Wie FEM- und CFD-Simulationen Entwicklungsprozesse beschleunigen, Kosten senken und Qualität sichern – Einblicke aus der Praxis.
Die Produktentwicklung steht heute unter enormem Druck: Kürzere Entwicklungszyklen, steigende Anforderungen an Qualität und Sicherheit sowie neue Regeln für Abnahmekriterien setzen Unternehmen unter Zugzwang. Die Antwort darauf? Immer mehr setzen auf simulationsgestützte Prozesse – allen voran FEM-Simulation (Finite-Elemente-Methode) und CFD-Simulation (Computational Fluid Dynamics).
Wie das in der Praxis aussieht, zeigten Dr. Frank Brehmer und Dr. Yannick Lattner von der itb Ingenieurgesellschaft für technische Berechnungen mbH. Ihr Fazit: Simulationen verkürzen Entwicklungszeiten, senken Produktionskosten und helfen, Normen zuverlässig einzuhalten.
Dr. Brehmer ordnete das Thema zunächst ein: Simulation ist ein Wachstumsmarkt. Laut dem Forschungsprojekt RAPIDO nutzen bereits 79 Prozent der befragten Unternehmen Simulationsverfahren in frühen Entwicklungsphasen – vor allem strukturmechanische Berechnungen und Festigkeitsanalysen. Parallel dazu ist der CFD-Softwaremarkt in den letzten zehn Jahren stark gewachsen, da Strömungssimulationen heute fester Bestandteil vieler Digitalisierungsstrategien sind.
Dr. Lattner gab anschließend einen praxisnahen Einblick in FEM- und CFD-Simulationen. Die Grundidee der FEM: Ein komplexes Bauteil wird rechnerisch in viele kleine Elemente zerlegt, um mechanische oder thermische Eigenschaften virtuell zu prüfen und zu optimieren – lange bevor ein physischer Prototyp entsteht. So lassen sich Schwachstellen früh erkennen und Entwicklungsprozesse beschleunigen. Als Beispiel zeigte Lattner die Berechnung der strukturellen Belastung eines Lastaufnahmemittels. Typische FEM-Anwendungen im Maschinen- und Anlagenbau sind:
- Statische Struktur-Analysen: Belastung von Maschinenrahmen, Gestellen, Werkzeugaufnahmen
- Schwingungsanalysen: Eigenfrequenzen, Resonanzen bei Antrieben oder Förderanlagen
- Thermomechanik: Temperaturbedingte Verformungen bei Werkzeugmaschinen oder Heizanlagen
- Topologieoptimierung: Materialeinsparung bei gleicher Steifigkeit
CFD-Simulationen hingegen berechnen Geschwindigkeit, Druck und Temperatur in Strömungsfeldern. Lattner demonstrierte dies anhand der thermischen Analyse einer aktiv gekühlten Grafikkarte. Weitere CFD-Anwendungen: Rohrströmungen inkl. Partikelemissionen, Wärmeübertrager und Druckverlustberechnungen.
Wie läuft ein typisches Projekt bei itb ab? Vom Kick-off und Zielklärung über Angebot und Bestellung bis zur Erstellung des Simulationsmodells, Durchführung der Simulation, Qualitätskontrolle, Auswertung und Ergebnisbesprechung.
Die Referenten beleuchteten auch die Frage: intern oder extern simulieren? Laut RAPIDO sprechen für externe Lösungen vor allem fehlende Kapazitäten, Know-how und die Komplexität der Aufgaben – weniger die Kosten der Tools. Und: Neue Regelwerke erfordern spezielle Software-Add-ons, auf die der Markt bereits reagiert.
Im abschließenden Erfahrungsaustausch wurde deutlich: Simulation ist kein „Nice-to-have“, sondern ein entscheidender Faktor – gerade in Zeiten, in denen kürzere Entwicklungszyklen und Kostensenkungen über Wettbewerbsfähigkeit entscheiden.
Veranstalter
Die Veranstaltung wurde von ProduktionNRW angeboten. ProduktionNRW ist das Cluster des Maschinenbaus und der Produktionstechnik in Nordrhein-Westfalen und wird vom VDMA NRW durchgeführt. ProduktionNRW versteht sich als Plattform, um Unternehmen, Institutionen und Netzwerke untereinander und entlang der Wertschöpfungskette zu vernetzen, zu informieren und zu vermarkten. Wesentliche Teile der Leistungen, die ProduktionNRW erbringt, werden aus Mitteln des Ministeriums für Wirtschaft, Industrie, Klimaschutz und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen gefördert.