KI-Lösungen · Use Case

Simulationen beschleunigen von Stunden auf Sekunden

Maschinenbauingenieure nutzen KI-Modelle, um rechenintensive CAE-Simulationen (z.B. FEM-Analysen) drastisch zu beschleunigen und Bauteile schneller zu optimieren.

Maschinenbauingenieure setzen KI-gestützte CAE-Simulationen ein, um rechenintensive FEM-Analysen drastisch zu beschleunigen. Ihr Unternehmen kann damit Entwicklungszyklen um bis zu 93 Prozent verkürzen und schneller innovative Produkte auf den Markt bringen.

Worum es geht

Traditionelle Simulationen zur Strukturanalyse oder Strömungsdynamik können Stunden oder Tage dauern. KI, insbesondere in Form von neuronalen Netzen oder 'Reduced Order Models', kann auf den Ergebnissen dieser Simulationen trainiert werden, um das physikalische Verhalten eines Bauteils zu lernen. Einmal trainiert, kann die KI das Ergebnis einer neuen Designvariante in Sekunden vorhersagen, anstatt eine volle Neusimulation zu erfordern. Für den Maschinenbauingenieur bedeutet dies, dass er in der gleichen Zeit hunderte von Design-Iterationen virtuell testen kann, was zu leichteren, stabileren und kosteneffizienteren Konstruktionen führt und den Innovationszyklus erheblich verkürzt.

Einordnung

  • Reifegrad: Growing
  • Komplexität: Hoch
  • Technologie: Maschinelles Lernen, Predictive Analytics, CAE (Computer-Aided Engineering)

Passende Branchen

  • Automobilindustrie
  • Forschung & Entwicklung
  • Luft- und Raumfahrtindustrie
  • Maschinenbau & Anlagenbau

Typische Einsatzmuster

  • Maschinenbauingenieure nutzen trainierte KI-Modelle, um FEM-Simulationen von Bauteilen innerhalb von Sekunden statt Stunden durchzuführen und so verschiedene Designvarianten schnell zu vergleichen.
  • Entwicklungsteams setzen KI-gestützte Netzerstellung ein, um automatisierte Gittergenerierung für Crash-Simulationen zu beschleunigen und HIC-Werte zur Kopfverletzungsbewertung zu berechnen.
  • Produktentwickler kombinieren Cloud-HPC mit KI-Algorithmen, um komplexe Materialverhalten wie Recyclingwerkstoffe zu simulieren und deren Performance vorab zu bewerten.

Voraussetzungen

  • Eine ausreichende Datenbasis mit historischen Simulationsergebnissen ist erforderlich, um KI-Modelle zu trainieren — fehlende Trainingsdaten sind in der Praxis eine der größten Hürden.
  • Investitionen in Cloud-basierte HPC-Infrastruktur und spezialisierte CAE-KI-Software sind nötig, da die lokale Rechenleistung für die neuen Workflows nicht ausreicht.
  • Akzeptanz und Zustimmung von Management und Kunden müssen aktiv aufgebaut werden, da der kulturelle Wandel und die Validierung neuer KI-gestützter Prozesse entscheidend für die erfolgreiche Einführung sind.

Nutzen

Für Unternehmen

  • Drastische Reduzierung der Rechenzeiten für Simulationen
  • Verkürzung der Produktentwicklungszyklen
  • Reduzierung der Anzahl teurer physischer Prototypen
  • Entwicklung von leistungsfähigeren und materialeffizienteren Produkten

Für Beschäftigte

  • Ermöglichung von umfangreichen Parameterstudien und Optimierungen in kurzer Zeit
  • Schnelleres Feedback zu Designänderungen
  • Fokus auf die Interpretation von Ergebnissen statt auf das Warten auf Berechnungen
  • Erweiterung der eigenen methodischen Kompetenzen

Für Privatpersonen

  • Sicherere und leichtere Produkte (z.B. im Fahrzeugbau)
  • Schnellere Verfügbarkeit von innovativen Produkten
  • Höhere Effizienz und geringerer Ressourcenverbrauch der Endprodukte

Herausforderungen

Für Unternehmen

  • Hohe Kosten für spezialisierte CAE- und KI-Software
  • Benötigt eine große Menge an initialen Simulationsdaten, um die KI zu trainieren
  • Hohe Anforderungen an die Rechenleistung für das KI-Training
  • Validierung der KI-Ergebnisse, um die physikalische Korrektheit sicherzustellen

Für Beschäftigte

  • Erwerb von Kenntnissen in Data Science und maschinellem Lernen
  • Gefahr der Nutzung der KI als 'Black Box' ohne physikalisches Verständnis
  • Die Fähigkeit, die Grenzen des trainierten KI-Modells zu verstehen
  • Interpretation der von der KI gelieferten, oft komplexen Ergebnisse

Für Privatpersonen

  • Keine direkten Herausforderungen, da der Prozess in der F&E stattfindet.

