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Nachhaltiges Konstruieren: Grünes Design ohne Kompromisse

 11.09.2012,

Mit robustem Design und Optimierung können Unternehmen echte Wettbewerbsvorteile erzielen – und sich dabei auch für die Umwelt einsetzen. In vielen Teilen der Welt erwarten die Menschen, dass das Leben für die kommenden Generationen besser, leichter und komfortabler wird. Im Laufe des vergangenen Jahrhunderts sind viele Privilegien, die einst nur den Reichen vorbehalten waren, allgemein verfügbar geworden; tatsächlich werden viele davon heute als Notwendigkeit angesehen.

Nachhaltigkeit ist ein Muss
Ein Auto fahren, mit dem Flugzeug um die Welt fliegen, Zugang zu einem Computer haben, überall auf das Internet

zugreifen und mobil telefonieren sind heute Routinetätigkeiten, sogar in Schwellenländern. Jedoch kann die Welt ein solches exponentielles Wachstum nicht mehr ewig tragen. Viele Wissenschaftlicher weisen eindringlich darauf hin, dass wir unseren Planeten und die Menschheit in Gefahr bringen. Und es wird zunehmend klar, dass gegen den übermäßigen Konsum in seiner jetzigen Form etwas getan werden muss.

Die Bevölkerung verbraucht die fossilen Energiequellen der Welt in zunehmendem Tempo; gleichzeitig wirken sich Emissionen durch diese Brennstoffe nachteilig auf die Umwelt und ihre natürliche Entwicklung aus. Riesige Mengen von Abfallstoffen werden in der Hoffnung gelagert, dass die Erde damit fertig werden kann. Die meisten Menschen wissen, dass diese Praktiken für die Erde nicht unendlich lange tragbar sind. Während immer mehr Menschen an die Weltbevölkerung appellieren, etwas dagegen zu tun, ist der Einzelne oft nicht bereit, seinen komfortablen Lebensstil dafür zu opfern.

Mangelnde Bereitschaft, den aktuellen Standard aufzugeben
Zweifellos könnten Autos umweltfreundlicher sein, aber würde man bei einer weltweiten Umfrage Leute finden, die mehr dafür zahlen würden, um dieses Ziel zu erreichen? Die meisten wären nicht bereit, wesentliche Abstriche bei der Leistung, bei der Geschwindigkeit oder bei der Beschleunigung in Kauf zu nehmen. Grüne Gebäudetechnik ist ein gemeinsames Anliegen, aber würden es die Bewohner tolerieren, wenn sie es im Winter etwas weniger warm und im Sommer etwas wärmer hätten? Erneuerbare Energien sind nur dann ein „Muss“, wenn die resultierende Energie billiger und mindestens

genauso stabil wäre. Ein bewundernswertes Ziel: Können wir es ohne persönliche Kompromisse erreichen?

Der gesunde Menschenverstand sagt uns, dass wir solche Erwartungen nicht mit herkömmlichen Ansätzen und Technologien erfüllen können. Bahnbrechende Entwicklungen wären erforderlich damit substantielle Nachhaltigkeitsziele erreicht werden können:

• Besseres Energiemanagement: Fossile Brennstoffe bleiben eine wichtige Energiequelle, könnten aber effektiver und selektiver genutzt werden. Erneuerbare Energiequellen sollten ausgeschöpft werden. Verkehrsmittel, Bauwesen und Produktion müssen energieeffizienter arbeiten.
• Verringerung der Luftverschmutzung: Die Lebensweisen des 21. Jahrhunderts führen zur Freisetzung enormer Mengen verschiedener Stoffe in die Umwelt. Diese Stoffe sind ohne direkte Auswirkungen auf die Erde nur schwer aufzufangen und zu recyceln.
• Produktlebensdauer: Nach Ablauf ihrer Nutzungsdauer verwandeln sich Produkte schnell in Abfall. Eine kürzere Lebensdauer bedeutet mehr Abfall – dieser wiederum kann durch Recycling sowie durch die wirtschaftliche Verarbeitung recycelter Materialien zu neuen Produkten vermieden werden. Dank moderner Simulationstechnologien hat speziell das zweite Thema in letzter Zeit einen Schub erfahren und entwickelt sich zu einem eigenen Trend.

