Die abgebildete Struktur zeigt den Entwurf für ein miniaturisiertes Bauteil, das sich zur Energiegewinnung zum Beispiel in der Autoindustrie verwenden lässt. Der Entwurf ist Ergebnis eines komplexen Rechen- und Optimierungsprozessses durch einen Algorithmus.
Foto: Jade Hochschule/Projekt optiMUM

Wie funktioniert automatisiertes Produktdesign?

TLDR:

Wie können Smartphonekameras automatisch quer- oder hochformatige Fotos erstellen, je nachdem wie wir das Handy halten? Winzige Lage-Sensoren machen diese Funktion möglich. Und wie entwickelt man solche miniaturisierten Bauteile? Ihr Design ist eine Herausforderung für Industrie und Forschung, und wird, um Unternehmen zu entlasten, immer mehr digitalisiert und automatisiert. Siyang Hu von der Jade Hochschule erklärt am Beispiel seiner Forschungsarbeit über einen so genannten Energiewandler, wie automatisiertes Produktdesign funktioniert.

Lesedauer: 4:30 min Kategorien: Interview, Digitalisierung Datum: 11. Mai 2022

#forschungsgegenstand Algorithmus

Ob Auto oder Smartphone – der Aufbau und das Design von Gebrauchsgegenständen und besonders ihrer Bauteile müssen heute viele digitale Funktionen unterstützen. Hochwertige Smartphones beispielsweise besitzen aus diesem Grund schwingende Sensoren. Wechselt das Gerät seine Lage, nimmt der Sensor die Bewegung als Schwingung auf – die Schwingung wird gemessen und an die Software des Handys übermittelt. Diese entscheidet daraufhin, ob hoch- oder querformatige Fotos entstehen.

Fotografieren gehört zu den beliebten Funktionen von Smartphones.
Foto: PeopleImages/iStock

Siyang Hu vom Fachbereich Ingenieurwissenschaften der Jade Hochschule ist Doktorand im Projekt optiMUM (Topologieoptimierung miniaturisierter multiresonanter Systeme beschleunigt durch Modellordnungsreduktion). Im Rahmen seiner Promotion entwickelt er einen Algorithmus, der das Design winzig kleiner Energiewandler zum Beispiel für die Automobilindustrie entwerfen soll. Energiewandler sind schwingende Sensoren, die aus der Umwelt aufgenommene Schwingung als Energie zum Beispiel an Batterien oder Akkus abgeben können. Dieser Strom ginge sonst verloren, und die Lebensdauer von Sensoren, die kabellos – also über Batterien – betrieben werden müssen, lässt sich mithilfe eines Energiewandlers stark verlängern. So lassen sich zum Beispiel kabellose Luftdrucksensoren für Autoreifen entwerfen, die eine längere Lebensdauer haben. Die Komponenten, die Hus Algorithmus entwickelt, sollen dementsprechend wenige Mikrometer (ein Mikrometer entspricht 0,001 Millimeter) klein sein.

Wie aber entwickelt man solche winzigen Komponenten? Warum macht es Sinn, sie digital und automatisiert zu entwerfen? Wir haben Hu gefragt.

deepblue4you/iStock

Herr Hu, Designentwicklung mithilfe von Algorithmen – warum macht das Sinn?

Siyang Hu (SH): Angenommen, Sie wollen eine winzig kleine Komponente aus einem teuren Material entwickeln, die an vier Stellen in vier unterschiedlichen Frequenzen schwingt und diese Schwingung unabhängig voneinander an weitere Sensoren oder eine Batterie weitergeben kann. Dann haben Sie schon einige komplexe Anforderungen an das Produkt. Wie bekommt ein Ingenieur, eine Ingenieurin, es hin, das zu entwerfen?

