Comsol-Deutschland-Chef Dr. Thorsten Koch zur Demokratisierung der Simulation
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Comsol-Deutschland-Chef Dr. Thorsten Koch zur Demokratisierung der Simulation

Simulations-Apps in der Produktentwicklung
Comsol-Deutschland-Chef Dr. Thorsten Koch zur Demokratisierung der Simulation

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Welche Rolle die Simulation und speziell Simulations-Apps heute in der Produktentwicklung spielen und warum nicht nur hochspezialisierte Fachkräfte damit arbeiten können – im Sinne der Demokratisierung der Simulation –, erläutert Dr. Thorsten Koch, Geschäftsführer der Comsol Multiphysics GmbH in Göttingen im KEM Porträt. Er ist überzeugt, dass sich basierend auf der Multiphysik-Simulation von Comsol und den daraus ableitbaren Apps die Prozesse der Produktentstehung effizienter gestalten lassen.

» Fragen: Michael Corban, Chefredakteur KEM Konstruktion

KEM Konstruktion: Das Thema ‚Demokratisierung der Simulation‘ könnte man etwas flapsig formulieren als: Jeder kann simulieren und bewerten! Wie wird das Thema im Markt aufgenommen?

Dr. Thorsten Koch (Comsol Multiphysics): Viele unserer Kunden haben die Möglichkeit, Simulation nun für alle in ihrem Unternehmen oder ihrer Forschungsgruppe zu ermöglichen, schnell aufgegriffen. Wir haben begeistertes Feedback erhalten – offenbar haben Simulations-Apps, welche die Demokratisierung effektiv ermöglichen, ein Bottleneck entfernt, das zuvor viele daran gehindert hat, das Potential ihrer Simulationsmodelle wirklich auszunutzen. Dass nun wirklich jeder simulieren kann, hat unglaubliche Konsequenzen für den Workflow in einem Team und der Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Teams.

KEM Konstruktion: Könnten Sie an einem konkreten Beispiel den Vorteil für die Anwender erläutern?

Koch: Ein schönes Beispiel für die erfolgreiche Demokratisierung der Simulation ist die Entwicklung von Elektromotoren für die E-Fahrzeuge von Volkswagen. Um die Festigkeit und Lebensdauer von Rotorblechen zu bewerten, werden auch diese simuliert. Damit die Simulationsingenieure nicht jede Konfiguration neu berechnen müssen, haben sie ihr Modell zu einer Simulations-App erweitert, mit eigener Benutzeroberfläche. Diese App ist nun für Kollegen verfügbar, die keinerlei Vorkenntnisse in FEM-Simulation benötigen. Trotzdem können sie dank der App eigenständig Überdeckungen, Temperaturen und Drehzahlen ändern, die Modelle neu berechnen und Ergebnis-Reports generieren. Das Modell hat die Abhängigkeit von seinen Entwicklern verloren und ist zu einem eigenständigen Tool für alle geworden, die mit der Festigkeitsbewertung der Rotorbleche zu tun haben.

Ähnlich haben es die Audiosystementwickler bei Harman gemacht: Sie nutzen Simulations-Apps, um ihre virtuelle Entwicklung von HiFi-Systemen in Fahrzeugen teamübergreifend durchzuführen. Ihre Apps sind teilweise so aufgebaut, dass bestimmte ergebnisrelevante Randbedingungen von App-Anwendern nicht versehentlich geändert werden können. Damit wird sichergestellt, dass die Ergebnisse mit den Messungen übereinstimmen.

Simulations-Apps einfach erstellen

KEM Konstruktion: Ein wichtiges Element ist also die Erstellung von Simulations-Apps, mit der auch weniger erfahrene Anwender die Simulation nutzen können. Wie funktioniert das?

Koch: Aus einem Simulationsmodell eine einfache App zu erstellen, ist tatsächlich kinderleicht: Jeder Comsol-Anwender hat die Möglichkeit, dies mit dem Application Builder zu machen, welcher in jeder Windows-Installation von Comsol automatisch dabei ist. Man kann mit wenigen Mausklicks eine Oberfläche generieren, die Parametereingaben ermöglicht, Ergebnis-Plots und wichtige Kenngrößen darstellt und umfangreiche Reports generiert. Das ist alles ohne weitere Programmier-Kenntnisse möglich. Darüber hinaus kann man den Funktionsumfang der Apps aber auch mittels Programmierung und Schnittstellen zu anderer Software erweitern – etwa CAD- oder Messprogrammen.

(Tipp: Wie sich solche Apps erstellen lassen zeigt die Aufzeichnung eines Webinars zu einem Chemiereaktor-Simulationsmodell mit Strömung, Wärmetransport und Stofftransport inklusive chemischer Reaktion.)

