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Real oder virtuell – Berechnung und Validierung von Produkten

Autodesk

Produktverhalten

Zunehmender Zeitdruck

Die Produktentwicklung hat sich im Laufe der letzten zehn Jahre stark verändert. Es ist noch gar nicht lange her, dass die meisten iterativen Konstruktionsänderungen in der Prototypenphase durchgeführt wurden. Physische Prototypen wurden gebaut, getestet und analysiert. Die daraus gewonnenen Daten dienten als Grundlage für konstruktive Verbesserungen, worauf ein neuer Prototyp gebaut und getestet wurde.

Ein wichtiger Vorteil dieses Verfahrens ist die Realitätsnähe. Richtige Produkte werden dabei unter tatsächlichen Betriebsumgebungen getestet. Nachteilig ist aber, dass der Bau von Prototypen viel Zeit und Geld kostet. Man denke nur an den Aufwand, der erforderlich ist, um einen Prototyp eines neuen Autos herzustellen, mit Messgeräten auszustatten, Testfahrten durchzuführen und die Messdaten auszuwerten. Das Gleiche trifft auch für Produkte aus der Luftfahrt, für Konsumgüter, Sportartikel, medizinische Geräte oder andere Produkte zu.

In den heutigen Entwicklungszyklen besteht ein so hoher Zeitdruck, dass ein Entwicklungsprozess mit Prototypen meistens nicht möglich ist. Die Materialien werden zunehmend aufwändiger. Die Beziehungen zwischen den Einzelteilen und Subsystemen einer Konstruktion werden immer komplexer. Die zu erreichenden Ziele – Senkung der Kosten, Steigerung der Effizienz, Innovation der Produkte – werden immer anspruchsvoller. Und dazu kommt noch der Druck, neue Produkte vor den Mitbewerbern auf den Markt zu bringen.

Bis ein vollständig ausgearbeiteter Prototyp getestet werden kann, ist es oftmals bereits zu spät, grundlegende Konstruktionsänderungen vorzunehmen, ohne Zeitplan oder Budget zu gefährden.

WEITERE INFORMATIONEN

Kontinuierliches Berechnen und Validieren

Aufgrund zahlreicher Faktoren hat die Bedeutung von Berechnung und Validierung noch zugenommen. Mit CAE-Software (computer-aided engineering, rechnergestützter Entwicklung) können Konstrukteure potenzielle Schwachstellen in einer Konstruktion deutlich früher erkennen und korrigieren, und hierdurch Zeit und Kosten sparen. Immer mehr Konstrukteure und CAE-Berechnungsingenieure arbeiten zusammen, um die Eigenschaften und das Verhalten ihrer Produkte zu verstehen, mögliche Probleme zu erkennen und Wege zu finden, ihre Konstruktionen zu verbessern.

Berechnung und Validierung sind deshalb sehr wichtig, weil es sich dabei um die erste Instanz bei der Qualitätssicherung handelt. Mit ihrer Hilfe können Probleme frühzeitig erkannt werden, die ansonsten die Markteinführung verzögern oder gar zum Verfehlen der Produktanforderungen führen würden, was zu Garantiefällen, Rückrufaktionen und Rufschädigung führen kann.

Berechnung und Validierung hängen zwar miteinander zusammen, sind aber eigene Prozesse. Bei der Berechnung wird festgestellt, ob die Konstruktion den im Lastenheft festgelegten Anforderungen entspricht, während bei der Validierung untersucht wird, ob die Konstruktion sich wie erwartet verhält oder ob sie Mängel aufweist.

Diese Prozesse sind voneinander abhängig und bedingen einander. Wenn eine Konstruktion noch nicht berechnet wurde, ist auch ihre Validierung wertlos. Aber auch wenn eine Validierung nicht korrekt durchgeführt wird, können die aus unrichtigen Ergebnissen gezogenen Schlüsse möglicherweise dazu führen, dass das Produkt nicht wie erwartet funktioniert.

