Digital Engineering und Absicherung durch Simulation

Digital Engineering und der Produktlebenszyklus

Die Anforderungen der Kunden und der Wettbewerb auf dem Markt setzen die Ingenieure von heute unter zunehmenden Zeitdruck. Die Entwicklungszyklen eines Unternehmens müssen sich verkürzen, um mit der Dynamik dier Industrie und des Marktes Schritt zu halten. Inzwischen steht eine große Auswahl an etablierten digitalen Hilfsmitteln zur Verfügung, um die Entwicklungslebenszyklen zu beschleunigen. Die Simulation ist eines davon. Digitale simulationsgesteuerte Methoden helfen dabi, Innovationen zu beschleunigen und die Produktentwicklung voranzutreiben.

Die zunehmende Komplexität heutiger elektrischer und elektronischer Systeme macht den Einsatz von simulationsgesteuertem Design unerlässlich, um den Entwicklungslebenszyklus zu verkürzen. Insbesondere die Verifizierung wird aus verschiedenen Gründen immer schwieriger. Erstens müssen Ingenieure mit einer wachsenden Anzahl von Anschlüssen und wachsendem Energiebedarf zurechtkommen. Zweitens müssen die heutigen intelligenten, vernetzten Produkte große Mengen von Daten übertragen und sammeln. Und drittens gilt es, eine immer größere Anzahl von Aspekten zu verifzieren,  obwohl die Zahl der verfübaren Ingenieure nicht proportional mitwächst.

Diese Lücke gilt es zu schließen. Sie führt dazu, dass Probleme in der Regel erst in der Prototypen-Phase aufgedeckt werden. Das späte Erkennen von Problemen führt zu einem hohen Risiko und übermäßigen Verzögerungen. Erfreulicherweise bietet die Digitaltechnik mehrere Ansätze, die es Unternehmen ermöglichen, diese Herausforderungen zu bewältigen.

Der simulationsbasierte Entwicklungsansatz

Um die Entwicklungszeit zu verkürzen, ist eine Abkehr von der physischen Verifizierung zu Gunsten des digitaler Methoden erforderlich. Dabei sollten Simulations- und Analysewerkzeuge genutzt werden, um schon während der Konzeptentwicklungsphase potenzielle Fehler zu identifizieren und Korrekturmaßnahmen einzuleiten. Im weiteren Verlauf sollten Simulationstechniken auch in der Detailkonstruktion eingesetzt werden, um das Verhalten eines Produkts oder Systems sicher vorhersagen zu können. Dieses Verfahren – simulationsgestütztes Design – ermöglicht die Erprobung von Designalternativen im gesamten Entwicklungszyklus.

Wenn mit Hilfe der simulationsgestützten Entwicklung Probleme frühzeitig aufgedeckt werden, können diese mit weniger Einschränkungen und geringeren Kosten behoben werden, als dies bei physikalischen Tests in späten Phasen der Fall ist. Die Konstruktion hat einen höheren Reifegrad wenn sie das Stadium des physischen Prototyps und der Tests erreicht.  Darüber hinaus ermöglicht das simulationsgestützte Design die Bewertung einer größeren Anzahl von Alternativen. Dies führt zu besseren Produktdesigns und schnelleren Innovationen.

Die Simulation von elektronischen Systemen

Elektronische Systeme werden immer komplexer, da die Hersteller immer mehr Bauteile und Funktionen auf Leiterplatten unterbringen müssen. Je nach Anwendungsfall können Leiterplattendesigns Multi-Board-Systeme oder starr-flexible Ausführungen umfassen. Darüber hinaus werden Platinen in immer komplexeren elektrische Systemumgebungen eingesetzt.

Simulationsgestütztes Design verringert die Anzahl der Iterationsschleifen und hilft so, Zeit und Kosten zu sparen und Verzögerungen im Entwicklungsprozess zu verringern. Darüber hinaus können Ingenieure in diesen frühen Phasen problemlos Änderungen vornehmen; später, während der physischen Verifizierung und Tests, sind ihre Möglichkeiten stark eingeschränkt.

Die Simulation von elektrischen Systemen

Elektrische Systeme von modernen “smarten” Produkten weisen eine erstaunliche Anzahl von Kabeln und Verbindungen auf. Durch die explosionsartige Zunahme der Sensoren und Prozessoren an Bord steigt auch die Menge der zu übertragenden Daten, so dass auch die verfügbaren Bandbreiten an ihre Grenzen stoßen. Sie Nutzung der Netzwerkbandbreite muss beim Design berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass die Obergrenzen nicht überschritten werden.

Die Anforderungen an Datenübertragung und elektrischer Ausrüstung der heutigen Produkte müssen mit dem zusätzlichen Gewicht in Einklang bringen. Digital Engineering und Simulation bieten eine Reihe von Analyse- und Prüfmöglichkeiten, mit denen Ingenieure den optimalen Kompromiss finden können. Wenn beispielsweise zusätzliche Kabel zur Übertragung von Daten oder zur Erhöhung der Leistung eines elektrischen Systems erforderlich werden, kann es vorkommen, dass das Produkt die vorgegebenen Gewichtsziele überschreitet, oder dass die Stromversorgung unterdimensioniert ist.

Es erfordert viel Zeit und Mühe, physikalische Prototypen komplexer elektrische Systeme, um dann Probleme zu identifizieren, die mit großem Aufwand behoben werden müssen. In der virtuellen Welt hingegen können umfangreiche elektrische Systeme mit allen Subsystemen gebaut und ausführlich überprüft werden. Modifikationen können ohne physikatischen Aufwand vorgenommen und verifziert werden. Dies schlägt sich in einer deutlichen Zeit- und Kostenersparnis nieder

Fassen wir zusammen

1. Entwicklungszyklen werden aufgrund von Kunden- und Marktanforderungen immer kürzer. Gleichzeitig werden elektrische und elektronische Systeme immer komplexer. Um Risiken und Kosten zu reduzieren und Zeit zu sparen, müssen Ingenieure die Möglichkeiten der simulationsgestützten Konstruktion nutzen.
2. Die simulationsgestützte Entwicklung ermöglicht virtuelle Produkttests in frühen Entwicklungsphasen. Sie gibt Ingenieuren schnelle, benutzerfreundliche Werkzeuge an die Hand, um Probleme frühzeitig aufzudecken und zu einem Zeitpunkt zu lösen, an dem weniger Einschränkungen und finanzielle Auswirkungen entstehen, als dies bei späteren physischen Tests der Fall ist.
3. Elektronische Systeme werden immer komplexer. Sie erfordern immer mehr Rechenleistung und sind oft in großen, komplexen elektrischen Systemen untergebracht. Der simulationsgesteuerte Entwurf ermöglicht es den Ingenieuren, die Leistungs- und Signalintegrität bereits in einem frühen Stadium des Entwurfsprozesses zu testen, bevor sie auf Einschränkungen stoßen.
4. Heutige elektrische Systeme sind miteinander verbunden. Dies führt zu Bandbreitenbeschränkungen und erhöht das Gewicht des Systems. Die Simulation hilft Ingenieuren, den richtigen Kompromiss zwischen Bandbreite und Gewicht zu finden, da sie ein komplettes System nachbilden und problemlos digitale Änderungen vornehmen können, um das Design zu optimieren. Dadurch lassen sich erhebliche Zeiteinsparungen erzielen.