Award
Die verwendete numerische Punktewolke ist dazu in der Lage, sich flexibel an bewegliche Geometrien anzupassen. So können komplexe Abläufe wie z. B. Wasserdurchfahrten zeitsparend simuliert werden. - © Fraunhofer ITWM / iStock
19.06.2024

Ausgezeichnete Simulationsmethode

Ausgezeichnete Simulationsmethode

Im Rahmen der Fraunhofer-Jahrestagung 2024, die unter dem Motto „Fraunhofer: Innovation seit 75 Jahren“ stand, wurden am 12. Juni 2024 die Menschen hinter vier herausragenden Forschungs-Projekten gewürdigt. Auch das Simulationstool MESHFREE wurde mit einem Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2024 ausgezeichnet.

Simulationsmethoden – komplexe Prozesse zeitsparend abbilden

Ob im Automotive-Bereich oder in der Produktion: Simulationen und Digitale Zwillinge sind für viele Unternehmen unverzichtbar. Weil hochdynamische Prozesse mit herkömmlicher Software oft nicht zufriedenstellend abgebildet werden können, haben Forschende am Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM mit dem Tool MESHFREE eine Lösung entwickelt, die ohne starres Rechengitter arbeitet und in der Lage ist, komplexe Abläufe mit großer Zeitersparnis und damit kostengünstig zu simulieren. Dafür werden sie mit dem Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2024 ausgezeichnet.

Starre Vorgaben passen selten zu agilen Prozessen – was für Organisationen zutrifft, gilt auch für Simulationsmethoden. Sollen komplexe Vorgänge wie zum Beispiel Aquaplaning oder die Zerspanung von Metall virtuell abgebildet werden, lassen sich vorab nicht alle Bewegungen der Komponenten vorhersehen und in einem passenden Rechengitter, wie es für Simulationen üblicherweise verwendet wird, anlegen.

Ausgezeichnet mit dem Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2024: Dr. Jörg Kuhnert und Dr. Isabel Michel vom Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM entwickelten das Simulationstool MESHFREE. - © Piotr Banczerowski
Ausgezeichnet mit dem Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2024: Dr. Jörg Kuhnert und Dr. Isabel Michel vom Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM entwickelten das Simulationstool MESHFREE. © Piotr Banczerowski
MESHFREE ersetzt den realen Versuch

Vor dieser Herausforderung stand vor über 20 Jahren eine Forschungsgruppe am Fraunhofer ITWM. „Unsere allererste Aufgabe im Projektteam bestand darin, die Entfaltung eines Airbags während des Fahrzeug-Crashs zu simulieren“, berichtet Dr. Jörg Kuhnert, bereits damals Teil der Gruppe. „Bis auf real durchgeführte, kostenintensive Crashtests gab es damals keine Möglichkeit, die Sicherheit von Neuentwicklungen in diesem Bereich schnell zu überprüfen.“ Denn: Je mehr Objekte sich in einer Situation bewegen und miteinander interagieren, desto schwieriger ist es, sie unter vertretbarem Aufwand mit klassischen Simulationsmethoden zuverlässig abzubilden.

Basierend auf der Dissertation von Jörg Kuhnert entwickelte das Team – seit 2012 auch unter Mitarbeit von Dr. Isabel Michel im Schwerpunkt Freistrahlturbinen – daher den innovativen gitterfreien Ansatz. Dieser ermöglicht es teilweise erstmals, besonders komplexe und dynamische Situationen in der Simulation zu zeigen. Sämtliche seither erzielten Forschungsergebnisse flossen in das Software-Tool MESHFREE ein. Das Resultat ist ein Simulations-Tool mit einem echten Alleinstellungsmerkmal: Weltweit macht kein anderes Simulationswerkzeug die Generalisierte Finite-Differenzen-Methode (GFDM) industriell nutzbar.

Die verwendete numerische Punktewolke ist dazu in der Lage, sich flexibel an bewegliche Geometrien anzupassen. So können komplexe Abläufe wie z. B. Wasserdurchfahrten zeitsparend simuliert werden. - © Fraunhofer ITWM / iStock
Die verwendete numerische Punktewolke ist dazu in der Lage, sich flexibel an bewegliche Geometrien anzupassen. So können komplexe Abläufe wie z. B. Wasserdurchfahrten zeitsparend simuliert werden. © Fraunhofer ITWM / iStock
Flexible Methode für dynamische Prozesse

