Digitalisierung
Digitalisierung durch Automatisierung & Optimierung
Unsere Leidenschaft
Automatisierung und Optimierung sind unsere große Leidenschaft bei Tplus Engineering. Die Digitalisierung durch Automatisierung und Optimierung sehen wir dabei als ein entscheidendes Element bei der Demokratisierung von Berechnungs- und Simulationsprozessen.
Wir haben Freude am Skripten von Abläufen und Prozessen, der Programmierung komplexer Toolchains und Workflows oder der Erstellung maßgeschneiderter Programme und Benutzeroberflächen. Ob als Werkzeug für bestimmte Aufgaben oder eingebunden in simulationsbasierte Berechnungs- und Optimierungsabläufe, wir erstellen die passende Lösung.
Unsere Automatisierungsmöglichkeiten nutzen wir zum einen im Rahmen von Auftragsarbeiten, beispielsweise bei der Auslegung oder Optimierung von bestimmten Komponenten oder Baugruppen. Die zum Einsatz kommenden Algorithmen sind dabei in der Lage, Zusammenhänge zu erkennen wie sie sich oftmals nicht direkt erschließen. Diese methodische Stärke macht simulationsbasierte Berechnung oder Optimierung zu einem sehr mächtigen Werkzeug.
Unsere vielfältigen Möglichkeiten bieten wir auch im Rahmen von maßgeschneiderten Lösungen an. Dies können kleine Hilfsprogramme für wiederkehrende Aufgaben, geführte Prozesse in Form von Wizards oder Komplettautomatisierungen von der CAD-Erstellung bis zum fertigen Bericht sein. Auf Wunsch mit einer interaktiven Steuerung, browserbasiert oder stand-alone, textbasiert oder bunt…
Auf dieser Seite möchten wir einige Einblicke in dieses spannende Themenfeld geben und hoffen dabei, dass Sie unsere Begeisterung für die verschiedenen Technologien spüren…
Zeitersparnis
Automatisierungen und Optimierungen sparen Zeit, viel Zeit. Auch mit vergleichsweise kleinen Lösungen lassen sich hier sehr schnell sehr große Effekte erzielen.
Effizienzsteigerung
Automatisierte Abläufe und Berechnungen arbeiten äußerst effizient und erlauben so einen sehr zielgerichteten Einsatz teurer Ressourcen, egal ob von Mensch oder Maschine.
Kostenreduktion
Je nach Grad der Automatisierung in Prozessen oder Simulationen lassen sich erhebliche Kosteneinsparungen realisieren: manuelle Arbeit wird reduziert, der Durchsatz an bearbeiteten Aufgaben steigt.
Ergebnisse
Automatisierte Berechnungen und Optimierungen finden Ergebnisse und Potentiale, wie sie erfahrungsgemäß in rein manueller Arbeit nur sehr schwer zu erreichen sind. Dies eröffnet buchstäblich neue Möglichkeiten.
Entlastung
Durch die Automatisierung von Routineprozessen bleibt mehr Zeit für die eigentlich wichtigen Dinge: echte Forschung und Entwicklung anstatt einer Bearbeitung wiederkehrender Aufgaben, und sei es nur von der geliebten PowerPoint…
Unsere Leistungen zur Digitalisierung im Überblick
Automatisierung
Optimierung
Maschinelles Lernen
Design-Tools
CAD-Erstellung
CAD-Verarbeitung
Automatisierung
Browserbasierte Prozessteuerung
Steuerung von einzelnen Automatisierungen und Prozessen bis hin zu komplexen Simulationsabläufen mit CAD, Vernetzung, Simulation, Auswertung und Datenanalyse über den Browser. Die perfekte Voraussetzung zur Demokratisierung von komplexen Abläufen.
Stand-Alone GUIs
Steuerung einzelner Prozesse oder Abläufe über maßgeschneiderte graphische Benutzeroberflächen als lokale Lösung. Schon kleine Hilfsoberflächen für routinemäßige Aufgaben erzielen sehr große Wirkungen.
Erweiterungen & Wizards
Softwarespezifische Automatisierungen wie beispielsweise Custom Buttons für bestimmte Funktionalitäten oder geführte Wizards für automatisierte Berechnungs- und Simulationsabläufe.
Programme & Tools
Kleinprogramme als Ein- und Ausgabemaske, für Berechnungsaufgaben oder zur Prozesssteuerung.
