Was ist computergestütztes Engineering?
Computer Aided Engineering, auch CAE genannt, ist ein Begriff, der verwendet wird, um den Prozess der Markteinführung eines Produkts zu beschreiben. Damit sind alle Phasen des Konstruktionsprozesses eines Produkts gemeint, vom ersten Entwurf über die Entwicklungsphasen bis hin zum Testen eines Produkts mithilfe von Simulationen und schließlich der Planung der Produktherstellung.
Computer-Aided Engineering wird in Kombination mit CAD, Computer-Aided Design-Software und verschiedenen Engineering-Disziplinen wie der Finite-Elemente-Analyse, Computational Fluid Dynamics, Mehrkörperdynamik und Kinematik sowie Computer-Aided Manufacturing eingesetzt.
Praktisch jede größere Branche nutzt Computer-Aided Engineering, um ihre Produkte zu perfektionieren. CAE wird zur Entwicklung von Autos, Flugzeugen, Haushaltsprodukten, Elektronik und medizinischen Geräten eingesetzt. Im CAE-Prozess erstellt ein Designer eine hochdetaillierte computergestützte Konstruktionszeichnung, die Ingenieure dann verwenden, um das Design zu verfeinern, es mithilfe digital gerenderter 3D-Modelle zu testen und dann ein effizientes Verfahren für die Herstellung zu entwickeln.
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Wie funktioniert Computer-Aided Engineering?
Vor dem Einsatz von Computer-Aided Engineering war die Produktentwicklung ein langer und mühsamer Prozess.
Das computergestützte Engineering hat die Art und Weise, wie wir Produkte entwickeln, grundlegend verändert. Designer können mithilfe von CAD-Software für Grafikdesign und mechanische Konstruktion Produktdesigns erstellen, die einfach und schnell wiederholt werden können. Mit CAE-Software können realistische 3D-Modelle getestet werden, ohne dass teure physische Prototypen gebaut werden müssen. Anhand digitaler Simulationen können alle Beteiligten bereits in einem frühen Stadium des Designprozesses fundiertere Entscheidungen zu Materialien, Teilen und Komponenten treffen.
Die Genauigkeit von computergestützten Designprogrammen und computergestützter Engineering-Software reduziert die Wahrscheinlichkeit manueller Fehler erheblich. Automatisierte Prozesse bedeuten, dass Entwürfe in kürzerer Zeit geändert und einfacher zwischen Kollegen ausgetauscht werden können. Computer-Aided Engineering führt zu einem qualitativ besseren Produkt, das schneller und kostengünstiger auf den Markt gebracht werden kann.
Aus welchen Phasen setzt sich eine CAE-Aufgabe zusammen?
Der computergestützte Engineering-Prozess umfasst vier Hauptphasen: die Vorverarbeitungsphase, die Analysephase, die Nachbearbeitungsphase und die abschließende Entscheidungsphase.
- Vorverarbeitung
- Analyse
- Nachbearbeitung
- Entscheidungsfindung
Vorverarbeitung
In dieser Phase wird das ursprüngliche Konzept des Produkts erstellt und definiert. Mithilfe von CAE-Programmen wird ein 3D-Modell erstellt. In der Analysephase entscheiden die Ingenieure, welchen Umweltbelastungen und anderen Faktoren das Modell ausgesetzt wird.
Analyse
Die Ingenieure verwenden leistungsstarke und hochentwickelte CAD-Programme, um das 3D-Produktmodell zu testen und die Ergebnisse zu analysieren. Dieser Prozess wird häufig durch den Einsatz von Cloud-basierter CAE-Software mit hoher Rechenleistung abgeschlossen.
Nachbearbeitung
Nach Abschluss der Prototypen- und Analysephase müssen die Ingenieure mit der Nachbearbeitung beginnen. Dabei wird visualisiert, wie das Produkt in seiner endgültigen Form aussehen wird, und die Ergebnisse der Simulationstests werden analysiert, um die optimale Fertigungsmethode zu bestimmen.
Entscheidungsfindung
Zu diesem Zeitpunkt müssen die Beteiligten entscheiden, ob noch letzte Änderungen am Entwurf vorgenommen werden müssen, ob eine neue Analysephase erforderlich ist oder ob sie mit dem letzten Schritt des Entwicklungsprozesses fortfahren und das Produkt für die Fertigung freigeben können.
Welche Bereiche werden von Computer-Aided Engineering abgedeckt?
Das Hauptziel des computergestützten Konstruktionsprozesses besteht darin, die physikalischen Eigenschaften eines Produkts klar zu definieren und zu testen. Ingenieure und Designer versuchen, die effizienteste, robusteste und langlebigste Kombination aus Materialien, Komponenten, Teilen und Baugruppen zu finden. Dazu greifen sie auf verschiedenste Disziplinen zurück.
