte der Kunde natürlich auch wissen: „Wie wirken sich diese Änderungen aus, welche Konsequenzen ergeben sich z. B. auf den späteren Herstellungsprozess?“ Denn heute will man schon relativ früh die ganze Kette be-urteilen. Das Produkt sieht vielleicht nicht nur anders aus, sondern es muss auch anders gefertigt werden, mit entsprechenden finanziellen Auswirkungen usw. Das alles muss bedacht werden, um letztlich die beste Variante herauszufinden.

Sie können dem Kunden konkret sagen, ob die neue Lösung kostengünstiger oder teurer werden wird?
Jankowski: Meistens können wir das gut einschätzen. Nicht immer, aber je nachdem was es für eine Änderung ist, gibt es klare Kostenmodelle. In solchen Fällen können wir belastbare Aussagen machen.

Westerwald: Einer unserer Kunden ist ein Anlagenhersteller. Seine Grundkonstruktion war eigentlich eine Schweißkonstruktion, von der er aber weg wollte – er dachte an eine Verbindung mit Schrauben und Nieten. Mit unseren Analysen und Berechnungen haben wir ihm bei der erfolgreichen Umstellung geholfen. Es ging dabei unter anderem um die Frage: „Welche Werkstoffe kann ich einsetzen, wenn ich meine komplette Konstruktion umstelle?“ Natürlich kann man in einem solchen Fall immer höher- feste Stähle einsetzen, die kosten dann aber mehr. Hier können wir Hilfestellung liefern, weil wir die unterschied-lichen Werkstoffsorten simulieren und sagen können: „Soundsoviel Material brauchst Du und das hat dann eine ganz bestimmte Kostenauswirkung.“

Nutzen Sie dazu eine Werkstoff- Datenbank?
Westerwald: Ja. Es gibt für uns drei typische Quellen. Zum einen gibt es öffentliche Datenbanken, auf die jeder Zugriff hat. Die sind in der Regel nicht ausreichend und liefern nicht die Informationsdetails, die wir brauchen. Die zweite Option: Die Kunden stellen uns Werkstoffdaten zur Verfügung, weil sie sagen „Diese Werkstoffe kenne ich sehr gut, mit denen arbeiten wir bereits seit Jahren.“ Die dritte Möglichkeit ist, dass wir auf unsere eigene Werkstoff-Datenbank zurückgreifen. Das heißt wir haben diese Werkstoffe selbst getestet und validiert, damit wir sie verwenden können.

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Dieses FE-Modell einer PKW-Fensterscheibe untersuchte Tecosim auf mögliche Crash-Szenarien.

Viele haben beim Thema „Numerische Simulation“ Bilder vor Augen, die bunt und optisch sehr ansprechend Spannungsverläufe von Bauteilen oder auch Strömungsverläufe darstellen. Wie wichtig ist die graphische Darstellung?
Westerwald: Die ist sehr wichtig. Die ist für uns wichtig, um die Beanspruchung des Systems beurteilen zu können. Und die ist für den Kunden wichtig, weil er so die Verbesserung – oder auch die Verschlechterung, wenn man in die falsche Richtung gedacht hat – sieht. Es ist ein wesentlicher Baustein, um die Komplexität begreifbar zu machen: Wo sind denn die kri- tischen Stellen? Zusätzlich braucht man meist auch eine dynamische Darstellung, also Videosequenzen. Ich überhöhe die Ergebnisse und sehe dann auch, warum denn an dieser einen Stelle z. B. eine zu hohe Be- anspruchung auftaucht.

Jankowski: Wichtig ist, dass man auf diese Weise Einblick erhält, was innerhalb des Bauteils passiert. Das können Sie beispielsweise mit Dehnungsmessstreifen nur sehr begrenzt. Auch gab es früher diese Versuche mit Plexiglas-Modellen, um beispielsweise Spannungen zu visualisieren. Im Gegensatz dazu sind die von uns heute eingesetzten Methoden schon erheblich besser. Es geschieht ganz häufig, dass wir beim Kunden sitzen und mit diesen visuellen Methoden arbeiten. Und der Konstrukteur sagt dann: „Ja, jetzt verstehe ich das!“ Das ist der Vorteil, wenn man sozusagen virtuell das Teil aufschneidet und reinguckt – und das auch noch im zeitlichen Verlauf darstellt.