Optimierung
Design of Experiments
Durch automatisierte Berechnungen und Simulationen können Parameterbereiche mithilfe des Design of Experiments systematisch analysiert werden.
In frühen Entwicklungsphasen ist dies ein hilfreiches Werkzeug, da so zunächst die für die Anforderung passenden Hauptabmessungen identifiziert werden. Diese können anschließend durch Optimierungen weiter angepasst und verbessert werden.
Genetische Algorithmen
Genetische Algorithmen bilden natürliche Evolutionsprozesse nach und sind ein sehr mächtiges Werkzeug in Kombination mit parameterbasierten Optimierungen.
Mithilfe autonom ablaufender Berechnungs- oder Simulationsabläufe können hunderte oder tausende von Designs automatisiert optimiert werden. Besonderes Merkmal bei multikriertiellen Optimierungen ist dabei, dass nicht ein optimales, sondern eine Vielzahl an Ergebnissen gefunden wird (Pareto-Front), aus denen anschließend das für die Anforderung am besten passendste ausgewählt wird.
Monte-Carlo-Simulation
Die Monte-Carlo-Studie ist ein stochastisches Verfahren, bei dem ein bestimmtes Problem mithilfe von Stichproben numerisch gelöst wird.
In Kombination mit automatisierten Simulationen können so beispielsweise Fertigungsabweichungen systematisch abgebildet und deren Einfluss erfasst werden.
Maschinelles Lernen
Algorithmen
Bei maschinellem Lernen setzen wir je nach Anwendung und Komplexität der Input-Daten auf verschiedene Algorithmen. Für einfache Zusammenhänge eignen sich lineare oder polynomiale Regression.
Für komplexere Zusammenhänge verwenden wir üblicherweise neuronale Netze mit unterschiedlicher Anzahl an versteckten Schichten.
Datenanalyse
Beim Einsatz unserer automatisierten Simulationen von parametrisierten CAD-Modellen ist es technisch möglich, eine große Anzahl an Designs oder Modellen automatisiert zu berechnen und zu bewerten. Die Berechnung mehrere tausend Designs oder Designpunkte ist dabei absolut realistisch.
Die Werkzeuge des maschinellen Lernens erlauben die Analyse der Input- und Output-Daten und können somit Zusammenhänge aufdecken, die vielleicht nicht auf den ersten Blick ersichtlich sind.
Modellbildung
Die Methoden und Werkzeuge des maschinellen Lernens erlauben die Modellbildung auf Basis der vorliegenden Daten, wie sie beispielsweise mithilfe von Simulationen bestimmt worden sind.
Die auf diese Art und Weise abgeleiteten Metamodelle kommen dann beispielsweise als Berechnungs- oder Auslegungstools zum Einsatz. Gegenüber 1D-Tools auf Basis von Korrelationen sind die mithilfe von maschinellen Lernen trainierten Modelle meist deutlich überlegen in der Genauigkeit.
Design-Tools
Design-Tools
Unter Design-Tools verstehen wir Auslegungs- und Berechnungsprogramme für verschiedene Aufgaben.
Bei der Auslegung oder Dimensionierung wird eine bestimmte Komponente oder Maschine dimensioniert. Das bedeutet, dass auf Basis einer vorgegebenen Anforderung die entsprechende Geometrie dimensioniert und auf Basis von 1D-Verfahren berechnet wird.
Bei der Berechnung erfolgt der Rechenweg umgekehrt, es werden die geometrischen Parameter vorgegeben und auf Basis der hinterlegten Rechenverfahren die Leistungsdaten der Komponente oder Maschine berechnet.
Design-Tools werden für viele verschiedene Anwendungen eingesetzt. Üblicherweise erfolgt die zugrundeliegende Berechnung auf Basis von Korrelationen. Eine moderne Alternative hierzu ist die oben beschriebene Ableitung von Metamodellen für die Design-Tools durch maschinelles Lernen, bspw. auf Basis von mithilfe von Simulationen generierten Trainingsdaten.
Gegenüber 3D-Simulationen bieten die Design-Tools den Vorteil der extrem schnellen Berechnung oder Auslegung. Dafür ist die Genauigkeit oft eingeschränkt bzw. nur so gut wie die zugrundeliegenden Berechnungsmethoden.
