Was ist eigentlich numerische Simulation?

Dr.-Ing. Michael Timmermann ist Innovationsberater bei der WTSH und erklärt, was es mit Numerischer Simulation auf sich hat.

Numerische Simulation ist eine Technik, die es ermöglicht, komplexe Probleme mithilfe von Computern zu modellieren und zu lösen. Anstatt physische Experimente durchzuführen, verwendet man spezielle Software, die mathematische Modelle und Algorithmen nutzt, um das Verhalten eines Systems zu simulieren. Diese Methode ist besonders wertvoll, wenn Experimente teuer, oder schwer durchzuführen sind.

Ein typisches Beispiel für den Einsatz numerischer Simulation ist die Untersuchung der Wasserströmung um einen Schiffsrumpf. Hierbei wird das physikalische Problem in viele kleine Teile zerlegt, die dann einzeln berechnet werden. Diese Berechnungen basieren auf physikalischen Gesetzen wie der Strömungsmechanik. Ähnlich kann man die Wärmeverteilung in einem Motor simulieren, um zu verstehen, wie sich die Hitze ausbreitet und welche Teile besonders gekühlt werden müssen. Auch chemische Vorgänge in einer Brennstoffzelle können simuliert werden, um die Effizienz und Reaktionsdynamik zu optimieren.

Numerische Simulationen sind in vielen Bereichen weit verbreitet. Im Schiffbau helfen sie, effizientere und sicherere Schiffe zu entwerfen. Bei erneuerbaren Energien unterstützen sie z.B. die Entwicklung effizienter Windturbinen und Solaranlagen. In der Medizintechnik ermöglichen sie die Simulation von Implantaten oder Prothesen, um deren Funktionalität und Verträglichkeit zu verbessern. 

Insgesamt sind numerische Simulationen ein unverzichtbares Werkzeug in der modernen Forschung und Entwicklung, das Innovationen vorantreibt und hilft, komplexe Herausforderungen zu meistern.

Die wohl bekanntesten Vertreter der numerischen Simulation sind die Finite Elemente Methode (FEM oder auch Finite Elemente Analyse, FEA) und die Numerische Strömungsmechanik (englisch Computational Fluid Dynamics, Abk. CFD).

Wie hilft numerische Simulation meinem Unternehmen bei Innovationsvorhaben?
Numerische Simulationen sind wie ein virtuelles Labor, das Ihnen hilft, innovative Ideen zum Leben zu erwecken. Stellen Sie sich vor, Sie könnten einen Prototypen Ihres Produkts testen, ohne jemals ein physisches Modell bauen zu müssen. Das spart nicht nur Zeit und Geld, sondern ermöglicht es auch, Risiken zu minimieren, indem potenzielle Probleme frühzeitig erkannt und behoben werden.

Mit Simulationen können Entwickler ihre Designs optimieren, indem sie verschiedene Szenarien und Parameter durchspielen, was zu leistungsstärkeren und qualitativ hochwertigeren Produkten führt.

Ein weiterer spannender Aspekt ist der Freiraum für kreatives Experimentieren. Da Simulationen kostengünstig und schnell sind, können Entwickler mutige, neue Ideen ausprobieren, die sonst vielleicht zu teuer oder riskant wären. Zudem fördern sie die Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Fachbereichen, indem sie eine gemeinsame Plattform bieten, auf der Ingenieure, Designer und andere Experten zusammenkommen, um komplexe Herausforderungen zu meistern. 

Es ergibt sich noch ein weiterer Vorteil durch die Nutzung von Simulationen. Produkte können schneller auf den Markt gebracht werden, was einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil bietet. 

Insgesamt sind numerische Simulationen ein Schlüssel, um innovative Produkte effizienter und sicherer zu entwickeln, was letztlich zu einem höheren Innovationsgrad und einer stärkeren Marktposition führt.

