KEM Konstruktion: Aktuell wird häufig von der Demokratisierung der Simulation gesprochen. Was versteht man darunter?
Sven Friedel: Man versteht darunter, weg zu gehen von der alten Vorstellung, nur der Simulationsingenieur habe Zugriff auf die Simulation. Heute können Konstrukteure, Manager und selbst Kunden über Simulationsapps in den Entwicklungsprozess eingebunden werden und wertvolles Feedback geben.
KEM Konstruktion: Man könnte also noch früher in der Entwicklung mit der Simulation beginnen?
Friedel: Genau, eine grobe Projektskizze kann im Prinzip während eines Meetings vom Tablet oder Notebook aus auf ihre Machbarkeit geprüft werden. Ingenieure können Konstrukteure früh nach ihrer Meinung fragen und Manager können kritische Größen identifizieren. Jeder Stakeholder hat Zugriff auf genau definierte Veränderungen, etwa in Form von Bedienelementen und kann so autark mit dem Modell „spielen“. Dabei kann niemand etwas kaputt machen, denn jeder sieht nur das, was er versteht und braucht.
KEM Konstruktion: Welches Produkt ermöglicht das?
Friedel: Wir haben den Schritt zur App-Kultur ja bereits mit dem Application Builder gemacht, verbreitet werden die Apps über den Comsol Server. Mit Version 5.4 haben wir nun noch eine Schippe drauf gelegt: Apps können nun auch als autark ausführbares Programm exportiert werden, wofür der jeweilige Nutzer der App keine Lizenz benötigt. Ermöglicht wird das durch den Comsol Compiler, lauffähig sind die Apps auf Windows, Linux und MacOS.
KEM Konstruktion: Wen sprechen Sie damit an?
Friedel: Aktuell sehen wir Firmen, die begleitend zum Datenblatt eine App verteilen und damit die Wirkungsweise Ihres Produkts eindrücklich visualisieren können. Außendienstmitarbeiter können im Gespräch mit Kunden Auslegungsdaten aufnehmen, unmittelbar die Performance berechnen lassen und mit dem Kunden vor Ort auswerten. Hinter der grafischen Auswertung kann eine beliebig komplexe Berechnung stehen – hier ist die App der erweiterte produktspezifische Engineeringtaschenrechner. Nicht geeignet ist das vielleicht für sehr sensitive Entwicklungsmodelle – hier nutzen unsere Kunden vornehmlich Comsol Server.
KEM Konstruktion: Neben der App-Kultur geht es aber sicher auch mit der Multiphysik weiter, oder?
Friedel: Natürlich. Es gibt einige generelle industrielle Trends, die das Multiphysikkonzept geradezu erfordern. Beispielsweise sorgt die fortschreitende Miniaturisierung für immer engere Kopplung zwischen einzelnen Komponenten. Gerade sehen wir bei Energiewandlern und Speichersystemen wie Batterien etwa sehr viel Bewegung, ebenso bei Sensoren, die sich durch das Internet of Things gerade rasant entwickeln – all das sind Paradebeispiele für Multiphysikbauteile. Ingenieure sind täglich gefordert, gewünschte Feldwechselwirkungen besser auszunutzen oder unerwünschte zu unterdrücken. Was gestern noch nebensächlich war, ist morgen vielleicht das Erfolgsgeheimnis.
KEM Konstruktion: Welche Neuerungen gibt es hier noch?
Friedel: Gerade haben wir unser neues Composite Materials Module vorgestellt. Damit verfolgen wir einen Multiskalen-Ansatz: Ein sehr kleinteiliges Verbundmaterial wird zu Beginn auf einer mikroskopischen Größe definiert und schichtweise in verschiedenen Orientierungen und mit unterschiedlichen Fasern aufgebaut. Das Modell kann so die Eigenschaften sehr realistisch abbilden. Anschließend kann man dieses Material auf eine beliebige Struktur aufbringen, etwa auf einen Windrad-Flügel. Würde man das feine Material klassisch mit FEM auf dieser Größe berechnen, bekäme man eine so viele Freiheitsgrade, dass diese nur mit exorbitanter Rechenleistung zu bewältigen wären.
KEM Konstruktion: Daher nutzt man einen Skalenübergang …
Friedel: Exakt. Die Eigenschaften werden quasi nicht für jedes finite Element berechnet, sondern man betrachtet das große, makroskopische Bauteil mit kleineren Bereichen, die ihre Eigenschaften aus immer dem gleichen mikroskopischen Modell beziehen. So sinkt die Rechenleistung und die Simulation ist mit herkömmlichen Systemen zu realisieren. Ähnliche Verfahren nutzten wir auch in der Chemie, etwa wenn ein Reaktor mit Pellets gefüllt ist. Auf jedem der Kügelchen müsste eine Diffusionsgleichung laufen, während gleichzeitig im gesamten Behälter eine Strömungsmechanik rechnet. Auch hier hilft uns das Upscaling, den Rechenaufwand im Zaum zu halten, da wir nicht jedes Pellet einzeln rechnen müssen.
KEM Konstruktion: Wird sich das auch auf andere Felder ausbreiten?
Friedel: Aktuell haben wir uns hier auf thermische, mechanische und elektrische Eigenschaften beschränkt. Der verwendete Ansatz ist aber viel mächtiger. Da kann man also gespannt sein, da auch Metamaterialien – die sich sehr exotisch verhalten – immer wichtiger werden. Das sogenannte Cloaking – Unsichtbar machen – ist hier ein Stichwort. Klingt alles sicher futuristisch, findet aber tatsächlich immer mehr Eingang in die Produktentwicklung, nicht nur bei Tarnkappenflugzeugen, die aufgrund ihrer Form und ihres Materials für Radarstrahlen unsichtbar sind. Heute werden akustische, optische und thermische Metamaterialien für geniale Produktideen verwendet.
Wie eine Simulationsapp erstellt wird, zeigen wir in diesem Video:
http://hier.pro/KFCgV
Sven Friedel, Geschäftsführer, Comsol Multiphysics, ZürichBild: Comsol
„Ingenieure sind täglich gefordert, gewünschte Feldwechselwirkungen besser auszunutzen oder unerwünschte zu unterdrücken. Was gestern noch nebensächlich war, ist morgen vielleicht das Erfolgsgeheimnis.“
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