Inwieweit sind die Ergebnisse, die Sie einem Kunden liefern, belastbar? Garantieren Sie beispielsweise, dass eine Komponente im späteren Einsatz allen geforderten Belastungen standhält?
Westerwald: Der Ablauf ist ja in der Regel nicht so, dass der Kunde zu uns kommt und uns eine fest definierte Aufgabe erteilt, und wir verziehen uns dann ins stille Kämmerlein und präsentieren dem Kunden nach einigen Wochen das Ergebnis. Im Gegenteil: Wir arbeiten während des Projektes mit dem Kunden sehr eng zusammen. Das heißt, der Kunde weiß sehr genau, wie wir die Lastfälle aufbauen und wo wir Randbedingungen setzen, diese müssen ja mit dem Kunden abgesprochen sein. Auch die Materialdaten kennt er, die dem Projekt zugrunde liegen. Unser Know-how ist es, das alles in ein sinnvolles Modell zu packen. Wir interpretieren die Ergebnisse von unserer Seite und der Kunde hat dann schon ein sehr gutes Gefühl dafür, wie diese zu bewerten sind. Und in der Regel ist es so, dass wir genauso gut in der Simulation sind wie die Streuung im Test.

Können Sie ein konkretes Beispiel nennen, wo Sie einem Kunden geholfen haben, ein ganz neues Produkt zu entwickeln oder ein vorhandenes deutlich zu verbessern?
Jankowski: Haufenweise. Ein Beispiel ist eine Pumpe, die auch in der Luftfahrt eingesetzt wurde. Diese Pumpe hatte das Problem, dass sie nur eine relativ kurze Betriebszeit hatte, dann war sie defekt und keiner wusste warum. Wir stellten durch eine Strömungssimulation fest, dass es Kavita-tion in einer Druckkammer gab und dass das die Ursache war. Das Design ist daraufhin gezielt geändert worden. Auf dem Prüfstand des Kunden zeigte sich, dass die weiterentwickelte Pumpe eine so gute Performance bot wie keine zuvor. Der Kunde war hochzufrieden.

Der größte Teil Ihrer Kunden stammt aus der Automobil- oder Automobilzulieferindustrie. Hier dürften manche Aufgabenstellungen noch weitaus komplexer sein als in dem eben genannten Beispiel?
Westerwald: Es gibt in der Industrie einen Trend, nicht nur auf der Bauteil-ebene etwas zu tun, sondern auch auf der Modulebene – entsprechend sind auch die Auftragsvergaben. Es geht häufig nicht mehr darum „Berechne mir dieses Bauteil!“, sondern darum „Entwickle mir dieses komplette Modul!“ Der Auftraggeber will nicht nur eine einzelne Berechnung haben, sondern eine fertige Lösung. Die Kollegen aus England haben das bei einem Kunden aus der Automobilbranche um- gesetzt, hier ging es um die Auslegung eines kompletten Innenraumdesigns. Bei der Berechnung gab es natürlich die üblichen Crash-Vorschriften usw. zu beachten. Darüber hinaus wurden viele Bauteile, z. B. Armaturenbretter konstruiert und sogar die Prototypen im 3D-Verfahren gedruckt. Und wenn man einen Prototypen in der Hand hat, ist das einfach für das Verständnis und das Gespräch mit dem Kunden von Vorteil.
Die meisten Entscheidungen trifft man heute im Team, gemeinsam mit dem Kunden. Aber der Kunde erwartet von uns, dass wir auch klare Hinweise geben können, wie die technische Realisierung aussehen könnte. Es genügt nicht, bunte Bilder zu liefern, sondern der Kunde will von uns wissen: „Wie soll’s gemacht werden, wie können wir das realisieren?“ Es läuft für uns immer mehr auf ein sehr umfassendes „Engineering-Services“-Angebot heraus.