Wirkung

Klassische regelbasierte Software stößt bei komplexen, stochastischen Materialverhalten an ihre Grenzen, weil deterministische If-Then-Logik nicht die Muster und Zusammenhänge erfasst, die neuronale Netzwerke aus trainierten Simulationsdaten lernen können. Neuronale Netzwerke können Verhaltensvorhersagen ohne erneuten Simulationslauf treffen, basierend auf trainierten Mustern aus geometrischen Strukturen und Materialeigenschaften — ein Ansatz, der weit über die Möglichkeiten klassischer Automatisierungsskripte hinausgeht. Während regelbasierte Systeme für jede neue Situation neue Regeln benötigen, generalisiert KI das erworbene Wissen und ermöglicht Echtzeit-Designänderungen mit sofortiger Auswirkungsanalyse.

Für Unternehmen

Unternehmen, die KI-gestützte Simulation einsetzen, können schneller auf Marktveränderungen reagieren und innovative Produkte früher anbieten. Konkurrenten ohne diese Technologie riskieren, bei der Entwicklungsgeschwindigkeit abgehängt zu werden, da manuelle oder regelbasierte Workflows bei komplexen Materialverhalten und geometrischen Strukturen nicht skalieren.

Unternehmen können Entwicklungszyklen drastisch verkürzen, was direkte Auswirkungen auf Time-to-Market und Wettbewerbsfähigkeit hat. Die Reduktion von Simulationslaufzeiten um bis zu 98 Prozent — etwa von 60 Stunden auf 2 Stunden — senkt die Kosten pro Entwicklungsiteration erheblich und ermöglicht mehr Designvarianten im gleichen Zeitraum.

Klassische CAE-Workflows werden durch KI-basierte Vorhersagen ergänzt oder teilweise ersetzt, sodass Ingenieure nicht mehr stunden- oder tagelang auf Simulationsergebnisse warten müssen. Cloud-basierte HPC-Lösungen ermöglichen parallele Szenario-Analysen, wodurch mehrere Designoptionen gleichzeitig evaluiert werden können statt sequenziell.

Für Beschäftigte

Wiederkehrende Aufgaben wie manuelle Netzgenerierung, Parameterdefinition und Wartezeiten auf Simulationsergebnisse gehören zunehmend der Vergangenheit an. Ingenieure berichten, dass sie durch die KI-Unterstützung mehr Zeit für die eigentliche Designideenfindung gewinnen und nicht mehr vor allem damit beschäftigt sind, Prozesse am Laufen zu halten.

Die Rolle des Simulationsingenieurs entwickelt sich von einer ausführenden hin zu einer strategischeren Funktion — weg von der Frage 'wie simulieren wir' hin zu 'was wollen wir erreichen und designen'. Arbeitsplätze werden durch diese Technologie nicht unmittelbar gefährdet, doch gering qualifizierte manuelle Eingabetätigkeiten im Simulationsumfeld könnten mittelfristig entfallen.

Fundiertes Verständnis von CAE-Grundlagen bleibt essenziell, doch ergänzend werden Dateninterpretationsfähigkeiten und die Kompetenz wichtig, KI-Empfehlungen kritisch zu bewerten und in den Designprozess einzuordnen. Die Fähigkeit, Trainingsdaten aufzubereiten und die Qualität von KI-Modellen zu beurteilen, wird zu einer zunehmend gefragten Kompetenz.

Für Privatpersonen

Kunden erleben Produkte, die schneller verfügbar sind und gleichzeitig höhere Qualitäts- und Sicherheitsstandards erfüllen, da Entwickler mehr Varianten in kürzerer Zeit durchtesten können. Die Innovationstiefe steigt, weil auch komplexe Designs und Materialkombinationen, die früher aufgrund des Rechenaufwands nicht untersucht wurden, nun realisierbar werden.

Endkunden profitieren von sichereren und leichteren Produkten, die durch umfangreichere Simulationen besser optimiert werden können, etwa im Fahrzeugbau durch präzisere Crashtest-Simulationen oder im Maschinenbau durch belastungsoptimierte Bauteile.