Virtuelle Experimente, virtuelle Tests, virtuelle Prototypen
Während nachhaltige Produkte und Prozesse  momentan zwar wünschenswert sind, die Industrie darauf aber nicht zwingend festgelegt ist, so könnte das grüne Design in Zukunft durch Gesetze und Vorgaben, bessere Lösungen zu entwickeln, obligatorisch werden. Pioniere und führende Unternehmen treffen bereits Vorbereitungen für diese Entwicklung, indem sie nachhaltige Lösungen entwickeln. Doch dies ist eine gewaltige Aufgabe. Umweltfreundliche Produkte können größere Innovationen erfordern, die sich auf die Kosten und die Robustheit auswirken könnten. Innovation erfordert normalerweise intensive Experimente und Optimierung.

Wirklich bahnbrechende Lösungen erfordern systematische Tests, damit sich die neuen Entwicklungen während ihrer gesamten Lebensdauer ordnungsgemäß verhalten. Experimente und Tests sind gewöhnlich zeitintensiv, kostspielig und in einer stark konkurrenzorientierten Welt nur schwer zu managen. Die branchenweit führenden Unternehmengehen dieses Problem lösungsorientiert an: Sie verlagern den Design- und Konstruktionsprozess von Anfang an auf die virtuelle Ebene.

Zahlreiche Studien legen nahe, dass es möglich ist, nahezu alle Modellstufen in der Konstruktion virtuell durchzuführen – und dies mit den entsprechend geringeren Kosten. Die virtuelle Konstruktion bietet neben der substantiellen Kostenersparnis zahlreiche weitere Vorteile: Die Entwicklerteams können in einem solchen Designprozess durchgängig zahlreiche Parameter verändern, um die beste Kombination aus nachhaltigem Design, minimalen Kosten und maximaler Leistung zu finden.

Führende Unternehmen prüfen ihre virtuellen Produkt-Prototypen systematisch unter Bedingungen, wie sie während der Produktlebensdauer auftreten würden, um sicherzustellen, dass das Produkt die Anforderungen der Endanwender erfüllen wird. Eine kontinuierliche Erhöhung der Rechenleistung in Verbindung mit hocheffizienter Solver-Software/ Löser-Softwarekann dieses Bestreben unterstützen: Hierdurch kann die Anzahl oder die Komplexität der virtuellen Tests ohne Beeinträchtigung der Kosten oder der Time-to-Market alle 18 Monate verdoppelt werden.

Robuste Entwicklung und Optimierung
Die Nachhaltigkeit fügt der Produktentwicklung eine neue Dimension hinzu, die mit Standardtechnologie nur schwer zu handhaben ist. Die Entwicklung intelligenter, grüner Produkte mit einem hohe Grad von Produktintegrität erfordert die

Untersuchung einer wachsenden Anzahl von Parametern – beispielsweise Abmessungen, Materialien und Betriebsbedingungen –, damit die Entwickler ausreichend Spielraum zur Erfüllung zahlreicher Vorgaben haben. Ein robustes Design schließt die Identifizierung der wichtigen Einflussgrößen und die Auswertung der Sensibilität des Designs für Veränderungen ein. Die Kombination parametrischer Studien und eine Sensibilitätsanalyse für eine große Zahl von Parametern mit Hilfe fortschrittlicher Tools (robustes Design und Optimierung) öffnet die Tür zu einem neuen Zeitalter der Entwicklung.

Technische Simulation: eine profitable grüne Technologie
Die technische Simulation hat ihre Kostenvorteile bei der Entwicklung neuer Produkte bereits unter Beweis gestellt. Die gleiche Technologie kann auch eingesetzt werden, um „grünere“ Produkte und Prozesse zu entwickeln. Zukunftsorientierte Unternehmen tun bereits etwas für eine sauberere und profitablere Zukunft, indem sie ihre Entwicklungsprozesse ändern und die Vorteile, die Simulationstechnologien bieten, nutzen. Nicht zuletzt können Anbieter die „grüne Herausforderung“ auf diese Weise auch dafür verwenden, ihr Business noch profitabler zu machen.

Autor: Thierry Marchal, Industry Director, ANSYS, Inc.

 

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