Ein Satz fällt in Gesprächen mit unseren Kunden leider bis heute, stimmt jedoch seit mindestens fünfzehn Jahren nicht mehr:
„Das lässt sich nur mit der Finite-Elemente-Methode berechnen – aber das ist viel zu teuer.“
Bei überschaubaren Baugruppen sind die Kosten für eine FEM-Simulation inzwischen nicht höher als für eine manuelle Berechnung mit Taschenrechner oder Excel. Eine FE-gestützte Analyse liegt heute in Stunden vor, nicht erst in Wochen.
Bei überschaubaren Baugruppen sind die Kosten für eine FEM-Simulation inzwischen nicht höher als für eine manuelle Berechnung mit Taschenrechner oder Excel. Eine FE-gestützte Analyse liegt heute in Stunden vor, nicht erst in Wochen.
Der Grund liegt in der Natur der Finite-Elemente-Methode (FEM). Vereinfacht gesagt zerlegt sie ein Bauteil in eine endliche Zahl kleiner Elemente. Aus diesen berechnet der Solver dann zum Beispiel Verformungen, Spannungen, Eigenfrequenzen oder Temperaturverteilungen.
Die FEM ist also ein numerisches Verfahren. Damit hängt der Aufwand unmittelbar an der verfügbaren Rechenleistung und an der Entwicklung der Software. Beides hat sich in den vergangenen Jahren grundlegend weiterentwickelt.
Früher dauerte der Prozess von Modellierung, Simulation und Auswertung tatsächlich Tage. Heute nicht mehr.
Ihr schlechter Ruf stammt aus einer anderen Zeit
Die Skepsis hat historische Gründe. Vor einigen Jahren beanspruchte allein die Erstellung eines mittelgroßen Modells noch mehrere Tage. Die eigentlichen Simulationen liefen selbst auf eigens ausgerüsteten Rechnern über etliche Stunden – wenn nicht sogar ebenfalls über Tage.
Kam dann eine USER FATAL MESSAGE 9137, begann die Jagd nach dem offenen Freiheitsgrad.
Ein Neustart, um das lose Element zu finden, war bei diesen Rechenzeiten nur der letzte Ausweg.
Wer so gearbeitet hat, vergisst es nicht. Genau daher stammt der Satz vom Anfang – aus einem Projekt, das oft fünfzehn Jahre und mehr zurückliegt.
Was sich über die Jahre verändert hat
Vier Entwicklungen haben den Aufwand pro Analyse deutlich reduziert:
- Vernetzung: Moderne Präprozessoren vernetzen Volumenmodelle weitgehend automatisch aus den CAD-Daten.
- Solver: Aktuelle Solver nutzen Mehrkern-Architekturen und teilweise GPU-Beschleunigung.
- Rechenleistung: Die Leistung pro Arbeitsplatz ist in den letzten 20 Jahren um mehrere Größenordnungen gestiegen. Zusätzliche Kapazität lässt sich kurzfristig zubuchen.
- Integration: Einfache Simulationen lassen sich direkt im CAD-System rechnen, ganz ohne Datenübergabe.
Wie stark das zusammenwirkt, zeigt eine opto-mechanische Baugruppe, die wir über mehrere Produktgenerationen begleitet haben. Dieselbe Aufgabe, dieselben Fragestellungen, über fast zwei Jahrzehnte hinweg.
Ein Ergebnis, das 2007 erst nach über einer Woche vorlag, fließt heute am Folgetag in die Optimierung der Baugruppe ein.
Der deutlich höhere Detaillierungsgrad der aktuellen Modelle ist dabei noch nicht berücksichtigt.
Die Entwicklung ähnelt den Veränderungen bei der Zeichnungserstellung nach Einführung moderner CAD-Systeme. Früher brachten viele technische Zeichnerinnen und Zeichner die Ideen und Entwürfe von wenigen Entwicklern zu Papier.
Heute leiten Entwickler die noch notwendigen Zeichnungen direkt aus ihren 3D-Modellen ab. Konsequenterweise traten mit der Neuordnung von 2011 die Berufe „Technischer Produktdesigner“ und „Technischer Systemplaner“ an die Stelle des „Technischen Zeichners“.
Kann ein Konstrukteur heute selbst simulieren?
Die automatisierte Simulation in modernen CAD-Systemen verschiebt die Rollen auf dieselbe Weise. Einfache Modelle und einzelne Lastfälle rechnet der Konstrukteur selbst.
Beim Berechnungsingenieur bleiben die Aufgaben, bei denen es auf seine Erfahrung ankommt. Dabei geht es nicht nur um die Komplexität des Systems oder die Genauigkeit. Manchmal hilft nur das Wissen um den theoretischen Hintergrund der verfügbaren Elemente um die gesuchten Parameter direkt als Ergebnis zu erhalten.
