„Simulation mit dem Ohr an der Industrie“ bei ESI ITI GmbH

Das Interview führte Tobias Meyer, freier Mitarbeiter der KEM Konstruktion

KEM Konstruktion: Sehr geehrte Herren, was ist die Kernkompetenz Ihres Unternehmens?

Uhlig: Wir liefern Lösungen für die Produktentwicklung, also Software, die den modellbasierten Entwurf künftiger Produkte auf dem Computer ermöglicht sowie das dafür notwendige Engineering-Wissen. Einzelne Komponenten eines Produktes sind meist definiert durch ihre Geometrie und bestimmte Materialeigenschaften. Gehen wir aber einen Schritt weiter in Systeme oder Subsysteme, dann stehen in erster Linie die Funktion und insbesondere die Wechselwirkung der einzelnen Teilnehmer des Systems im Mittelpunkt. Hier muss man die Komponenten oder auch Subsysteme konzentriert auf einen Punkt bringen, was ihre Eigenschaften angeht. (Daher wird Systemsimulation auch manchmal als 0-D-Simulation bezeichnet.) Geometrie spielt dann nur noch eine untergeordnete Rolle. Dabei ist es möglich, auch heterogene Systeme, die durch mehrere physikalische Gesetzmäßigkeiten beeinflusst werden, korrekt abzubilden. In letzter Zeit sehen wir hier eine Verschärfung der Komplexität, beispielsweise wird Energieeffizienz immer wichtiger, zudem steigt die Variantenvielfalt.

KEM Konstruktion: Viele Unternehmen tendieren hier schon Richtung Losgröße 1…

Uhlig: Richtig, das sehen wir gerade im Maschinenbau. Aber auch im Fahrzeugbau wachsen die Listen der Modelle und Sonderausstattungen und Optionen inzwischen so stark an, dass schließlich die Entwickler durchaus fünfstellige Anzahlen von Kombinationen zu entwerfen und abzusichern haben. Und im Baumaschinenbereich, bei Nutz- oder Schienenfahrzeugen wird kundenspezifisch entwickelt – jedes verkaufte Produkt wird durch die Variantenvielfalt praktisch zum Einzelstück. Einfach etwas entwerfen und von der Stange verkaufen geht da schon lange nicht mehr. In diesem Umfeld bewegen sich unsere Kunden und ESI ITI seit über 25 Jahren. Seit Beginn des Jahres setzen wir das als Teil der ESI Group fort, die führender Anbieter für virtuelles Engineering ist. Die Stärken sind bislang anwendungsbezogene Lösungen der 3D-Simulation, etwa FEM (unter anderem für Crash-Simulation), CFD und Akustik sowie immersives Engineering (VR). Mit unserer Software SimulationX wird dieses Spektrum nun um die Systemsimulation erweitert. Wir sehen einen starken Bedarf, die einzelnen physikalischen Domänen wechselwirkend im Verbund zu simulieren, auch im Hinblick auf die Simulation kompletter Herstellungsprozesse.

KEM Konstruktion: Wo liegen dabei aus Ihrer Sicht Ihre Alleinstellungsmerkmale?

Abel: Wir beobachten in der Systemsimulation zwei Tool-Welten: Einerseits offene Systeme, die auf Basis von Standards sehr gut erweiterungsfähig sind und gut von akademischen Anwendern akzeptiert werden. Auf der anderen Seite stehen industrieorientierte Systeme mit einem starken Engineering-Background. Wir wollen beide Anforderungen bedienen. Für den Mechanik- und Fluidik-Bereich arbeiten bei uns zwei Dutzend Ingenieure, die ähnliche oder die gleichen Aufgaben zu lösen haben, wie unsere Kunden. So können wir die Anwendungskompetenz direkt in die Entwicklung unserer Software-eigenen Modelle und Bibliotheken einfließen lassen. Auf der anderen Seite genießen vor allem simulationserfahrene Experten in SimulationX die Vorteile der objektorientierten Modellierung mit der Modellbeschreibungssprache Modelica. Die Sprachdefinition und viele Bibliotheken sind frei verfügbar und werden von den Mitgliedern der Modelica Association – wozu seit vielen Jahren auch ESI ITI gehört – stetig weiterentwickelt. Anwender haben mit diesem Standard alle Freiheiten, neue Modelle zu schreiben und sich einen eigenen Bestand an Bibliotheken aufzubauen. Ebenso können sie frei verfügbare Modelle oder solche von Drittanbietern nahtlos integrieren. Wir kombinieren also Anwendungsnähe mit Offenheit und Flexibilität.