Ist eine App kreiert, hat man zwei Möglichkeiten, sie anderen zur Verfügung zu stellen: Man kann sie einfach zu einer ausführbaren .exe-Datei – beziehungsweise entsprechenden Formaten für MacOS oder Linux – kompilieren und verschicken. Oder man nutzt die Comsol Server Software, welche eine Art eigenen App-Store darstellt, womit man viele Apps bereitstellen und Anwendergruppen verwalten kann. Bei der ersten Methode rechnen die Anwender dann auf ihren eigenen Computern, mit Comsol Server wird auf dem Computer gerechnet, auf dem Comsol Server läuft, was die App-Nutzung mit Endgeräten wie Tablets oder Smartphones auf der ganzen Welt ermöglicht. Unabhängig von der Art der Bereitstellung brauchen die App-Anwender keinerlei Zugriff auf eine Comsol-Lizenz.

KEM Konstruktion: Kommen wir zurück zur Demokratisierung der Simulation – wie entwickelt Comsol selbst das Thema weiter? Können Sie je nach spezifischer Rolle des Anwenders gut vorgeben, welche Funktionalitäten sinnvoll sind, oder wollen die Anwender selbst bestimmen, welche Möglichkeiten sie haben wollen?

Koch: Schon immer war eines unserer zentralen Anliegen die maximale Flexibilität für unsere Anwender. So kann man zum Beispiel in Comsol statt einer festen Zahl für eine Materialeigenschaft auch eine Variable oder gleich eine ganze Formel eingeben, um beispielsweise Temperaturabhängigkeiten zu berücksichtigen. Dies findet sich auch im App-Building wieder, denn auch hier geben wir zwar viele Möglichkeiten vor – etwa vorgefertigte App-Bedienelemente, die sofort richtig funktionieren –, lassen aber trotzdem die Freiheit, auch ganz eigene Wege zu gehen. Wir haben festgestellt, dass es sowohl Kunden gibt, die gerne feste Wege beschreiten, als auch solche, die gerne die volle Kontrolle haben wollen – beide Gruppen fühlen sich mit unserer Software sehr gut aufgehoben. Und wir werden diese stets in diesem Sinne weiterentwickeln.

Noch frühere Entscheidungsfindung durch autarke Comsol-Apps

KEM Konstruktion: Dem Ziel der beschleunigten Produktentwicklung dienen ja auch die immer stärker ausgebauten Simulations-Tools innerhalb der CAD-Produkte. Lohnt es sich dann überhaupt, ein hochspezialisiertes Tool wie Comsol Multiphysics einzusetzen?

Koch: Da möchte ich zunächst einhaken – Comsol ist gerade kein hochspezialisiertes Tool, sondern eine sehr universell einsetzbare Simulationsplattform mit Add-Ons für nahezu alle industrierelevanten Anwendungsbereiche. Ich finde die Bezeichnung ‚extrem leistungsstarker Taschenrechner für Ingenieure‘ ganz passend, denn letztendlich macht Comsol das, was ein Taschenrechner auch macht: Es berechnet die Lösung von Gleichungen. Die Spezialisierung kommt erst mit der Anwendung: Welche Gleichungen sollen gelöst werden? Wie lauten die Randbedingungen? Welcher Löser passt dazu? Die Antworten auf diese Fragen stecken dann in den jeweiligen Physik-Modulen.

Aber um auf die eigentliche Frage zurückzukommen: Natürlich entwickeln sich auch CAD-Produkte ständig weiter und es ist ungeheuer praktisch, wenn man nach der Konstruktion direkt eine Simulation durchführen kann. Hier stößt man jedoch spätestens dann an Grenzen, wenn man an wirklich realitätsnahen Ergebnissen interessiert ist. Wir verwenden in diesem Zusammenhang gerne die Formulierung: ‚Die Welt ist multiphysikalisch!‘ Was wir damit meinen ist, dass eigentlich in den wenigsten Fällen eine Betrachtung nur eines physikalischen Aspektes ausreicht, wenn man vorhersagen will, wie sich ein Design oder Bauteil wirklich verhalten wird.

Multiphysik-Simulation als Standardfall

KEM Konstruktion: In den meisten Fällen ist also für eine reale Abbildung die Multiphysik-Simulation erforderlich?