Finite-Elemente-Analyse - FEA
Die FEA ist eine analytische Methode, mit der festgestellt werden kann, wie ein Produktmodell auf reale Belastungen und Umweltfaktoren wie Hitze und Vibrationen reagiert.
Numerische Strömungsmechanik – CFD
Die numerische Strömungsmechanik wird häufig zur Bestimmung der Aerodynamik von Flugzeugen oder Fahrzeugen eingesetzt und untersucht, wie Flüssigkeiten oder Gase um oder durch ein Objekt strömen.
Mehrkörperdynamik und -kinematik MBD
Mehrkörperdynamik und -kinematik ist eine Analyse, die untersucht, wie alle Verbindungselemente, die die Teile und Komponenten eines Produkts zusammenhalten, miteinander interagieren.
Randelementmethode – BEM
Die Randelementmethode ist eine numerische Modellierungstechnik, die zur Lösung technischer Probleme im Zusammenhang mit komplexen physikalischen Randbedingungen eingesetzt wird. Sie wird häufig zur Optimierung elektrischer Geräte wie Antennen verwendet.
Mechatronische Systemsimulation – 1D CAE
Bei einer mechatronischen Systemsimulation werden die Systeme eines Produkts und ihre multidisziplinäre Leistung analysiert. Sie wird dazu verwendet, die optimale Kombination von hydraulischen, mechanischen, elektrischen oder pneumatischen Systemen zu bestimmen.
Mechanische Ereignissimulation – MES
Die mechanische Ereignissimulation ist eine Methode zur Spannungsanalyse, bei der die Dynamik starrer und flexibler Körper mit der kinetischen Dynamik kombiniert wird. Sie soll ermitteln, wie Komponenten unter Belastung reagieren.
Computerunterstützte Fertigung – CAM
Unter computergestützter Fertigung versteht man die softwaregesteuerte Herstellung hochpräziser Komponenten und Bauteile mithilfe von Werkzeugen und Prozessen. CAD-CAM-Techniken können auch zur Optimierung von Fertigungsprozessen, Lageranforderungen und logistischen Elementen eingesetzt werden.
Wie helfen all diese Analysen dabei, bessere Produkte zu entwickeln?
Mithilfe computergestützter Konstruktionsverfahren wird jede Phase des Produktentwicklungszyklus analysiert, um die effizientesten und kostengünstigsten Produktionsmethoden zu ermitteln. Das Endergebnis ist ein hochwertiges Produkt, das kostengünstig hergestellt und schnell auf den Markt gebracht werden kann.
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Inhalte zum Thema Computer-Aided Engineering
Was sind die Vorteile von CAE?
Durch Computer-Aided Engineering (CAE) lassen sich Kosten, Zeit und Ressourcen bei der Entwicklung, Prüfung und Herstellung eines Produkts einsparen.
Mit einem 3D-CAD-Modell können Ingenieure die physikalischen Eigenschaften des Produkts testen und simulieren, ohne einen physischen Prototyp bauen zu müssen. Auf der Grundlage der Analyseergebnisse können dann Designentscheidungen getroffen werden. Mit computergestützten Konstruktionszeichnungen sind die Auswirkungen einer Parameteränderung besser sichtbar. Dies hilft Ingenieuren und Entscheidungsträgern beim Risikomanagement, da sie die Auswirkungen jeder Entscheidung sofort erkennen können.
Potenzielle Probleme können frühzeitig im Produktentwicklungsprozess erkannt und gelöst werden. Ingenieure können ein Produkt schnell und kostengünstig umgestalten, um die gewünschten Anforderungen zu erfüllen.
Durch Computer-Aided Engineering wird eine übermäßige Nutzung von Ressourcen im Produktentwicklungsprozess vermieden. Es liefert wichtige Informationen darüber, wie Materialien, Teile und Komponenten genau zusammenwirken und auf reale Umgebungen reagieren.
Was sind die Nachteile von CAE?
Die computergestützte Konstruktion bietet zwar zahlreiche Vorteile, hat aber auch Nachteile. CAE-Software benötigt eine enorme Rechenleistung, sodass die Installation und der Betrieb von lokalen Systemen kostspielig sein können.
Bei computergestützten Konstruktionsverfahren müssen Ingenieure außerdem genau wissen, welchen Bedingungen das Produkt ausgesetzt sein wird (thermische, mechanische und andere Belastungen), um diese mit der Software reproduzieren zu können. Da computergestützte Konstruktionssoftware kompliziert sein kann, müssen Mitarbeiter möglicherweise intensiv geschult werden, um sie bedienen zu können.