Ingenieure, die im Bereich Berechnung und Simulation auf dem von Ihnen skizzierten Niveau tätig sind, sind Spezialisten und müssen über erhebliches Know-how verfügen. Haben Sie als Unternehmen – und allgemeiner betrachtet wir in Deutschland – genügend Experten, die so etwas können?
Westerwald: Von der Hochschule kommen Absolventen mit einem guten Basiswissen. Uns geht es da sicherlich wie vielen anderen Unternehmen auch: Diese Berufseinsteiger werden von uns zusätzlich umfangreich weitergebildet für die spezifischen Anforderungen der Industrie bzw. ihre konkrete Aufgabe. Wir haben ein mehrstufiges Ausbildungsprogramm installiert, wobei im Anschluss eine Spezialisierung erfolgt.
Im Vergleich zum Ausland würde ich sagen, sind wir mit unserem Know-how noch vorne, aber der Vorsprung ist nicht so groß, dass wir keine Bedenken haben müssten, dass andere uns überholen.

Jankowski: Wir haben ja auch Standorte in anderen Ländern und da vergleichen wir natürlich auch. Und da müssen wir sagen: „Die anderen holen ordentlich auf.“

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Kontakt
Tecosim Technische Simulation GmbH
Ferdinand-Stuttmann-Straße 15
65428 Rüsselsheim
Tel.: 0 61 42/82 72-200
E-Mail: info@tecosim.com
www.tecosim.de

Hintergrund:

