Ein Kunde: „Das lässt sich nur mit der Finite-Elemente-Methode berechnen. Das ist zu aber kostspielig.“
IBL: „Nein. Aber lassen Sie uns kurz erklären warum…“
Seit unserem Bestehen begegnen uns immer wieder die Fragen, ob eine Analyse mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) nicht zu lange dauert, nicht sehr kostspielig oder eben generell sehr aufwendig sei.
Für die allermeisten FE-Analysen (FEA) würden wir all diese Fragen mit „Nein!“ beantworten.
Natürlich muss man – wie bei allen Aufgaben in der Entwicklung – auch bei der numerischen Simulation Aufwand und Nutzen gegenüberstellen und bewerten. Für diese Bewertung ist es aber wichtig, den Aufwand richtig abschätzen zu können und den Umfang der Ergebnisse zu kennen.
Die Meinung, eine numerische Simulation sei sehr aufwendig, hält sich hartnäckig. Das ist irgendwie auch verständlich; vor einigen Jahren noch hat die Erstellung eines mittelgroßen Modells noch mehrere Tage in Anspruch genommen, Simulationen liefen auf extra dafür ausgerüsteten Computern zum Teil etliche Stunden – und wenn es dann auch noch eine „USER FATAL MESSAGE 9137“ gab, begann die Fehlersuche nach dem offenen Freiheitsgrad… Neu zu starten, um das lose Element zu finden, konnte bei den Rechenzeiten nur die letzte Möglichkeit sein.
Die Zeiten langer Rechenzeiten sind aber glücklicherweise vorbei!
Die Benutzeroberflächen und Programme haben sich in den letzten 20 Jahren bedeutend verbessert.Die Solver – das Programmteil, das die Simulation durchführt – arbeiten viel effektiver. Und die Computer sind heute bekanntermaßen um das 50 – 100fache leistungsfähiger als am Anfang des Jahrtausends (Nicht zuletzt dank immer besserer Optiken in der Halbleiterfertigung). Besonders anschaulich wird dies am Beispiel einer opto-mechanischen Baugruppe, die wir selbst über die Jahre und Generationen begleiten durften:
Die Entwicklung in der numerischen Simulation lässt sich gut mit den Veränderungen bei der Zeichnungserstellung nach der Einführung moderne CAD-Systeme vergleichen.
Wo früher unzählige technische Zeichnerinnen und Zeichner Ideen und Entwürfe zu Papier brachten, erstellen heute viele Entwickler die noch notwendigen Zeichnungen auf Basis ihrer 3D-Modelle selbst.
(Tatsächlich gibt es in Deutschland den Ausbildungsberuf zum technischen Zeichner so seit 2011 nicht mal mehr!)
Ebenso können einfache Simulationen – durch eine weitestgehend automatische Vernetzung – heute von den meisten Konstrukteure selbst im eigenen CAD-System durchgeführt werden.
Die Darstellung oben zeigt auch, dass ein Ergebnis, das 2007 erst nach über einer Woche verfügbar war, 2023 schon am nächsten Tag in die Optimierung der Baugruppe eingehen kann!
Und dabei ist der deutlich höhere Detaillierungsgrad der Simulation, und damit die Genauigkeit der Ergebnisse, noch gar nicht berücksichtigt.
Das Verhalten einer Baugruppe zu berechnen, geht heute mit der FEM also genauso schnell wie mit dem Taschenrechner oder Excel, wenn nicht sogar schneller!
Ob eine Konstruktion den erwarteten Belastungen standhält, ob Klebungen und Schrauben ausreichend dimensioniert sind oder ob unterschiedliche Materialien bei Temperaturwechseln zu Problemen führen, lässt sich am sichersten auf System- oder Baugruppenebene betrachten.