In welchen Branchen wird Computer-Aided Engineering eingesetzt?
Computer-Aided Engineering wird am häufigsten mit der Automobilindustrie in Verbindung gebracht, wo es für Sicherheitstests (Crashtests), Leistungstests (Motor- und Kraftstoffeffizienz) und Aerodynamik eingesetzt wird. Doch auch in vielen anderen Branchen findet computergestützte Konstruktion breite Anwendung.
Die Luft- und Raumfahrtindustrie entwickelt mithilfe von Computer-Aided Engineering Flugzeuge, Raumfahrzeuge und Raketensysteme. Bauingenieure nutzen Computer-Aided Engineering, um die Auswirkungen von Erdbeben, Wind und Temperatur auf Gebäude zu simulieren. Biomedizintechniker nutzen CAE-Software, um Implantate und Prothesen zu entwickeln und Viren und biologische Systeme zu untersuchen. Die Fertigungsindustrie setzt Computer-Aided-Engineering-Software ein, um Fehler zu reduzieren, Prozesse zu verbessern und Kosten zu senken.
Die Zukunft des Computer-Aided Engineering
Fortschritte im Bereich der künstlichen Intelligenz und des maschinellen Lernens werden sich auf die zukünftige Nutzung von Computer-Aided Engineering auswirken. Diese Technologien werden zur Entwicklung automatisierter Prozesse für kürzere Fertigungszeiten führen.
Prototypenentwicklung und -tests werden durch Virtual Reality und Augmented Reality verbessert. Zu erwarten ist, dass vermehrt cloudbasierte Lösungen zum Einsatz kommen werden, damit kleinere Unternehmen ohne teure Infrastruktur Zugang zu leistungsstarken CAE-Lösungen für Ingenieure erhalten.
Computer-Aided Engineering – Zusammenfassung und Ausblick
Computer-Aided Engineering nutzt hochpräzise CAD-Simulationen und CAD-Fertigung, um Produkte zu entwickeln, die kostengünstiger, langlebiger, effizienter und von höherer Gesamtqualität sind. Es hat die kostspielige und zeitaufwändige vorherige Methode der manuellen Erstellung und Iteration von Entwürfen und Prototypen abgelöst.
Angesichts des rasanten technologischen Fortschritts wird Computer Aided Engineering auch weiterhin für Ingenieure und Konstrukteure eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung der Produkte der Zukunft spielen. In Zukunft wird uns Computer-Aided Engineering die Lösungen bieten, die wir brauchen, um die Herausforderungen der Neuzeit zu meistern.
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Die 3DEXPERIENCE Plattform ist eine cloudbasierte digitale Umgebung, in der Konstrukteure und Ingenieure zusammenarbeiten, kommunizieren und ihre Arbeit sicher speichern können. Durch die Nutzung der Cloud haben Sie von jedem beliebigen Gerät aus Zugriff auf zahlreiche leistungsstarke CAE-Softwarelösungen.
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Wir blicken auf mehr als vier Jahrzehnte Erfahrung zurück und sind seit langem für den Einfluss bekannt, den unsere revolutionären Lösungen wie SOLIDWORKS und CATIA auf die Luft- und Raumfahrt-, Automobil-, Bau-, Fertigungs- und Ingenieurindustrie hatten.
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Häufig gestellte Fragen
Computer-Aided Engineering (CAE) bezeichnet den Einsatz spezialisierter Software, um Produkte zu entwerfen, zu entwickeln, zu testen und zu fertigen. CAE umfasst verschiedene Phasen des Produktentwicklungsprozesses, von der ersten Designidee über die Entwicklung und Simulation bis hin zur Planung der Fertigung.
CAE wird in vielen Branchen eingesetzt, darunter Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, Elektronik, Medizintechnik und Konsumgüter. Es hilft Ingenieuren und Designern, die Produkteffizienz zu verbessern, die Qualität zu steigern und Kosten zu senken.
CAE-Software ermöglicht es Designern, detaillierte 3D-Modelle eines Produkts zu erstellen, die dann von Ingenieuren zur Verfeinerung des Designs und zur Durchführung von Tests verwendet werden. Digitale Simulationen erlauben es, physische Prototypen zu reduzieren, was Zeit und Kosten spart.
- Pre-Processing: Erstellung und Definition des initialen Produktkonzepts, einschließlich der Erstellung eines 3D-Modells.
- Analyse: Durchführung von Simulationen und Tests am Modell.
- Post-Processing: Auswertung und Interpretation der Simulationsergebnisse.
- Entscheidungsfindung: Treffen von Entscheidungen basierend auf den Analyseergebnissen zur Optimierung des Produkts.