KEM Konstruktion: Verlangt der Kunde diese Offenheit?

Uhlig: Wir sehen in den strategischen Überlegungen unserer Kunden immer ein verständliches Argument, wenn diese durchspielen, ob und wie sie sich an einen Lösungsanbieter binden wollen. Wenn ein Unternehmen in zehn Jahren das System würde wechseln wollen, könnte es offene Modelle, die ein erhebliches Investment darstellen, dann auch in einer anderen Modelica-basierten Simulationsumgebung weiternutzen. Für uns ist das eher ein theoretischer Aspekt, denn wir pflegen nachhaltige Beziehungen zu unseren Kunden.

KEM Konstruktion: Sie bieten ein Baukastensystem an. Wie sieht das aus?

Kehrer: Es gibt mehrere Bestandteile der Software: Eine Plattform, um Modelle zu definieren, dazu kommt der numerische Apparat, der die Modelle dann simuliert – also rechnet – und schließlich das Postprocessing zur Analyse und Auswertung der Ergebnisse, auch für Optimierung und Variantenrechnungen. Den Konstrukteur aber interessiert vor allem, wie gut wir ihn in seinem Fachgebiet unterstützen können. Ein wesentlicher Teil des Angebots sind deshalb von uns entwickelte Modellbibliotheken. Da sind wir wieder bei der Industrienähe. Wir bieten neben Basispaketen mit einfachen physikalischen Effekten ein umfangreiches Portfolio von detaillierten Modellen von beispielsweise Getrieben (einschließlich Reibung, Dynamik), Hybridantrieben, HVAC-Komponenten usw. an. Bedingt durch die 20-jährige Entwicklung ist unser Katalog auf eine dreistellige Modellanzahl angewachsen. Wir haben die Modelle und Bibliotheken nun zu etwa 40 leistungsfähigen branchen- und anwendungsspezifischen Paketen zusammengefasst, beispielsweise für Fahrzeugbau, Energietechnik oder Öl- und Gasindustrie.

KEM Konstruktion: Was muss ich als Anwender für einen Aufwand treiben?

Uhlig: Der ist heute überschaubar. Genau aus diesem Grund haben wir die Simulation vor 25 Jahren aus dem akademischen Umfeld herausgelöst und den wissenschaftlichen Formelapparat in Tools und Modelle gepackt, wodurch sich der Anwender auf das Lösen seiner Entwicklungsaufgabe konzentrieren kann. Das Ganze steht und fällt natürlich mit der möglichst genauen Aufgabenstellung. Hier wie beim Finden der Lösung unterstützen unsere Ingenieure den Anwender unmittelbar.

KEM Konstruktion: Sie unterstützen den Kunden also direkt bei seinen Simulationsfragestellungen?

Abel: Richtig. Häufig übernehmen wir die ersten Aufgaben samt Modellierung und Auswertung als reine Dienstleistung. Der Kunde erklärt das Problem, wir kümmern uns um den Rest. Die nötige Kompetenz haben wir für jeden Bereich, da wir neben dem Software-Geschäft auch als Engineering-Dienstleister agieren. Will der Kunde dann irgendwann mehr machen, kann er die Software kaufen und das Ganze von nun an bei sich in-house erledigen. Andere müssen seltener rechnen und bleiben daher auch langfristig bei unserer Dienstleistung. Jedenfalls sind wir bereit, die Methodik und die Funktionsweise zum Kunden zu transportieren, so dass er sein System auch selbst weiterentwickeln kann, etwa durch neue eigene Modelle.

KEM Konstruktion: Sie sehen da also kein Verlustgeschäft, wenn sie einen Dienstleistungsauftrag verlieren, weil ein Kunde nun einmalig die Software kauft und sie dann nicht mehr braucht?

Uhlig: Das kommt vor, ist aber eher die Ausnahme. Wir sprachen schon über Variantenvielfalt und damit verbundene zunehmende Komplexität. Entwicklungsabteilungen stoßen immer wieder an die Grenzen des eigenen Know-hows, von Ressourcen- und Zeitengpässen ganz zu schweigen. Durch das aufgebaute Vertrauen mit vorangegangenen Dienstleistungsaufträgen weiß der Kunde genau, dass bei uns neben Modellierungs- und Simulationsfertigkeiten auch Know-how zu seinem Fachgebiet und zu seinen Produkten sitzt. Bei einigen kennen wir die Produkthistorie über Jahrzehnte im Detail. So können wir im Fall des Falles wie ein Interner sofort loslegen. Die Bindungen sind gerade deswegen so stark.