Fließende Übergänge

Auch weil die Berechnung und Validierung so ineinander verwoben sind, kann man sagen, dass bei der Arbeit des Konstrukteurs und des Berechnungsingenieurs die Übergänge fließend sind. Ursprünglich handelte es sich bei der Berechnung um die Domäne der Konstrukteure, während die Validierung den Berechnungsingenieuren vorbehalten war. Der eine fokussierte sich auf Innovation, während der andere sich um die mathematische Genauigkeit kümmerte.

Heute sind diese Aufgabengebiete nicht mehr so klar getrennt. Gerade weil die in beiden Phasen genutzten Simulations-Tools effektiver und einfacher in der Anwendung geworden sind, arbeiten Konstrukteure und Berechnungsingenieure bei der Berechnung und Validierung immer mehr Hand in Hand. Mit analytischen Modellen optimieren die Konstrukteure schon frühzeitig die Konstruktion ihrer Produkte. Die Berechnungsingenieure dagegen untersuchen nicht nur die Gründe für das Versagen von Konstruktionen, sondern geben auch Ratschläge, wie die Konstruktion geändert werden sollte.

Was ursprünglich getrennt voneinander und sequentiell ablief, ist mittlerweile zu einer gemeinsamen Tätigkeit geworden. Bestimmte Konstrukteure wagen sich weit in das Gebiet der CAE-Berechnungsingenieure hinein, während einige Berechnungsingenieure sich auch mit der eigentlichen Konstruktion auseinandersetzen.

Dabei ist es wichtig zu verstehen, welche unterschiedlichen Beiträge die Konstrukteure und die Berechnungsingenieure leisten. Der Konstrukteur sieht das Produkt und den Zweck in seiner Gesamtheit. Er kennt die hinter der Konstruktion stehende Idee. Der Berechnungsingenieur dagegen besitzt einen tieferen Einblick in die Berechnungen, die mit Tools für Finite-Element-Berechnung (FEM) und Strömungsmechanik (CFD) durchgeführt werden. Er sieht die Ergebnisse der Simulationen und erkennt, welche Probleme behoben werden müssen.

Kosten senken und Risiken minimieren

Wenn die Berechnung und die Validierung eng zusammenarbeiten, kann dies positive Auswirkungen auf einige wichtige Herausforderungen haben, die in der Fertigungsindustrie bestehen.

Einerseits kann die Konstruktion möglichst frühzeitig optimiert werden, und zwar zu einem Zeitpunkt, an dem Konstruktionsänderungen noch relativ preiswert durchgeführt werden können. Andererseits hat dies auch positive Folgen für die Art und Weise, wie Prototypen getestet werden. Die Anforderungen an physische und virtuelle Tests werden oft während der Produktentwicklung festgelegt, und so kann es passieren, dass die eigentliche Konstruktion schon viel weiter ist, bevor der Test des Prototyps überhaupt begonnen hat. Aber mit Simulations-Tools sind eine schnellere Berechnung und Validierung möglich, wodurch die Arbeit von Konstrukteuren und Testingenieuren besser abgestimmt werden kann.

Die Kosten für Bau und Test von Prototypen lassen sich durch Berechnungen und Validierungen entscheidend senken, da der Prototyp durch Berechnungen optimiert ist und somit dem Endprodukt deutlich ähnlicher als dies früher möglich war. Dies bedeutet, dass weniger physische Prototypen erforderlich sind und dass ein geringeres Risiko besteht, die Markteinführung durch zu spät entdeckte Probleme zu verzögern.

Berechnung und Validierung tragen vor allem dazu bei, die bei Fertigungsunternehmen besonders gefürchteten Garantiefälle, Rückrufaktionen und Kundenreklamationen zu vermeiden. Die beiden Hauptursachen hierfür sind einerseits Konstruktionsfehler und andererseits Fertigungsfehler. Zusammen mit physischen Tests liefern die Berechnung und Validierung zuverlässigere Konstruktionen und ein besseres Produktverhalten im praktischen Einsatz. Außerdem sorgen sie für ein besseres Verständnis dafür, welche Variablen in der Produktion besonders überwacht und kontrolliert werden müssen, um Qualitätsprobleme auszuschließen.

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