CAE umfasst verschiedene analytische Methoden, darunter:
- Finite-Elemente-Analyse (FEA): Untersuchung der Reaktion eines Produkts auf reale Belastungen.
- Computational Fluid Dynamics (CFD): Analyse der Strömung von Flüssigkeiten und Gasen um oder durch ein Objekt.
- Multibody Dynamics und Kinematik: Untersuchung der Bewegung und Interaktion von verbundenen Komponenten.
- Boundary Element Method (BEM): Numerische Modellierung komplexer physikalischer Grenzen, oft verwendet in der Elektronik.
- Mechatronik-Systemsimulation (1D CAE): Analyse der interdisziplinären Leistung von Produktkomponenten.
- Mechanische Ereignissimulation (MES): Analyse der Reaktion von Komponenten unter Belastung.
- Kosteneffizienz: Reduziert die Notwendigkeit physischer Prototypen.
- Zeiteinsparung: Beschleunigt den Design- und Entwicklungsprozess.
- Qualitätsverbesserung: Ermöglicht präzisere und robustere Produktdesigns.
- Risikomanagement: Frühe Erkennung und Lösung potenzieller Probleme im Entwicklungsprozess.
Neben der Automobilindustrie wird CAE in der Luft- und Raumfahrt, im Bauwesen, in der Medizintechnik und in der Fertigungsindustrie eingesetzt. Es hilft dabei, die Produktqualität zu verbessern, Entwicklungszeiten zu verkürzen und Kosten zu senken.
Üblicherweise werden für Computer-Aided Engineering CAD-Fertigungssoftware und lernfähige CAD-Software wie CATIA und SOLIDWORKS von Dassault Systèmes eingesetzt.
CAE-Software kann sehr ressourcenintensiv sein, die Installation ist teuer und für die Bedienung muss man eine spezielle Schulung absolvieren. Um diese Probleme zu umgehen, nutzen viele Konstrukteure und Ingenieure die cloudbasierten Lösungen der 3DEXPERIENCE Plattform von Dassault Systèmes.
In der Regel ist davon auszugehen, dass ein Experte für Computer-Aided Engineering mindestens über einen Bachelor-Abschluss in einem relevanten Fachgebiet sowie über Branchenerfahrung verfügt. Darüber hinaus ist es oft so, dass ein Ingenieur oder Konstrukteur eine spezielle Schulung durch den Softwareentwickler benötigt, um den Umgang mit CAE-Software zu erlernen.
Computer-Aided Engineering ermöglicht Ingenieuren, Konstruktionsprobleme frühzeitig im Produktentwicklungsprozess zu erkennen und zu lösen, sodass Konstruktionsiterationen schnell und kostengünstig abgeschlossen werden können. Es macht physische Prototypen überflüssig und kann zur Optimierung des Fertigungsprozesses eingesetzt werden, was die Markteinführungszeit verkürzt und die Gesamtentwicklungskosten senkt.
Dassault Systèmes bietet mit der 3DEXPERIENCE-Plattform eine cloud-basierte Umgebung, die leistungsstarke CAE-Softwarelösungen bereitstellt. Diese Plattform ermöglicht es Unternehmen, Design- und Engineering-Prozesse effizienter zu gestalten und ihre Produkte schneller und kostengünstiger auf den Markt zu bringen.
Zukünftige Entwicklungen in den Bereichen künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen werden automatisierte Prozesse ermöglichen, die die Fertigungszeiten verkürzen. Zudem werden Virtual Reality und Augmented Reality die Prototypenerstellung und Tests weiter verbessern. Cloud-basierte Lösungen werden es kleineren Unternehmen ermöglichen, leistungsstarke CAE-Tools ohne teure Infrastruktur zu nutzen.
Computer-Aided Design (CAD) und Computer-Aided Engineering (CAE) sind zwei unterschiedliche, aber dennoch verwandte Prozesse innerhalb des Produktentwicklungszyklus.
CAD konzentriert sich hauptsächlich auf die Erstellung und Gestaltung von 2D- oder 3D-Modellen von Produkten oder Strukturen. Dies umfasst die Erstellung und Modellierung eines Produkts, bei der Ingenieure das Design visualisieren, bearbeiten und optimieren können. Bekannte CAD-Tools sind beispielsweise SOLIDWORKS, CATIA und AutoCAD.
Bei CAE hingegen geht es um die Analyse und Prüfung der CAD-Modelle anhand technischer Prinzipien. Dazu gehört die Simulation realer Bedingungen und Belastungen des Modells, um dessen Leistung bewerten und potenzielle Konstruktionsfehler identifizieren zu können. CAE ist kein Folgeprozess von CAD, sondern eine separate Phase, die auf den CAD-Modellen aufbaut.