14 Optimierungund Robustheitsanalysen mittels Simulation (S. 373-374)

14.1 Ziele der Optimierung und Robustheitsanalyse mittels Simulation

Im Laufe des Produktentstehungsprozesses kommt es meist zu Fragestellungen wie:

- Existiert ein Optimum bei der Einstellung der Designparameter hinsichtlich der Erfüllung der Produktanforderungen?

- Wie robust, d. h. wie unempfindlich gegenüber zwangsläufig auftretenden Streuungen der Herstellparameter bzw. in der Feldanwendung, ist das Design?

Die Herausforderung moderner Entwicklungsprozesse besteht darin, schon frühzeitig im Produktdesign die oben genannten Fragestellungen zu beantworten. Dies gelingt immer besser durch den vermehrten Einsatz von Simulationswerkzeugen. Dadurch können in einer sehr frühen Entwicklungsphase schon Aussagen über die späteren Produkteigenschaften getroffen werden. Werden einzelne Anforderungen an das Produktdesign noch nicht erfüllt, kann in einer frühen Phase der Produktentwicklung oftmals noch ohne extremen finanziellen Mehraufwand das Design an die Anforderungen angepasst werden.

Häufig führt die Suche nach einer verbesserten Lösung bei der Veränderung mehrerer Parameter auf ein Optimierungsproblem. Wenn mehrere Produkteigenschaften von der Änderung der Parameter betroffen sind, ist bei der Suche nach einem Optimum ein Kompromiss zwischen den einzelnen Anforderungen zu suchen. Für die Lösung derartiger Fragestellungen wurden in den vergangenen Jahren leistungsfähige Optimierungsalgorithmen entwickelt, die in kommerziellen Programmen angeboten werden.

Hat man einen optimalen Kompromiss der Parameter gefunden, gilt es diesen gegen die zwangsläufig auftretenden streuenden Umgebungsparameter abzusichern. Im Rahmen von Prozessfähigkeitsuntersuchungen in der Serienproduktion wird eine Anzahl von Teilen sehr genau untersucht und über statistische Methoden Verteilungsfunktionen, Mittelwerte und Streuungen ausgewertet. Diese Informationen können bei der Entwicklung neuer Produkte genutzt werden, um damit die Streuung von Produkteigenschaften im Rahmen von Robustheitsuntersuchungen abzuschätzen. Dazu werden diese Informationen an Optimierungstools übergeben, die damit die Eingangsgrößen der Simulationsmodelle variieren. Damit ist es bei vergleichsweise gerin­, gem Aufwand möglich, den Einfluss von streuenden Parametern und Umgebungsbedingungen zu simulieren, die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Fehlfunktionen oder Versagen abzuschätzen und damit ein anforderungsgerechtes und robustes Design zu entwickeln.

Leitfragen

- Welche Eigenschaften wird das Produkt hinsichtlich Spezifikationserfüllung, Zuverlässigkeit und Robustheit aufweisen?

- Gibt es ein Optimum in der Auslegung des Produktes oder des Systems?

- Welche entscheidenden Wirkzusammenhänge gibt es im System?

- Kann das Produkt mit diesen Erkenntnissen noch robuster – also unempfindlicher gegenüber Störfaktoren – konstruiert werden?

- Können aufgrund einer sinnvoll gewählten Simulation Versuchsläufe mit Musterteilen eingespart werden?


14.2 Einsatz der Simulation im PEP

Der Einsatz von Simulationsmethoden kann beinahe während des gesamten Entwicklungsprozesses erfolgen (Bild 14.1). Nachdem erste Konzeptideen z. B. mittels TRIZ entwickelt worden sind, können diese oftmals bereits mit Simulationsmethoden untersucht werden. Dabei werden erste Aussagen über die grundsätzliche Machbarkeit gewonnen, die bei der Konzeptbewertung und ­,auswahl (z. B. systematisch durch PughMatrix oder Priorisierungsmatrix) mit herangezogen werden.

Ist ein zielführendes Konzept ausgewählt worden, gilt es dieses durch die verschiedensten Simulationsmethoden abzusichern. Oft werden aus Simulationsmodellen die Parameter des Konzeptes (beispielsweise einer Konstruktion) ausgelegt. Zusätzliche Anforderungen wie Festigkeit, akustische Aspekte, Komfort, Crashfestigkeit und Ähnliches können ebenfalls durch geeignete Simulationsmethoden untersucht werden. Wird dabei festgestellt, dass einzelne Anforderungen noch nicht die Vorgaben erfüllen, müssen durch Variation einzelner Parameter die Eigenschaften der Konstruktion verändert werden.