Auswirkungen – eingeordnet und belegt

Arbeit (Belegt)

Für Maschinenbauingenieure verändert das Muster vor allem Aufgaben wie das Planen und Konstruieren technischer Systeme, indem Wartezeiten bei Berechnungen reduziert und neue Freiräume für die Ideenfindung geschaffen werden. Dokumentierte Praxistests zeigen, dass Fachkräfte durch die Verkürzung von Rechenläufen mehr Entwurfsvarianten prüfen können, während gleichzeitig neue Kompetenzen im Umgang mit Datenmodellen gefordert sind. Da jedoch keine standardisierten Arbeitszeitmessungen publiziert wurden, lässt sich eine dauerhafte Entlastung des Personals anhand der vorliegenden Quellen nicht quantifizieren.

  • cadfem.net 2025-06-10
    „Da KI es uns ermöglicht, die Simulationszeiten erheblich zu verkürzen, verschaffen wir unseren Design-Ingenieuren den Raum, Simulation im Alltag mehr zur Ideenfindung zu nutzen.“

Gestützt auf 2 dokumentierte Praxisfälle.

Wirtschaft (Belegt)

Industrieunternehmen erproben das Muster, um Entwicklungszyklen zu beschleunigen und flexibler auf Kundenanforderungen zu reagieren. Die beiden vorliegenden Fälle befinden sich allerdings im Stadium von Machbarkeitsnachweisen, weshalb konkrete Einsparungen bei Entwicklungsbudgets oder messbare Wettbewerbsvorteile noch nicht durch übergreifende Wirtschaftsdaten belegt sind. Auch die Marktreife der Softwarelösungen schränkt einen flächendeckenden produktiven Einsatz derzeit noch ein.

  • cadfem.net 2025-06-10
    „und das die Nutzung der Software noch nicht so ausgereift war, um sie all unseren Ingenieuren schon jetzt zur Verfügung zu stellen.“

Gestützt auf 2 dokumentierte Praxisfälle.

Gesellschaft & Alltag (Eingeordnet)

Im Alltag von Privatpersonen wirkt dieses rein industrielle B2B-Muster allenfalls indirekt über künftig verbesserte Endprodukte oder Fahrzeuge. Ein unmittelbarer Einfluss auf die gesellschaftliche Teilhabe oder den Schutz persönlicher Daten besteht nicht, da im Entwicklungsprozess primär physikalische und geometrische Konstruktionsdaten verarbeitet werden. Belastbare Nachweise für spürbare Qualitäts- oder Sicherheitsgewinne im Endverbraucherbereich liegen für dieses Muster bisher nicht vor.

Umwelt (Belegt)

Durch das Ersetzen rechenintensiver Berechnungen durch neuronale Ersatzmodelle sinkt die Rechenzeit drastisch, was den Energiebedarf der Simulationen verringern kann. Für die übergeordnete Technologieklasse belegt eine Untersuchung, dass vortrainierte Surrogatmodelle den Energieverbrauch um bis zu 98% senken können. Für das spezifische Muster im industriellen Maschinenbau sind in den zwei dokumentierten Fällen jedoch keine separaten Messungen zu Energie oder Emissionen belegt.

Risiken & Regulierung (Belegt)

Ein zentrales Risiko liegt in unzureichenden oder fehlerhaften Trainingsdaten, welche zu ungenauen physikalischen Vorhersagen und Fehlkonstruktionen führen können. Gemäß der Verordnung (EU) 2024/1689 fällt das System voraussichtlich nicht unter die Hochrisiko-Kategorien nach Anhang III, solange es lediglich als internes Entwicklungswerkzeug dient und kein Sicherheitsbauteil nach Artikel 6 darstellt. Betreiber müssen nach Artikel 4 voraussichtlich sicherstellen, dass ihr beteiligtes technisches Personal über ein ausreichendes Maß an KI-Kompetenz verfügt.

  • cadfem.net 2025-06-10
    „mussten wir bezogen auf die KI feststellen, dass wir nicht genügend Daten zum Trainieren des Modells hatten“

Gestützt auf einen dokumentierten Praxisfall.

Belegt: eine abgerufene Quelle oder ein freigegebener Praxisfall trägt die Aussage. Eingeordnet: redaktionelle Einschätzung. Offen: dazu ist nichts dokumentiert. Keine Rechtsberatung.

Quellen

Fachlich zugeordnete Tätigkeiten

Die Lösung passt zur Tätigkeit in einem fachlichen Kontext, aber nicht automatisch zu jedem Beruf mit dieser Tätigkeit.

Für diese Berufe ist die KI-Lösung relevant

Die fachliche Passung wurde KI-gestützt anhand der Anwendung und der beruflichen Aufgaben geprüft. Daraus folgt keine gemessene KI-Wirkung auf den gesamten Beruf.

  • Maschinenbauingenieure: Maschinenbauingenieure sind die primären Anwender von CAE- und FEM-Simulationen zur Strukturanalyse und Bauteiloptimierung; der Use Case beschreibt exakt deren Tätigkeit.