Gibt es Praxisbeispiele für die Innovationskraft durch Simulation?
"In einem meiner Projekte habe ich an der Entwicklung eines Kühlers für die Kühlung von Leistungselektronik mitgearbeitet, das stark auf numerischer Simulation basierte. Unser Ziel war es, einen Kühler zu entwickeln, der nicht nur eine exzellente Kühlleistung bietet, sondern auch einfach herzustellen ist. Diese beiden Anforderungen stehen oft im Widerspruch zueinander. Um diese Herausforderung zu meistern, haben wir intern die Kühlperformance simuliert und dem Kühlerhersteller einen Designvorschlag unterbreitet. Der Hersteller hat dann seinerseits die Herstellbarkeit des Designs simuliert. In einem iterativen Prozess bat er um Anpassungen, um die Herstellbarkeit sicherzustellen. Durch zahlreiche Iterationsschleifen haben wir schließlich ein optimales Produkt entwickelt, das sowohl leistungsstark als auch herstellbar war.", so Dr. -Ing. Michael Timmermann. Herr Kaiser von emPhys Pysikalische Technik, einem Dienstleister für numerische Simulationen, nennt ein weiteres praktisches Beispiel. So konnte er mit Hilfe numerischer Simulationen dazu beitragen, dass bei einem Elektromotor für die E-Mobilität die Leistung und das Drehmoment optimiert werden und gleichzeitig teures Magnetmaterial eingespart werden konnte.

Wie können Sie sich dem Thema in Ihrem Unternehmen annähern?
Es gibt zwei Wege: Entweder führen Sie die Simulationen In-House durch, oder Sie wenden sich an einen Dienstleister. Beide Ansätze haben ihre spezifischen Vor- und Nachteile. Bei der In-House-Simulation genießen Sie volle Kontrolle und Flexibilität, was schnelle Anpassungen ermöglicht. Iterationen können zügig durchgeführt und nahtlos in bestehende Prozesse integriert werden. Allerdings erfordert dieser Ansatz hohe Anfangsinvestitionen in Software, Hardware und Schulung.

Im Gegensatz dazu bietet die Nutzung eines externen Dienstleisters den Vorteil, auf Expertenwissen und spezialisierte Erfahrung zurückzugreifen. Dies ist oft kosteneffizienter, da keine hohen Anfangsinvestitionen nötig sind. Dienstleister verwenden in der Regel die neuesten Technologien. Doch dieser Ansatz bringt auch Nachteile mit sich: Sie haben weniger Kontrolle über den Prozess, Anpassungen können länger dauern, und die Zusammenarbeit erfordert zusätzlichen Kommunikationsaufwand.

Die Wahl zwischen diesen Optionen sollte daher sorgfältig auf Basis Ihrer spezifischen Bedürfnisse und strategischen Ziele getroffen werden. Bei unserer Infoveranstaltung im Oktober haben Sie die Gelegenheit, sowohl Softwarehersteller als auch Dienstleister kennenzulernen.

Gibt es Förderungen, die mir dabei helfen, mit Simulationen in meinem Unternehmen zu starten?
Ja, je nach Ihrem Vorhaben stehen verschiedene Fördermöglichkeiten zur Verfügung. Unsere Innovationsberater unterstützen Sie dabei, die passende Förderung für Ihr Projekt zu finden. Wenn Sie beispielsweise planen, In-House-Simulationen einzuführen, könnten Förderungen im Bereich der Digitalisierung für Sie relevant sein. Sollten Sie hingegen auf einen externen Dienstleister setzen und ein kleines oder mittleres Unternehmen (KMU) sein, gibt es auch hierfür Fördermöglichkeiten. In Schleswig-Holstein werden generell innovative Projekte gefördert, und wie Sie bereits erfahren haben, kann numerische Simulation ein wesentlicher Bestandteil solcher Projekte sein.

Hinweis:
Am 15. Oktober informieren wir Sie bei unserer kostenfreien Veranstaltung im Wissenschaftspark über diese Themen. Lassen Sie sich von den Vorträgen zu neuen Ideen inspirieren. Wir freuen uns darauf, mit Ihnen ins Gespräch zu kommen! Zur Veranstaltung