Um diese Aufgabe zu lösen, sucht die Person in der klassischen Produktentwicklung erst einmal nach Ideen. Da Intuition auf Erfahrung beruht, generiert sie – je erfahrener sie ist – umso schneller intuitiv brauchbare Ideen und kann unbrauchbare ausschließen. Für die am brauchbarsten erscheinenden Ideen werden Prototypen hergestellt, getestet und so lange überarbeitet, bis das Produkt optimal ist. Je weniger Erfahrung Ingenieur_innen also mitbringen, umso länger brauchen sie besonders bei größeren Herausforderungen für diese Versuch-und-Irrtum-Methode. Das Entwerfen, die Herstellung und Überarbeitung von Prototypen dauern aber nicht nur lange. Sie verbrauchen auch mehr Material und die Herstellungskosten erhöhen sich durch zusätzliche Laborzeit und einen längeren Bedarf an Maschinen.

Man kann also sagen, dass der Erfolg in der klassischen Produktentwicklung sehr stark von der Erfahrung der Ingenieur_innen abhängt. Aber in heutigen Unternehmen gibt es nicht für alle speziellen Problemfelder erfahrene Expert_innen. Die sind teuer und es ist sehr schwer, solche Leute überhaupt zu finden.

Die automatisierte Produktentwicklung ist hingegen schneller, weil sie die Lösungswege durchrechnet. Außerdem spart sie Material, da man die digitalisiert entwickelten Designs im Computer aufbauen und testen kann.

Was ist das Ziel Ihrer Forschungsarbeit?

SH: Wir entwickeln im Projektteam einen Algorithmus, also eine automatisierte Entwurfsmethode, bei der man die Intuition – also den seltenen, unglaublich großen persönlichen Erfahrungsschatz einer Ingenieurin oder eines Ingenieurs für viele Anwendungsbereiche – nicht mehr zwingend benötigt, um ausreichend schnell ein Design für eine miniaturisierte Komponente zu entwickeln. Ziel unserer Arbeit ist, dass der Algorithmus unter anderem einen Energiewandler entwerfen kann.

Wie entwickeln Sie Ihren Algorithmus?

SH: Angefangen haben wir mit den Methoden, also mit den Algorithmen, die ursprünglich für die Entwicklung von Leichtbauteilen eingesetzt wurden. Diese entwickeln wir bezogen auf unseren Anwendungsfall, den schwingenden Energiewandler, weiter. Wir geben dabei alle Funktionen unseres Produktes vor. Wir definieren mathematisch, an welcher Stelle das Produkt in welcher Frequenz schwingen soll, welcher Kraft es an welchen Stellen standhalten muss, und so weiter. Unsere Methode kann eine ganze Bandbreite von schwingenden Komponenten entwerfen. Der Algorithmus berechnet mögliche Formen, prüft diese, verwirft sie wieder, und entwirft so nach und nach unser Produkt.

Wo stehen Sie mit Ihrer Forschungsarbeit aktuell?

SH: Um Lösungen zu überprüfen, die uns brauchbar erscheinen, erstellen wir Demonstratoren – also Modelle unseres Energiewandlers – in einer Größe von rund zehn Zentimetern. Daran testen wir, ob das Modell realphysisch funktioniert. Unser Algorithmus hat mehrere Modelle berechnet, und wir haben inzwischen mehrere Demonstratoren gebaut und getestet.

Die abgebildete Struktur zeigt den Entwurf für den miniaturisierten schwingenden Sensor, den Hus Algorithmus berechnet hat.
Foto: Jade Hochschule/Projekt optiMUM
Den Vorgang, mit dem der Algorithmus den schwingenden Energiewandler entwirft, kann man mit dem Steinmeißeln vergleichen: Der Algorithmus geht von einer einfachen Grundform aus, deren Maße dem maximalen Platz entsprechen, der für das Bauteil zur Verfügung steht. Nach und nach berechnet der Algorithmus, welche Bereiche im Material entfernt werden können. Die Abbildung zeigt, wie der Algorithmus im Projekt optiMUM den Entwurf eines Energiewandlers optimiert. In den weiß dargestellten Bereichen befindet sich Luft, die grauen und schwarzen Bereiche stellen Material dar. Im Lauf der Berechnungen verändert sich die Form und Oberfläche des Materials, also der grau-schwarzen Anteile. Ausnahme: Die Bereiche, auf denen die Masse aufgebracht wird, welche Schwingung aufnimmt und in Energie wandelt, darf der Algorithmus nicht verändern.
Foto: Jade Hochschule/Projekt optiMUM

Vor welchen Herausforderungen stehen Sie noch?