... Wettbewerber-Benchmarking als Kreativmethode in der Automobilindustrie

Heutzutage startet eine neue Entwicklungsaufgabe im Automobilbereich nicht immer „auf dem weißen Blatt Papier“. Entweder existiert ein Vorgängerprodukt als Vorbild, oder innerhalb des Konzerns steht ein Produkt einer anderen Marke als Vergleichsobjekt zur Verfügung. Dessen Eigenschaften sind bekannt, und der Ingenieur kann gezielte Verbesserungen vornehmen, etwa bezüglich Leistungsfähigkeit, Kosten oder Fertigungsverfahren. Eine logische Fortsetzung dieses Prozesses ist das Benchmarking mit einem Wettbewerbsprodukt. Der Vergleich zwischen Fremd- und Eigenprodukt erlaubt es, die Lösung des Wettbewerbs zu verstehen und für eigene Problemstellungen zu erschließen.
Diese Kreativmethode der Ideenfindung hilft beispielsweise zu erkennen, welcher Lösungsweg unter spezifischen Randbedingungen zum Ziel führen kann. Gegenüber dem Vergleich mit dem eigenen Vorgängerprodukt bietet das Wettbewerber-Benchmarking oftmals den Vorteil, ein aktuelles System als Vergleichsobjekt heranzuziehen. Das Ziel ist dabei nicht, eine Kopie des Wettbewerberprodukts zu erstellen – das wäre aus Marktsicht ohnehin nicht zielführend, weil das eigene Erzeugnis dann dem Wettbewerb zwangsweise hinterherliefe. Vielmehr lässt sich dadurch ableiten, wie andere Technologien genutzt werden können, um das eigene Produkt weiterzuentwickeln. Dabei muss die Fremdlösung immer an die eigenen Randbedingungen angepasst werden, beispielsweise an die vorhandenen Produktionsanlagen, die Eigenschaften der bevorzugten Werkstoffe und der Verbindungstechniken, aber auch an die Kundenanforderungen des lokalen Markts, die sich von denen des Wettbewerbs unterscheiden können.
Schon seit vielen Jahren gehört das Produkt-Benchmarking daher zu den Standardprozessen in der Automobilindustrie. Beim konventionellen Ansatz werden dabei die Fahrzeuge von Wettbewerbern zerlegt und die Technik analysiert. Durch ergänzende Tests einzelner Bauteile wird das Verständnis ihrer Funktionsweise vertieft. Denn oftmals erschließt sich durch einfache Betrachtung des Produkts nicht, warum die Konstruktion in der vorliegenden Ausprägung und nicht anders umgesetzt wurde.
Das „virtuelle Benchmarking“ geht noch einen Schritt weiter, indem die Tests digital durchgeführt werden. Das jeweilige Wettbewerbsmodell ist als Datensatz hinterlegt und kann bei jeder neuen Aufgabenstellung ohne Bereitstellungsaufwand eingesetzt werden. Die Produktinformationen sind leicht abrufbar und der Abstraktionsschritt zum eigenen Entwicklungsmodell ist gering, weil beide Betrachtungen in der gleichen Software-Entwicklungsumgebung zusammengeführt sind. Alle Tests, die mit den eigenen Prototypen obligatorisch sind, lassen sich so problemlos auch mit dem Wettbewerbsprodukt durchführen und die Ergebnisse vergleichen. Virtuelle Tests sind bei gleichen Randbedingungen voll reproduzierbar und beliebig oft wiederholbar, dabei liefern sie schnell und preiswert valide Ergebnisse, die direkt in einer durchgängigen Software-Prozesskette weiterverarbeitet werden können. Das ist etwa bei Crashtests von entscheidender wirtschaftlicher Bedeutung, da beim bisherigen Ansatz des Hardware-Benchmarking für jeden Test ein neues Fahrzeug eingesetzt werden musste. Virtuell lässt sich die Bandbreite der Tests um ein Vielfaches erhöhen, beispielsweise um verschiedene Bauteilkonfigurationen zu prüfen.
In modernen Fahrzeugen werden immer mehr Funktionen in Systemen abgebildet. Diese Umfänge können nur rechnergestützt analysiert werden, da es beim Hardware-Benchmarking nicht möglich ist, den vollen Eigenschaftsumfang einzelner Bauteile im Systemverbund zu analysieren und zu bewerten.
Ein Großteil der Kosten für ein neues Erzeugnis entsteht in der Entwicklungsphase. Als sogenannter Frontloading-Prozess hilft das virtuelle Benchmarking, schon in der frühen Phase der Konzeptfindung genaue Zieleigenschaften für das Produktlastenheft zu definieren. Da die Ziele während des Entwicklungsprozesses jederzeit mit dem aktuellen Projektstand abgeglichen werden können, lassen sich aufwendige Änderungsumfänge in späteren Phasen der Konstruktion wirkungsvoll verhindern.
Schon seit mehr als zehn Jahren bietet Tecosim das Tool „Tec|Bench“ für virtuelles Benchmarking an. Waren die Umfänge zunächst auf die Karosserie beschränkt, so hat das Unternehmen die Möglichkeiten des Programms sukzessive um Schwingungseigenschaften und Sicherheitsaspekte inklusive dem Crashverhalten erweitert. In der aktuellen Ausbaustufe bildet das Tool das Gesamtfahrzeug und sogar Eigenschaften der Fahrdynamik ab.
Um ein Fahrzeug in das Modell zu überführen, zerlegen es die Experten von Tecosim komplett in seine Einzelteile. Dabei dokumentieren sie unter anderem Gewichte und verwendete Verbindungstechniken. Parallel führen sie Struktur-, Komponenten- und Materialtests durch. Das Ergebnis ist eine genaue Aufstellung der Bauteileigenschaften. Dieses Vorgehen entspricht im Wesentlichen dem des konventionellen Hardware-Benchmarking. Die Lücke zur virtuellen Produktentwicklung wird durch die Einbindung der Bauteilgeometrien geschlossen. Dazu werden die Bauteile mithilfe eines 3D-Scanners abgetastet und die Daten eingelesen. Aus Eigenschafts- und Geometriedaten lässt sich dann das eigentliche Simulationsmodell erstellen.

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