Unsere Erfahrungen und Anwendungsbeispiele
- Programmierung von Design-Tools in Python
- Kopplung von Design-Tools an automatisierte CAD-Erstellung oder Simulation
- GUI-Programmierung für Windows und Linux
- Browserbasierte GUIs für die Steuerung
- Programme für die Auslegung und Berechnung von Axialventilatoren
- 1D-Programme für die Dimensionierung von Radialventilatoren
- Design-Tools zur Dimensionierung und Bewertung von Wärmetauschern
CAD-Erstellung
Automatisierte CAD-Erstellung
Für simulationsbasierte Auslegungen oder Optimierungen setzen wir auf eine vollautomatisierte Erstellung der CAD-Modelle. Dies ermöglicht die volle Kontrolle über die Modelle und diejenigen Parameter, die variiert werden sollen. Üblicherweise werden die CAD-Modelle dabei von null neu aufgebaut. Im Gegensatz zu vorab parametrisierten Modellen, bei denen dann jeweils bestimmte Werte an bestehenden Größen geändert werden, bietet der Neuaufbau eine deutlich höhere Flexibilität und Robustheit. So können beispielsweise Elemente und Komponenten hinzugenommen oder weggelassen werden, was mit auf Parameterbasis veränderlichen Modellen nicht ohne Weiteres möglich ist.
Für die automatisierte Erstellung von verschiedenen CAD-Modellen verwenden wir leistungsfähige CAD-Kernel, die wir nicht über eine graphische Oberfläche ansprechen sondern direkt den Modellaufbau programmieren. Somit erreichen wir extrem schnelle Zeiten in der CAD-Generierung, wie es bei der Simulation von hunderten oder tausenden Designs von entscheidender Bedeutung ist.
Durch langjährige Erfahrung und eine Vielzahl an durchgeführten Projekten können wir nahezu beliebig komplexe CAD-Modelle realisieren. Die nachfolgenden Videos sollen einen ersten Eindruck der technischen Möglichkeiten vermitteln, die natürlich auf andere Anwendungen übertragbar sind.
CAD-Verarbeitung
CAD-Verarbeitung
Eine automatisierte CAD-Verarbeitung bereits bestehender Modelle und Baugruppen stellt, anders als man vielleicht vermuten möchte, eine sehr große Herausforderung dar. Um beispielsweise automatisiert ein Fluidvolumen für eine CFD-Simulation zu extrahieren, sind je nach Bauteil relativ komplexe Schritte notwendig, um eine möglichst leistungsfähige und robuste Automatisierung zu realisieren. Bei durchströmten Bauteilen müssen beispielsweise die Ein- und Austritte automatisch identifiziert werden, unbedeutende Komponenten müssen als solche erkannt und aussortiert werden,
Gegebenenfalls werden Hilfselemente erforderlich, um den eigentlichen Strömungspfad „abzudichten“. Soll dies alles ohne Unterstützung eines Benutzers erfolgen, werden Algorithmen erforderlich, die auf Basis der Input-Daten und optionaler Zusatzinformationen die Aufgaben effizient und zuverlässig erfüllen.
Der Nutzen derartiger Automatisierungen ist jedoch in der Regel sehr hoch. Es kann hier eine Verknüpfung zu einem bestehenden CAD-System hergestellt werden, sodass sich die Automatisierungslösung an bestehende Systeme ankoppeln lässt.
Durch entsprechende Steuerungsmöglichkeiten, bspw. über den Browser, können somit Berechnungs- und Simulationstools geschaffen werden, welche einer breiten Nutzerschaft zur Verfügung gestellt werden können und somit Aufgaben einem Benutzerkreis zugänglich machen, der zuvor nur Spezialisten vorbehalten war.
Unsere Erfahrungen und Anwendungsbeispiele
- Programmierung von Algorithmen für die automatische Identifizierung und Verarbeitung von CAD-Geometrien
- Programmierung individueller Prozesse und Abläufe für verschiedene Aufgaben der Modellaufbereitung und -verarbeitung
- Automatisierte Bereinigung durch Entfernen von Spalten, Erstellung von Ersatzkörpern, Vereinfachung von Körpern, etc.
- Automatisierte Erkennung und Extraktion von Fluidvolumina
- Erstellung von Wizards für eine interaktive und unterstütze Steuerung von komplexen Aufbereitungs- und Berechnungsprozessen
- Automatisierte Vernetzung und Simulation von aufbereiteten CAD-Modellen
- Automatisierte Auswertung und Berichterstellung