Koch: Nehmen wir etwas alltägliches wie einen Lautsprecher: Um beispielsweise korrekt vorherzusagen, wie die Schallausbreitung eines neuen Prototypen aussehen wird, muss man die Elektromagnetik im Treiber berechnen und koppeln mit der Mechanik der dadurch bewegten Membran, welche wiederum das Schallfeld in der Luft erzeugt und so den Ton ergibt. Dabei sind Wechselwirkungen zu berücksichtigen und im Luftbereich zwei unterschiedliche numerische Methoden anzuwenden – FEM (Finite-Elemente-Methode) für das Innere und BEM (Boundary Element Method oder auch Randelementmethode) für den Außenbereich des Lautsprechers. Für eine Simulationsingenieurin, die mit Comsol arbeitet, ist die Berücksichtigung all dieser Dinge völlig alltäglich, und sie kann problemlos auch weitere Aspekte wie Temperaturschwankungen oder Windeinflüsse auf das Schallfeld bei Musikfestivals implementieren. Dabei muss sie übrigens nicht auf ihr CAD-Programm verzichten, denn dies lässt sich per LiveLink nahtlos an Comsol anbinden. Und sie kann am nächsten Tag etwas völlig anderes berechnen, etwa die Langzeit-Korrosion des metallischen Lausprecherständers oder vielleicht die elektromagnetische Abstrahlcharakteristik der Funk-Sender. Der Workflow und die Benutzeroberfläche sind in allen diesen Fällen exakt gleich, unabhängig von der Aufgabenstellung. Soweit ich weiß, gibt es weder ein CAD- noch ein anderes Simulationsprogramm, was das in dieser Form kann.

Und den wohl spektakulärsten Aspekt an der ganzen Sache habe ich noch nicht genannt: Natürlich kann diese Ingenieurin aus ihren Modellen auch die bereits erwähnten Apps erstellen – welche die Kopplung zu der CAD-Software ihrer Organisation beinhalten und damit die gesamte Konstruktionsabteilung am Entwicklungsprozess beteiligen. Jetzt kann jeder simulieren. Ein derartig durch Simulations-Apps erweitertes CAD-Produkt sehe ich sehr wohl als Alternative zu hochspezialisierter Simulationssoftware, denn erst dadurch kann die CAD-Software prinzipiell dasselbe leisten.

KEM Konstruktion: Schaut man auf den Funktionsumfang von Comsol Multiphysics, lassen sich ja bereits viele Fragen beantworten. Gibt es Bereiche, in denen Ihre Kunden besonders von der Multiphysik-Simulation profitieren konnten?

Koch: Wie gerade bereits angedeutet, gibt es eigentlich eher wenige Bereiche, in denen man konsequent auf Multiphysik verzichten könnte. Wir sind über die Jahre den Wünschen und Forderungen unserer Kunden nachgegangen, welche aus den verschiedensten Bereichen der Industrie und Forschung kommen. So sind mittlerweile stolze 29 Add-on-Produkte, sogenannte Module entstanden, wovon jedes für Anwendungen bestimmter physikalischer oder chemischer Phänomene genutzt werden kann – und alle können nahtlos miteinander verbunden werden. Drei multifunktionale Module (wie Optimierung) und 13 Schnittstellen-Produkte zu anderen Softwareprogrammen runden die Palette ab, so dass praktisch für jeden etwas dabei ist.

Fluid-Struktur-Wechselwirkungen schnell berechnen

KEM Konstruktion: Wie aufwendig ist die Kopplung verschiedener Disziplinen – beispielsweise bei der Simulation von Fluid-Struktur-Wechselwirkungen?

Koch: Es lässt sich in Comsol alles mit allem koppeln, da gibt es keine grundsätzlichen Einschränkungen. Es ist stets möglich, Kopplungen manuell vorzunehmen, indem man die entsprechenden Größen einer physikalischen Gleichung in der zu koppelnden Gleichung einträgt. Beispiel: Das Geschwindigkeitsfeld einer Strömung in den konvektiven Term der Wärmetransportgleichungen, um nichtisotherme Strömungen zu modellieren. Wir haben aber festgestellt, dass es einige Kopplungen gibt, die überdurchschnittlich häufig vorkommen. Für diese haben wir eigene sogenannte Multiphysik-Knoten implementiert, welche alle nötigen Einstellungen einer Kopplung automatisch vornehmen. Die Fluid-Struktur-Wechselwirkung ist so ein Fall, welcher durch vorgefertigte Multiphysik-Knoten sehr einfach aufzusetzen ist. Man legt die Strömungs- und Festkörper-Parameter ganz normal fest und Comsol erkennt selbst, wo die Übergangsbereiche sind, an denen die Kräfte übergeben werden – und das ist dann eigentlich auch schon alles. Wie einfach das ist, hat kürzlich mein Kollege Phillip Oberdorfer in einem KEM-Konstruktion-Webinar am Beispiel einer Schlauchpumpe gezeigt (Anm. d. Red. siehe Kasteninfo links oben).