In einem optischen System zeigt ein solches Modell direkt die Strahlablenkung. Möglich wird das beispielsweise in Nastran mit einem MPC-Element, das die gewichtete Bewegung der optischen Komponenten unmittelbar abbildet. Das spart den Aufwand für nachgelagerte Auswertungen und beschleunigt die Optimierung.
Welche Daten werden für eine FEM-Simulation benötigt?
Der Umfang an notwendigen Informationen für eine belastbare FE-Analyse ist überschaubar. Die meisten Angaben ergeben sich in der Entwicklung ohnehin und müssen nicht weiter aufbereitet werden. Für ein aussagekräftiges Ergebnis und eine schnelle Umsetzung braucht es im Wesentlichen fünf Dinge:
- Zielsetzung – welche Frage die Simulation beantworten soll
- 3D-Modell – etwa als STEP-Datei oder im Parasolid-Format
- Werkstoffangaben – Kennwerte der verwendeten Materialien
- Lasten – welche Kräfte, Temperaturen oder Beschleunigungen sollen betrachtet werden
- Randbedingungen – wie die Baugruppe eingebaut, gelagert und verschraubt ist
Je besser das System vor dem Beginn der Modellierung beschrieben ist, desto geringer ist der Recherche- und Abstimmungsaufwand während der Analyse.
Was kostet eine FEM-Simulation konkret?
Die Kosten hängen von Modellgröße, Anzahl der Lastfälle und Art der Nichtlinearitäten ab.
Aufwendig werden Analysen erst durch nichtlineares Materialverhalten, Kontakt oder große Modelle mit vielen Lastfällen. Alles darunter bewegt sich im Bereich von Stunden.
Ist eine FEM-Simulation teurer als eine Handrechnung?
Der reine Zeitaufwand ist für viele Fragestellungen vergleichbar. Der Unterschied liegt im Umfang der Ergebnisse.
| Kriterium | Handrechnung (z.B. Excel, Taschenrechner) | FEM-Simulation |
|---|---|---|
| Aufwand für einen Lastfall bei einem einfachen Modell | wenige Stunden | wenige Stunden |
| Betrachtungsebene | einzelne Bauteile | einzelne Bauteile, ganze Baugruppen oder vollständige Systeme |
| Berücksichtigung von Wechselwirkungen | sind nur über Annahmen oder Iterationen abbildbar | sind direkt im FE-Modell enthalten |
| Umfang und detailgrad der Ergebnisse | einzelne Werte an definierten Stellen | Parameter über die gesamte Geometrie |
| Änderung der Geometrie | Gleichungssysteme müssen unter umständen neu aufgebaut werden | FE-Modelle sind parametrisch anpassbar |
| Nachweisführung | ist Abhängig von den gewählten Vereinfachungen | FE-Modelle und Tests sind vollständig dokumentierbar |
Selbst bei einfachen Analysen ist der entscheidende Punkt die Betrachtungsebene. Ob eine Konstruktion den Belastungen standhält, ob Klebungen und Schrauben ausreichend dimensioniert sind, ob unterschiedliche Materialien bei Temperaturwechseln Probleme erzeugen: Diese Fragen entscheiden sich auf Baugruppenebene.
Genau dort liegt der Vorteil der FEM. Alle relevanten Bauteile gehen vollständig in das Modell ein. Wechselwirkungen werden früher sichtbar. Die Abweichung zwischen Modell und Realität sinkt.
Wie lange dauert eine FEM-Simulation?
Wenn die nötigen Informationen bereitstehen und die 3D-Daten sauber aufbereitet sind, liegt ein erstes Ergebnis für eine einfache Baugruppe oft innerhalb eines Arbeitstags vor. Umfangreiche Modelle mit dynamischen Lastfällen benötigen mehrere Tage. Den größeren Anteil beansprucht heute die Modellaufbereitung, nicht die Rechenzeit.
Welche Ergebnisse liefert eine FE-Analyse?
Eine FE-Analyse, also die Anwendung der FEM auf eine konkrete Aufgabe, liefert auf Baugruppenebene typischerweise:
- Verformungen durch die Belastung
- Spannungen in allen Bereichen der Baugruppe
- Kräfte und Momente an den Schnittstellen
- Resonanzfrequenzen und Eigenformen (Eigenmode)
- Reaktion auf Beschleunigungen und Stoßbelastung (Quasi Static Load, Shock Response)
- Reaktion auf Vibrationen (etwa Sinus- und Random Vibration)
- Temperaturverteilung im Betrieb
- Verformungen durch Temperaturänderungen und inhomogene Temperaturverteilung
Viele dieser Ergebnisse liefert der klassische Weg, wenn überhaupt, erst in Tests und Versuchen – sei es auf dem Rütteltisch (Shaker) oder in der Klimakammer. Wie aufwendig ausreichend große Versuchsreihen sind, weiß jeder, der sie einmal geplant hat.
