Vom Mikrochip bis zum Megaschiff KI schafft Innovationen in der Produktentwicklung

Durch die Integration von KI in den Entwicklungsprozess können nicht nur die Effizienz gesteigert, sondern auch die Genauigkeit und Geschwindigkeit der Simulationen auf ein neues Niveau gehoben werden. Der größte Vorteil dieser Technologie: Die KI lernt aus vorhandenen Simulations- und Entwicklungsdaten, so dass neue Konstruktionen in wenigen Minuten optimiert werden können. Entwicklungsingenieure können auf diese Art schneller und häufiger neue Parameter an Systemen erproben.

Schnelleres Chipsdesign dank KI

Ein Beispiel bietet die Entwicklung moderner Mikrochips, diese bringt zahlreiche technische Herausforderungen mit sich, insbesondere aufgrund der steigenden Anforderungen an ihre elektrischen, thermischen und strukturellen Eigenschaften. Herkömmliche auf dem Markt befindliche Simulationsmethoden stoßen dabei zunehmend an ihre Grenzen. Sie sind nicht nur zeitaufwändig, sondern benötigen auch erhebliche Rechenressourcen, insbesondere für detaillierte thermische Analysen.

Ein Ingenieurteam, das kürzlich nach einer effizienteren Methode zur Untersuchung von Chipdesigns suchte, stieß auf ähnliche Hindernisse. Ihr bisheriger Ansatz war langsam, da er auf der Aufteilung des Modells in viele kleine Elemente (Diskretisierung) basierte. Mit zunehmender Anzahl dieser Elemente wurde die Berechnung immer komplexer und zeitaufwendiger. Hinzu kam die Schwierigkeit, Unsicherheiten in der räumlichen Verteilung sowie Schwankungen von Chipparametern wie Größe oder Wärmeübergangskoeffizient (HTC) effizient abzubilden und zu berücksichtigen.

Hier setzt die KI-basierte Simulationstechnologie an. Durch die Integration von KI in den Simulationsprozess konnte die Berechnung von Temperaturverteilungen erheblich beschleunigt werden – in einigen Fällen um den Faktor 20 bis 80 – ohne Einbußen bei der Genauigkeit. Das beschleunigt die Bewertung von Designänderungen verkürzt den Entwicklungszyklus von Mikrochips deutlich. KI-gestützte Simulationen leisten damit einen wichtigen Beitrag zur Effizienzsteigerung und Kostensenkung in der Chipentwicklung.

Strukturanalysen in der Luft- und Raumfahrt

Auch in der Luft- und Raumfahrtindustrie spielt die KI-basierte Simulationstechnologie eine wichtige Rolle, insbesondere bei der Entwicklung von sicherheitskritischen Komponenten wie Triebwerksaufhängungen. Diese kleinen, aber entscheidenden Bauteile tragen das Gewicht des Triebwerks und müssen sowohl leicht als auch strukturell robust sein.

Traditionelle Konstruktionsprozesse erfordern zahlreiche Iterationen und physikalische Simulationen. Mit KI-gestützten Simulationen kann dieses Verfahren deutlich beschleunigt werden. Entwickler können auf vorhandene Daten zurückgreifen und sie in KI-Modelle einfließen lassen, die das Verhalten neuer Designs innerhalb von Sekunden vorhersagen. Dieser Workflow ermöglicht eine Zeitersparnis von bis zu 90 Prozent. Ein weiterer Vorteil: Selbst Teammitglieder ohne tiefgehende physikalische Kenntnisse können dank KI-gestützter Hilfe in den Designprozess eingebunden werden.

Optimierte Aerodynamik für Elektrofahrzeuge

Nicht zuletzt profitiert auch die Automobilindustrie: Sie steht unter wachsendem Druck, die CO₂-Emissionen ihrer Fahrzeuge zu senken, um strenge Umweltauflagen wie die Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure (WLTP) zu erfüllen. Eine entscheide Rolle kommt hier der Fahrzeug-Aeordynamik zu, weil deren Optimierung durch verringerten Luftwiderstand erheblich zur Vermeidung von Abgasen beitragen kann und auch den Energieverbrauch der kommenden Elektrofahrzeuge senkt. Traditionelle Windkanaltests sind jedoch teuer und zeitaufwendig, was den Entwicklungsprozess verlangsamt.

Durch den Einsatz von KI können Ingenieure die Aerodynamik eines Fahrzeugs – auch bei komplexen Designvarianten – in wenigen Minuten analysieren. So konnte in einem Beispiel die Aerodynamik eines SUV-Modells mit etwa 50 Simulationsdatensätzen untersucht werden. Verschiedene Geometrieänderungen wie Außenspiegel, Dachgepäckträger oder Spoiler wurden unkompliziert mit einbezogen. Die KI-basierte Vorhersage der Luftwiderstandswerte und Strömungseigenschaften wich um weniger als 0,5 Prozent von den Ergebnissen herkömmlicher Computational-Fluid-Dynamics (CFD)-Simulationen ab, und dass innerhalb von weniger als einer Minute. Dieses Vorgehen beschleunigt den gesamten Entwicklungsprozess, indem er die Anzahl der bewerteten Designvarianten um das 20-fache erhöht und die Simulation bis zu 100-mal schneller macht. Automobilhersteller können somit Designänderungen früher im Entwicklungszyklus integrieren, die aerodynamische Leistung optimieren und die Kosten senken.

Optimiertes Rumpfdesign reduziert Emissionen

Auch die Schifffahrtsbranche steht unter Druck, ihre Emissionen zu senken. Die International Maritime Organization (IMO) hat strenge Vorgaben zur Reduktion von Emissionen im internationalen Schiffsverkehr eingeführt. Und auch hier liegt eine Antwort zur Emissionsminderung im Formfaktor: die Optimierung des Rumpfdesigns, um den Strömungswiderstand zu minimieren und so die Energieeffizienz zu erhöhen. Ingenieure entwickelten ein KI-Modell, das auf einer Datenbank mit 288 CFD-Ergebnissen basierte, um verschiedene Rumpfformen und Betriebsparameter wie Tiefgang und Schiffsgeschwindigkeit zu berücksichtigen. Das Modell konnte innerhalb einer Minute präzise Vorhersagen für neue Rumpfdesigns treffen. Dabei wichen die Ergebnisse um weniger als 5 Prozent von herkömmlichen CFD-Simulationen ab, während die Vorhersagen für Wellenmuster vollständig korrekt waren.

Entscheidende Faktor der Produktentwicklung

Die Kombination aus Künstlicher Intelligenz und Simulationstechnologie revolutioniert die Produktentwicklung in einer Vielzahl von Branchen. Ob in der Halbleiterindustrie oder der Schifffahrt – durch die Integration von KI in den Simulationsprozess können Ingenieure und Designer ihre Arbeit effizienter, präziser und schneller erledigen. Die Möglichkeit, fundierte Entscheidungen innerhalb von Minuten zu treffen und verschiedene Designoptionen zu vergleichen, führt zu besseren Produkten und innovativeren Lösungen.

Die Zukunft der Ingenieurskunst liegt in der intelligenten Nutzung von KI, die es uns ermöglicht, Herausforderungen auf völlig neue Weise anzugehen. Unternehmen, die diese Technologien frühzeitig einsetzen, werden die Innovationsführer von morgen sein und in einer zunehmend wettbewerbsorientierten Welt die Nase vorn haben.