SH: Ein Knackpunkt ist die Dämpfung unseres Energiewandlers. Alle schwingenden Objekte sind gedämpft, manche mehr manche weniger, je nach Material, Beschaffenheit oder Umgebung. Dämpfung kann gewollt oder ungewollt sein. Gehen viele Menschen in derselben Frequenz über eine Brücke, würde sie brechen, wenn sie nicht gedämpft wäre. Das Phänomen nennt man „Resonanzkatastrophe“ und hat in der Geschichte schon öfters stattgefunden.

Wenn wir an unseren Energiewandler denken, bedeutet mehr Dämpfung weniger Energiegewinnung. Wir möchten aber so viel Energie wie möglich mit unserem Energiewandler gewinnen können, deshalb ist eines unserer Ziele, die Dämpfung auf das Minimum zu reduzieren, bei dem unser Energiewandler noch stabil seine Funktion erfüllen kann.

Allerdings lässt sich die Dämpfung nicht berechnen, weil noch keine Berechnungsmethode dafür bekannt ist. Deshalb können wir die Energieausbeute für unseren Energiewandler nur sehr schwer voraussagen. Alle Forschenden in diesem Gebiet stehen vor diesem Problem, das haben wir auf Konferenzen im Gespräch mit Forschungsgruppen festgestellt. Wir alle machen deshalb einfach eine Annahme in Bezug auf die Dämpfung, bauen das Modell, testen es, und passen die Dämpfung nachträglich an. Das ist natürlich mit großem Aufwand verbunden.

Mit einem im Maßstab 100 000:1 vergrößerten Modell überprüft das Projektteam, ob der automatisiert entworfene Energiewandler wie gewünscht funktioniert. Besteht das Modell diesen Test, wird schließlich ein Prototyp im echten miniaturisierten Maßstab erstellt. Das aufgebrachte braun gefärbte Material beim Modell-Demonstrator erzeugt bei Verformung oder Druck elektrische Ladung.
Foto: Jade Hochschule/Projekt optiMUM

Was sind Ihre nächsten Schritte?

SH: Für meine Doktorarbeit stehen noch einige Berechnungen an. Die hoffe ich, in diesem Jahr noch abzuschließen. Und ich möchte gern noch den Energiewandler in Originalgröße für das Projekt bauen und testen – das ist nicht Teil meiner Doktorarbeit, fände ich aber spannend, weil ich mich dann auch noch mit dem Praxisteil zu meiner theoretischen Arbeit beschäftigen kann. Insgesamt wäre das dann eine runde Sache.

Herr Hu, vielen Dank für das Gespräch!

Über Siyang Hu

Siyang Hu, Doktorand am Fachbereich Ingenieurwissenschaften der Jade Hochschule, in seinem Büro in Wilhelmshaven
Siyang Hu im Büro am Campus Wilhelmshaven

Siyang Hu hat Mathematik, Mechatronik und Maschinenbau an der Technischen Universität München studiert und promoviert im Projekt optiMUM bei Prof. Dr. Dennis Hohlfeld (Universität Rostock) und Professorin Dr. Tamara Bechtold (Jade Hochschule). Partner im Projekt ist das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), vertreten durch Professor Dr. Jan Gerrit Korvink. Während Hu sich auf die Anwendung des schwingenden Energiewandlers fokussiert, wird am KIT an einer Spule gearbeitet, die Schwingungen während einer Kernspintomografie entdecken kann und die in der Materialwissenschaft eingesetzt werden soll. Der im  Forschungsprojekt entwickelte Algorithmus soll zu Projektende beide Komponenten entwerfen können. „Wir erwarten, dass wir den Algorithmus für jede Anwendung noch etwas anpassen werden,“ sagt Hu.

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