Dabei kommt der große Vorteil der FEM gestützten Auslegungen – nämlich die ganzheitliche Betrachtung eines Systems – zu tragen. Da alle relevanten Bauteile heute ohne weiteres vollständig in die Simulation eingehen können, werden Wechselwirkungen schneller sichtbar und Abweichungen zur Realität weitestgehend minimiert.
Natürlich kommt es bei solchen Betrachtungen weiterhin auch auf die Routine und die Erfahrung der Entwicklerin oder des Entwicklers an. Insbesondere komplexen Auswertungen, aber auch besonderen Lastfällen, die Modellierung umfangreicherer Baugruppen, oder nicht-lineare Fragestellungen erfordern weiterhin ein gewisses Hintergrundwissen.
Können die gewünschten Antworten mit der FEM gegeben werden? Welche Lastfälle werden für das Produkt normalerweise betrachtet? Welche sind sinnvoll? Ist das Ergebnis plausibel?
Auch diese Fragen lassen sich am besten mit Erfahrung beantworten.
In beinahe jeder Entwicklung, die wir mit unseren Kunden in den letzten Jahren durchgeführt haben, nutzen wir unsere Möglichkeiten und Erfahrung mit der numerischen Simulation.
Natürlich schließt das unsere Entwicklung etlicher Vorrichtungen und SBMs mit ein. Ein schönes Beispiel hierfür ist die Entwicklung eines Schnellspanners für eine bestehende Montagevorrichtung.
Aus der Produktion kam die Rückmeldung:
„Wir wären deutlich schneller, wenn man die Baugruppe zum Einstellen nicht festschrauben müsste.“
Ohne das Bewusstsein, wie schnell es möglich ist, Ergebnisse aus nicht-linearen Simulationen zu erhalten, wäre man bei dieser Vorrichtung vielleicht beim Verschrauben geblieben und hätte bei jeder Montage Zeit und Nerven verloren.
Vielleicht hätte man auf ein nicht vorgespanntes Bewegungsgewinde gesetzt, dann wären die Spannkräfte aber deutlich schlechter vorherzusagen gewesen wären. Ein Risiko für das Produkt.
Ohne die Beschränkungen auf vermeintlich einfachere Lösungen konnten stattdessen alle möglichen Lösungen gesammelt, verglichen und die vielversprechendste ausgewählt werden.
So wurde die Miniatur-Spanneinheit im Bild oben innerhalb von nur einer Woche vom Wunsch bis zum fertigen Zeichnungssatz entwickelt – inklusive der Berechnung der Kräfte, der nötigen Geometrie und nicht zuletzt der wahrscheinlichen Haltbarkeit des Federpaketes.
Zusammenfassend bleibt zu sagen, dass die Auslegung eines Bauteils oder einer Baugruppe mit Hilfe der FEM heute weder länger dauert noch teurer ist als die manuelle Berechnung mit Excel oder dem Taschenrechner. Darüber hinaus liefert sie ein ganzheitliches „Bild“ des Verhaltens im Einsatz oder beim Versand, wie zum Beispiel:
- Spannungen in allen Bereichen der Baugruppe
- Schnittstellenkräfte
- Resonanz-Frequenzen und Eigenformen (Stichwort Eigenmode)
- Reaktion auf Stoßbelastung (Stichwort Quasi Static Load oder Shock Response)
- Reaktion auf Vibration (Stichwort Sinus- oder Random Vibration)
- Temperaturverteilung im Betrieb
- Verhalten bei Temperaturänderungen
Eine FE-Analyse geht schneller als man denkt, eine FE-Analyse spart Geld und eine FE-Analyse erlaubt Lösungen zu bewerten, die auf traditionelle Weise nur im Versuch zu bewerten wären.
Und wie aufwendig ausreichend große Versuchsreihen sind, wissen wir alle.
Wenn Sie Fragen zum Thema FEM, FEA, Simulation oder Berechnungen haben, schreiben Sie uns. Gemeinsam finden wir den für Sie passenden Ansatz – versprochen.