„Die Zukunft vorhersagen – aber mit wissenschaftlichen Methoden“

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Einen Blick in die Zukunft werfen – das versprechen unseriöse Wahrsager auf dem Jahrmarkt, aber keine Wissenschaftler. Oder? In einem lokal begrenzten System können wir sehr wohl die Zukunft vorhersagen. Und zwar zuverlässig und auf der Grundlage etablierter wissenschaftlicher Methoden, wie beispielsweise der numerischen Simulation. Doch was heißt das genau? Seit mehreren Tausend Jahren entwickeln oder entdecken Menschen Gleichungen. Damit können wir nahezu alle denkbaren Prozesse präzise abbilden und somit einen Blick in die Zukunft werfen.

Ein Beispiel: Lege ich einen Eiswürfelbehälter mit Wasser ins Gefrierfach, kann ich vorhersagen, ab wann ich mein Getränk mit Eis kühlen kann. Dafür muss ich einiges wissen, unter anderem: Welche Temperatur hat das Wasser am Anfang? Wie groß ist die Wassermenge eines Eiswürfels? Wie kalt ist es im Gefrierfach? Kenne ich diese und einige weiteren Angaben, kann ich daraus den Zeitpunkt berechnen, ab dem das Wasser gefroren ist. Vorhersagen bedeutet hier also eigentlich berechnen.

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Die Gleichungen, die physikalische Prozesse beschreiben, sind in aller Regel sehr kompliziert und lassen sich nur in den seltensten Fällen genau lösen. So kennen wir die Gleichungen, die Strömungen von Gasen oder Flüssigkeiten beschreiben, und können sie beispielsweise für die Durchströmung von Kühlleitungen formulieren. Das analytische Lösen dieser Gleichungen gestaltet sich häufig sehr schwierig oder ist mit heutigen mathematischen Methoden gar unmöglich.

Hier kommt die numerische Simulation ins Spiel. Sie zerlegt das betrachtete Gebiet in sehr viele kleinere Teilgebiete: die finiten Elemente oder Volumen. Die numerische Simulation erlaubt uns, komplizierte Gleichungen in ein System von sehr vielen – dafür aber deutlich simpleren – Gleichungen aufzugliedern. Dieses Gleichungssystem können wir mit modernen mathematischen Methoden lösen. Das erledigt in der Regel ein leistungsfähiger Computer – zum Glück, denn nicht selten bestehen die Systeme aus mehreren Millionen Gleichungen. So ist es dann doch möglich, die Strömung in der Kühlleitung zu berechnen. Das Ergebnis zeigt uns genau, welchen Druckverlust wir zu erwarten haben und wie genau dieser entsteht.

Strömungsfeld in einer glatten (oben) und einer partiell gewellten (unten) Rohrbiegung. Die Farbe zeigt die Geschwindigkeit der Flüssigkeit und die Vektoren auf den Querschnittsflächen die Strömung senkrecht zur Rohrachse. Deutlich zu erkennen: Im gewellten Rohr entsteht eine größeres Totwassergebiet, das ist ein Bereich mit nur sehr kleinen Strömungsgeschwindigkeiten, und eine stärkere Verwirbelung. Das führt dazu, dass der Druckverlust im gewellten Rohr größer ist und wir eine stärkere Pumpe benötigen.
Strömungsfeld in einer glatten (oben) und einer partiell gewellten (unten) Rohrbiegung. Die Farbe zeigt die Geschwindigkeit der Flüssigkeit und die Vektoren auf den Querschnittsflächen die Strömung senkrecht zur Rohrachse. Deutlich zu erkennen: Im gewellten Rohr entsteht eine größeres Totwassergebiet, das ist ein Bereich mit nur sehr kleinen Strömungsgeschwindigkeiten, und eine stärkere Verwirbelung. Das führt dazu, dass der Druckverlust im gewellten Rohr größer ist und wir eine stärkere Pumpe benötigen.

Mit numerischer Simulation ist es also möglich, Prognosen für die Zukunft mit gewisser Genauigkeit abzugeben. Die Treffsicherheit hängt wesentlich von der Größe des Systems und den vorhandenen Rechenkapazitäten ab. Moderne Wettervorhersagen zum Beispiel sind nichts anderes als numerische Berechnungen. Jedoch sprengt die Größe des betrachteten Systems – die globale Atmosphäre – jegliche Rechenkapazität. Das schränkt die Genauigkeit der Vorhersage ein. Im industriellen Umfeld sind die Systeme viel kleiner, damit steigt die Genauigkeit der Prognosen deutlich an.

"Mit Simulation können wir das Verhalten von Produkten im Betrieb oder deren Herstellung akkurat vorhersagen."

Neue Produktideen können wir innerhalb kürzester Zeit hinsichtlich Funktion und Festigkeit untersuchen, ohne zuerst Prototypen zu produzieren – was zeitaufwändiger und teurer wäre. Ein weiterer Vorteil von Simulation ist: Neue Produkte können wir schneller und mit weniger Kosten entwickeln. Auch Produktverbesserungen oder Reklamationen lassen sich dank Simulation deutlich rascher prüfen und bearbeiten.

Allgemeiner betrachtet ermöglichen numerische Berechnungen eine neue Perspektive auf die physikalischen Prozesse, die unsere Produkte und Prozesse beherrschen. Diese laufen teilweise im Verborgenen ab und sind durch experimentelle Messungen nur schwer zu ermitteln. So ist es beispielsweise schwierig, mit Experimenten das Strömungsfeld innerhalb eines Kühlsystems zu vermessen oder die Dehnung beim Umformen von Metallen in Pressen zu bestimmen. In der Simulation hingegen ist es möglich, Strömung oder Dehnung an jedem Punkt – zeitlich wie örtlich – genau zu untersuchen. Bei sinnvollem Einsatz der Methode lässt uns die numerische Simulation unsere Produkte und Prozesse viel besser verstehen. Erst wenn wir ein tiefgehendes Verständnis von den Bauteilen haben, können wir sie zielgerichtet optimieren oder für neue Anwendungen anpassen. Das ist ganz besonders wertvoll, wenn wir uns auf einem neuen Markt wie beispielsweise der Elektromobilität etablieren.

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"Simulation hilft uns, die Anforderungen neuer Technologien schneller zu verstehen und die passenden Produktlösungen dafür zuverlässig zu entwickeln."

Die Zukunft der Industrie können wir nicht vorhersagen. Aber mit der Simulation verfügen wir über ein unverzichtbares Werkzeug, um die heutigen und zukünftigen Herausforderungen in der Verbindungstechnik zu meistern.

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