Klassischerweise kommt bei Simulationen die Finite-Elemente-Methode zum Einsatz: Ingenieurinnen und Ingenieure konstruieren dafür ein Gitternetz passend für die jeweilige Geometrie und berechnen darauf aufbauend die Veränderungen in jedem einzelnen Element. Bereits das Aufsetzen der Gitterstruktur ist sehr zeitaufwändig; auch während der Simulation muss sie immer wieder angepasst werden. Die Software MESHFREE kombiniert dagegen die Generalisierte Finite-Differenzen-Methode zur Lösung der Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls und Energie mit effizienten Algorithmen zur Lösung linearer Gleichungssysteme, die vom Fraunhofer-Institut für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen SCAI mitentwickelt wurden – ein gewaltiger Vorteil, denn die verwendete numerische Punktewolke ist dazu in der Lage, sich flexibel an bewegliche Geometrien anzupassen. Aufwändige Nachkorrekturen im Rechengitter entfallen. Für ihre Entwicklung, die reale Versuche ersetzen kann, erhalten Dr. Jörg Kuhnert und Dr. Isabel Michel den Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2024.

Von Automotive bis Verfahrenstechnik – und darüber hinaus

Die ausgezeichnete Methodik lässt sich für eine große Bandbreite von Anwendungen einsetzen. Ein Schwerpunkt liegt aktuell im Automotive-Bereich: Neben der Airbag-Simulation konnten die Forschenden ihre Industriepartner bislang unter anderem mit Modellierungen von Wasserdurchfahrten oder des Verhaltens von Fahrzeugen auf Sand oder Kies unterstützen. In der Verfahrenstechnik half MESHFREE Unternehmen dabei, die Prozessparameter bei der Verarbeitung von Glasschmelze sowie der Herstellung von Kunststoffteilen zu optimieren.

Grundsätzlich lässt sich die Methode überall dort nutzen, wo Messungen oder Versuche ersetzt werden sollen oder nur schlecht bis gar nicht funktionieren. Isabel Michel fasst zusammen: „Wir sind nicht fixiert auf die klassischen Anwendungsfälle der numerischen Strömungsmechanik. MESHFREE kann viel mehr: Das Tool ist bewusst generisch gehalten.“ Die Software besitzt also großes Potenzial, in Zukunft noch in vielen weiteren Anwendungsfeldern Kosten, Zeit und Material zu sparen.

(Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft)

Schlagworte

AutomotiveDigitaler ZwillingSimulationSoftware

Verwandte Artikel

17.06.2026

Nickel Oxides Double Reduction Speed

Researchers at the Max Planck Institute for Sustainable Materials show that nickel oxides can accelerate hydrogen-based steel production by a factor of two, reducing ener...

Alloys Automotive Carbon Cobalt DIN Emissions Energy Consumption Extraction Hydrogen Infrastructure Metal Metal production Metall Metallurgy Metals MIG MPI PE Process Stainless Steel Steel Production Sustainable TIG TWI
Read more
09.06.2026

Böhler Welding Celebrates 100 Year Anniversary

In 2026, Böhler Welding celebrates its 100 year anniversary and honours the legacy by connecting with the global community and sets the stage for the future. 

AI Anniversary Automation Engineering MAG Materials MIG Software Steel TIG Welding Welding Consumables
Read more
04.06.2026

VMC Demonstrator for Software-defined Vehicles

thyssenkrupp Automotive Technology and the EDAG Group are developing a joint demonstrator for Vehicle Motion Control (VMC) to demonstrate how softwarebased coordination...

Automotive Chassis OEM Originial Equipment Manufacturer Software Vehicle Construction Vehicle Motion Control VMC
Read more
Auf der „Insel des Wissens, der Technologie, der Innovation und der intelligenten Industrie“ in Bilbao plant Lantek einen mehr als 6.000 Quadratmeter umfassenden Technologie-Campus (grün gefärbtes Gebäude).
03.06.2026

Entwicklung eines Technologie-Campus in Bilbao

Entwicklung, Integration und Erprobung für die fortschrittliche Fertigung auf mehr als 6.000 Quadratmetern auf der Insel Zorrotzaurre in Bilbao.

Blechfertigung Digitale Transformation Fertigung Innovation Metallfertigung Metallindustrie Ökosystem Software Technologie Technologiepark
Mehr erfahren
Pultrusion: lange, leichte und zugleich hochfeste Faserverbundprofile.
27.05.2026

Pultrusionsverfahren im Überblick: Nachhaltige Faserverbundprofile für die Industrie

Pultrusion ermöglicht die kostengünstige Herstellung hochfester Faserverbundprofile. Erfahren Sie mehr über Anwendungen in Bauwesen, Energietechnik und E-Mobilität.

Batterie Baustahl Energie Energietechnik Fahrzeugbau Fertigung Forschung Fraunhofer Fraunhofer IWU Industrieanwendungen Konstruktion Korrosion Leichtbau Schienenfahrzeugbau Schienenfahrzeuge Simulation Stahl Thermoplaste Thermoplasten Umformen Werkstoff Werkstoffe
Mehr erfahren