KEM Konstruktion: Befruchten sich die beiden Zweige – Engineering-Dienstleistung und Simulationssoftware-Entwicklung – also gegenseitig?

Abel: Genau das ist unser Konzept. Unsere Ingenieure sind die schärfsten Kritiker der Tool-Entwickler. Davon profitieren dann schlussendlich die Kunden.

KEM Konstruktion: Sollte die Simulation eher im Engineering-Department oder in der IT angesiedelt werden?

Abel: Primär im Engineering-Department. Wir wollen mit unserer Software ja nicht den Ingenieur einsparen und die Dateneingabe an der Simulation künftig von Praktikanten erledigen lassen – das funktioniert nicht. Prinzipiell ist das System immer noch ein großer Taschenrechner, mit großen Freiheiten. Diesen sinnvoll einzusetzen braucht es immer noch den fähigen Ingenieur. Natürlich muss aber für eine Investition in Entwicklersoftware mit der IT abgestimmt werden, wie Konfiguration, Verteilung im Haus und Integration in die vorhandene Toollandschaft aussehen sollen.

KEM Konstruktion: Bisher kann die Systemsimulation ja (noch) nicht wirklich alles mit allem verknüpfen. Wie lange wird es noch dauern, bis wir wirklich komplette Systeme mit allen Aspekten simulieren können?

Abel: Die Frage ist eher: Will man das Universum simulieren? Man wird nie wirklich alles zu 100 Prozent korrekt abbilden können und möchte das auch nicht, da eine Simulation nicht so aufwändig wie möglich, sondern so aufwändig wie nötig sein sollte. Im Elektronik- und Crash-Bereich sind wir aber trotzdem schon sehr nah dran. So führt man heutzutage umfangreiche Crashsimulationen mit hochauflösender Geometrie der Fahrzeugteile durch. Es gibt bereits Sicherheitssysteme – wie zum Beispiel aktive Sicherheitskomponenten zum Fußgängerschutz – die fluidische Systeme und auch Regelungstechnik in einen Crashvorgang einbinden. Dort überschreitet man dann wieder die Grenze zur Systemsimulation und verkoppelt sinnvollerweise beide Welten miteinander.

Uhlig: Das ist unser Blick auf die Welt. Meist will ich aber nur das Verhalten eines Subsystems abfragen. Dann möchte ich dieses sehr detailliert modellieren. Von den anderen Größen und umgebenden Teilsystemen benötige ich dann eher einfache Modelle.

KEM Konstruktion: Dennoch ist die Anforderung nach ganzheitlich simulierten Systemen aber da?

Uhlig: Tendenz steigend, wobei die Definition von „ganzheitlich“ unterschiedlich ausfallen kann. Wir arbeiten zum Beispiel an einem Aerospace-Projekt, das in diese Richtung geht. Hier war von Anfang an klar, dass wir mit riesigen Modellen arbeiten werden. Man muss das System Flugzeug als komplexes Gesamtsystem betrachten, dessen Verhalten nicht mehr aus einer einfachen Analyse seiner Teilsysteme extrapoliert werden kann. Die Fragen, die simulativ beantwortet werden müssen, nehmen zu und werden komplexer. Das bildet einen Zielkonflikt mit den immer kürzer werdenden Entwicklungszyklen und dem damit verbundenen Wunsch des Kunden, immer frühzeitiger verlässliche Designentscheidungen treffen zu können. Die Lösung dieses Zielkonflikts erfordert zwangsläufig auch mehr Simulations-Performance. Parallelisierung ist hierbei eine Chance. Die ESI-Gruppe bietet hier mit der ESI-Cloud eine Lösung, um für CAE-Projekte Hochleistungsrechner im Hintergrund nutzen zu können. Hier soll demnächst auch unsere Software SimulationX eingegliedert werden.

KEM Konstruktion: Birgt die steigende Komplexität denn auch Risiken?