Eine FEM-Simulation liefert detaillierte Ergebnisse, bevor der erste Prototyp existiert.
Kann eine FEM-Simulation reale Tests ersetzen?
Nein, aber sie reduziert die Zahl und den Umfang der notwendigen Tests deutlich. Viel wichtiger ist, dass sie kritische Bereiche vorab zeigt und Vibrations-, Schock- und Temperaturtests so gezielter macht. Für die Qualifikation sicherheitsrelevanter Produkte bleibt der Nachweis an der realen Baugruppe in vielen Branchen unumgänglich.
Warum ersetzt bessere Software die Erfahrung nicht?
Bessere Werkzeuge senken den Aufwand, ersetzen aber keine Bewertung des Ergebnisses. Ein Modell liefert immer ein Ergebnis, auch wenn die Annahmen dahinter nicht tragen. Vier Fragen entscheiden deshalb über die Qualität der Aussage:
- Lässt sich die gewünschte Antwort mit der FEM überhaupt geben?
- Welche Lastfälle sind für dieses Produkt üblich?
- Welche Lastfälle sind darüber hinaus sinnvoll?
- Ist das Ergebnis plausibel?
Diese Fragen beantwortet Routine, keine Software. Ein sauber vernetztes Modell mit falsch gewählten Randbedingungen liefert ein präzises, aber unbrauchbares Ergebnis. Welche Lastfälle überhaupt anzusetzen sind, klärt sich am besten früh – im Anforderungsmanagement und Lastenheft.
Reicht die Simulation im CAD-System aus?
Für einfache Lastfälle an einzelnen Bauteilen, oder übersichtlichen Baumgruppen, liefern CAD-integrierte Simulationen brauchbare Ergebnisse.
Bei Kontakt, Vorspannung, thermischen Wechselwirkungen oder dynamischen Lasten stößt sie an Grenzen. Die Grenze ist also keine Frage des Programms, sondern eine Frage der Komplexität. Wie schnell eine nichtlineare Analyse trotzdem sein kann, zeigt das Praxisbeispiel weiter unten.
Praxisbeispiel:
Schnellspanner für eine bestehende Montagevorrichtung
Aus der Produktion kam eine klare Rückmeldung: „Wir wären deutlich schneller, wenn man die Optik zum Einstellen nicht festschrauben müsste.“
Ohne belastbare nichtlineare Simulation wären zwei Wege wahrscheinlich gewesen. Entweder bliebe die Vorrichtung bei der Verschraubung – mit Zeitverlust bei jeder Montage.
Oder eine umfangreiche Mechanik wie ein Kniehebelspanner käme zum Einsatz – mit größerem Bauraum und schlecht vorhersagbaren Spannkräften.
Stattdessen ließ sich mit der Analyse ein Lösungsansatz entwickeln, der nur minimal in das bestehende System eingreift. Er beschleunigt Einlegen und Spannen deutlich, ohne zusätzliches Risiko für das Produkt.
Die eingesetzte Lösung — die gezeigte Miniatur-Spanneinheit — entstand innerhalb einer Woche vom Wunsch bis zum fertigen Zeichnungssatz. In dieser Woche wurden die Spannkräfte berechnet, verschiedene Geometrien evaluiert und die Lebensdauer des Federpakets im finalen Entwurf abgeschätzt.
Der Nutzen der Simulation lag hier nicht im Nachweis. Er lag in der Freiheit, auch die technisch einfachere Lösung mit der nötigen Genauigkeit zu prüfen.
Insbesondre im Vorrichtungsbau entscheidet neben der Geschwindigkeit oft auch der Aufwand und das Risiko darüber, ob eine Verbesserung überhaupt umgesetzt wird.
Wann lohnt sich eine FEM-Simulation?
Niedrigere Kosten ersetzen die Abwägung nicht. Aufwand und Nutzen entscheiden auch über den Einsatz der FEM – wie bei jedem anderen Entwicklungsschritt. Sinnvoll ist eine FE-Analyse besonders in diesen Fällen:
- Das Verhalten der Baugruppe hängt von Wechselwirkungen mehrerer Bauteile ab
- Thermische und mechanische Lasten treten gemeinsam auf
- Dynamische Anforderungen sind spezifiziert (Vibration, Schock)
- Tests sind teuer, langwierig oder am Prototyp nicht durchführbar
- Mehrere Konzeptvarianten brauchen einen objektiven Vergleich
Wer den Aufwand einer Simulation richtig einschätzt, verschiebt damit auch die Frage. Sie lautet dann nicht mehr, ob eine Simulation zu teuer ist, sondern welche Frage sie beantworten soll.