(Tipp: Auch die Fluid-Struktur-Wechselwirkung war Thema eines Webinars – hier wurde sie am Beispiel einer Schlauchpumpe gezeigt, bei der eine rotierende Walze einen Schlauch zusammendrückt, wodurch Fluid durch den Schlauch transportiert wird.)

Verbundwerkstoffe in der Simulation

KEM Konstruktion: Welche Erfahrungen haben Sie bei der Simulation von Composite-Materialien gemacht und wie lassen sich diese nutzen?

Koch: Wir sind uns sicher, dass Verbundwerkstoffe ein wichtiger Zukunftswerkstoff sind und das nicht zuletzt aufgrund der Möglichkeit, Funktionen wie Sensorik, Bewegung, Berechnung und Kommunikation in sogenannte intelligente Verbundwerkstoffe einzubetten. Wir haben uns daher viele Gedanken darüber gemacht, wie man sie geschickt modellieren kann. Das Problem ist aus numerischer Sicht, dass die Composites aus vielen dünnen Schichten bestehen, welche unterschiedliche Eigenschaften und Anisotropien aufweisen können. Die Vernetzung senkrecht zur Materialoberfläche wäre sehr schwierig bis unmöglich. Wir haben aus diesem Grund eine Technologie implementiert, die es ermöglicht, Composites aus beliebig vielen Schichten zu einer 2D-Fläche zusammenzufassen, wobei Größen wie etwa die Spannungsverteilung, in jeder einzelnen Schicht analysiert werden können. Das dazu entwickelte Composite Materials Module ermöglicht außerdem die mikromechanische Analyse der Faser- und Matrixanteile in sogenannten Einheitszellen, welche dann zu homogenisierten makroskopischen Materialien zusammengefasst werden, um die Berechnung ganzer Bauteile zu ermöglichen.

(Tipp: Die Simulation von Verbundwerkstoffen wird in diesem Webinar gezeigt.)

KEM Konstruktion: Welche Weiterentwicklungen sind im Rahmen des Multiphysik-Ansatzes künftig zu erwarten?

Koch: Der Multiphysik-Ansatz wird, neben der Möglichkeit zur App-Erstellung und -Verbreitung, immer ein ganz wesentliches Element der Comsol-Simulationsplattform bleiben. Wir werden diese Technologie auch in Zukunft weiterentwickeln und uns damit auseinandersetzen, wie wir die Welt um uns herum möglichst realistisch abbilden können, um Vorhersagen über das Verhalten von Geräten, Bauteilen und Designs zu machen. Wir beobachten den Markt und die Bedürfnisse unserer Kunden genau und passen unsere Software regelmäßig daran an und erweitern sie. Mit dem Erscheinen der Comsol Version 5.6 haben wir beispielsweise unsere Modellierungsmöglichkeiten von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren erweitert und im neuen Fuel Cell and Electrolyzer Module zur Verfügung gestellt. Das sind – wie auch die Batterietechnik, die durch unser Battery Design Module abgedeckt wird – Zukunftstechnologien, für die momentan viel Forschungsaufwand betrieben wird. Multiphysik-Simulation ist dafür das perfekte Tool.

KEM Konstruktion: Vielleicht zum Abschluss eine praktische Frage: Rechenleistung muss ja heute nicht mehr zwingend der limitierende Faktor sein – beispielsweise über die Nutzung von bedarfsabhängig zubuchbarer Rechenleistung in Cloud-Umgebungen. Welche Ansätze unterstützt Comsol hier und wie können Sie Ihre Anwender dabei unterstützen?

Koch: Comsol Simulationen sind vollständig parallelisiert und Cluster- sowie Cloud-fähig. Zudem haben wir zahlreiche Partner aus den Bereichen HPC, Cluster und Cloud Services, die unseren Anwendern dabei helfen, ihre Modelle mit größtmöglicher Effizienz zu lösen, ohne die dafür notwendige Rechnerinfrastruktur im Haus bereit halten zu müssen. Interessierte Anwender können sich gerne auch an unseren technischen Support wenden. Unsere Mitarbeiter helfen gerne, die vorhandene Comsol-Lizenz beim gewünschten Cloud-Anbieter nutzbar zu machen.

Weitere Infos und eine Übersicht zur Comsol-Simulationsplattform:
hier.pro/aGf1x

Kontakt:
Comsol Multiphysics GmbH
Robert-Gernhardt-Platz 1
37073 Göttingen
Tel. +49 551 99721-0
info@comsol.de
www.comsol.de

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