Kehrer: Auf jeden Fall. Je komplexer das System, desto wahrscheinlicher sind Änderungen im Entwicklungsprozess. Je weiter fortgeschritten der Prozess schon ist, desto schwieriger ist es, hier noch ändernd eingreifen zu können. Das verlangt nach Frontloading, also dem frühestmöglichen Einsatz der Simulation. Hier ist auch eine gute Einbindung in die bestehende Infrastruktur, sprich CAD- und PLM-Umgebung das A und O – nur, wenn das funktioniert, wird die Simulation ihr Potential auch ausspielen können. Auch das Datenhandling muss so angelegt sein, dass die großen, durch Simulation erzeugten Datenmengen so gut wie möglich von allen Seiten genutzt werden können. Oftmals ist der Ingenieur ohne technische Hilfe nicht mehr in der Lage, die enthaltenen Informationen und Beziehungen zu analysieren. Algorithmen und Machine-Learning-Systeme der ESI Group helfen hier, Zusammenhänge aufzudecken, die nicht offensichtlich zutage treten oder die Grenzen der vom einzelnen Ingenieur zu bearbeitenden Entwurfsaufgabe überschreiten.

KEM Konstruktion: Was sehen sie als die nächsten größeren Herausforderungen in der Simulation an?

Uhlig: Die Prioritäten festzulegen – bei den vielen Ideen, die unsere Kunden und wir haben. Dazu gehört unter anderem, nicht-nominales Verhalten mitzusimulieren. Denn die Realität weicht natürlich immer mit Toleranzen und Fehlern ab, Teile fallen aus; und sei es nur, weil sie altern. Es gilt also auch Randgrößen und Extrembedingungen zu kennen. Wir wollen daher auch das fehlerbehaftete Verhalten abbilden können. Und natürlich müssen wir mit unseren Modellbibliotheken am Ball bleiben; aktuelle Trends sind etwa Green Building oder Autonomes Fahren, wofür wir schon spezielle Lösungen anbieten.

KEM Konstruktion: Auch das Industrial Internet of Things ist so ein Trend…

Abel: Exakt, hier werden auch – wie vorhin schon erwähnt – die Modelle immer komplexer, da bisher statische Bauteile wie Sensoren nun intelligent zusammen agieren. In Zukunft werden auch diese Baugruppen selbst Modelle in sich tragen, die auf Systemen wie dem unseren entwickelt wurden. Das muss nicht zwingend nur ein Controller, sondern kann auch eine ganze Bergbaumaschine sein, die ohne Fahrer ihre Arbeit verrichtet. Man kann sagen, Systemsimulation ist überhaupt eine der entscheidenden Voraussetzungen für erfolgreiche Industrie-4.0-Projekte.

Andreas Uhlig studierte Mathematik und promovierte an der TU Dresden. Er gehörte zu der Gründern der ITI GmbH, und war in dem Simulationssoftware-Unternehmen zunächst für F&E verantwortlich. Ab 2000 war er dort Geschäftsführer und hat diese Position für ESI ITI GmbH inne, die seit 2016 zur ESI Group gehört.

Christian Kehrer ist seit 2014 als Vertriebsleiter DACH bei ESI ITI GmbH für Kunden aus dem deutschsprachigen Raum verantwortlich. Er studierte Maschinenbau in der Fachrichtung Kraftfahrzeugtechnik an der TU Dresden.Er war von 2006 bis 2009 Berechnungsingenieur bei BMW, anschließend startete er als Key Account Manager im Bereich Automotive und als Ansprechpartner für neue Grundlagenthemen bei ITI GmbH.

Andreas Abel leitet seit 2015 die Abteilung Mechanik- und Mechatronik im Bereich Engineering der ESI ITI GmbH. Nach einem Studium der Elektrotechnik und einer Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der TU Dresden kam er 2002 zu ITI. Zuerst als Applikationsingenieur und später als Chefingenieur und Abteilungsleiter arbeitet er schwerpunktmäßig auf den Themen Antriebstechnik, Echtzeitsimulation, Systementwurf und Zuverlässigkeit.

Dieses Interview veröffentlichen wir in zwei Teilen: Wer noch mehr über konkrete technische Details und Möglichkeiten von SimulationX erfahren möchte, findet in Ausgabe 11/2016 der KEM Konstruktion die entsprechende Ergänzung. Zudem erläutern die Interviewpartner der ESI ITI GmbH dort ihre Sicht auf die Zukunft der Simulation und welche Herausforderungen hier noch zu meistern sind.