Von der Entdeckung des berühmten Strukturanalyse-Codes für simulationsgetriebenes Design bis zur Entwicklung der nichtlinearen Simulation

In den späten 1980er und frühen 1990er Jahren begann die Forschung im Ingenieurwesen, sich für ein neues Konzept namens Topologieoptimierung zu begeistern. Die Homogenisierungsmethode für die Topologie- und Formoptimierung wurde erstmals 1988 von Martin Bendsoe und Noburo Kikuchi eingeführt und war bald Gesprächsthema der gesamten Forschungsgemeinschaft.

Das Konzept der mathematischen Optimierung ermöglicht es, Bedingungen und eine Zielsetzung anzugeben, um dann den Computer zwecks bestmöglicher Lösung in einer Programmschleife eine Studie ausführen zu lassen. Die Algorithmen der Topologieoptimierung folgen dem gleichen Prozess, wenn sie die Form und Topologie einer Struktur optimieren. Die daraus resultierenden Ergebnisse führen zu Bauteilen, welche die Größen- und Funktionsanforderungen innerhalb des gegebenen Designraums erfüllen und gleichzeitig ein Minimum an Material erfordern.

Jeff Brennan, Chief Product Officer, Altair 365, war Teil dieser aufkeimenden Bewegung und erfuhr schon zu Beginn seiner College-Karriere, wie man Optimierung auf technische Probleme anwenden kann.

„Jeder in meinem Maschinenbaukurs legte eine Nachtschicht ein, um ein mechanisches Dynamikproblem mit Fortran zu lösen“, sagte Brennan.

„Als ich gerade ins Computerlabor gehen wollte, kam mein Mitbewohner mit einem Sixpack ins Wohnheim. Ich sagte: ‚Tom – willst du nicht den Rest der Nacht im Computerlabor verbringen, wie wir alle? Er sagte: ‘Nein, das überlasse ich euch Jungs.‘

Ich erfuhr, dass er den Algorithmus entwickelt und die Positionierung jedes Fortran-Befehls zu einer Variablen in einer Optimierungsschleife gemacht hatte. Er drückte bei diesem Optimierungsprogramm auf ‚go‘ und es orientierte dann die verschiedenen Operationen neu, bis es die beste Lösung gefunden hatte. Und so saß er in dieser Nacht und trank alle sechs Biere. Jemand hatte es herausgefunden. Jemand weiß, wie man numerische Algorithmen verwendet, um weniger Arbeit zu haben und zur besten Lösung zu kommen. Und ich dachte: ‚Bingo!‘ Hier steckt noch mehr dahinter.“

Brennan führte sein Studium an der Universität Michigan fort und studierte bei Dr. Noboru Kikuchi, einem der Väter der Topologieoptimierung, in dessen Maschinenbaulabor und seiner Gruppe für angewandte Mechanik. Eine der ersten Anwendungen der Topologieoptimierung waren die der Biomimicry-Studien im Bereich Osteoporose- und Prothesenforschung.

Sie untersuchten die Faktoren, die das Knochenwachstum bei gesunden Personen förderten, um diese Reize bei älteren Patienten zu replizieren und das Knochenwachstum um Implantate herum zu fördern. Auf diese Weise sollte eine stärkere und natürlichere Verbindung geschaffen werden. Die zugrundeliegende Theorie: der Körper ist in der Lage, Knochen auf optimale Weise wachsen zu lassen. Dabei handelt es sich um eine Erweiterung des Wolf’schen Gesetzes, welches besagt, dass der Körper bei mechanischer Belastung mit dem Aufbau von Knochengewebe und der Erhöhung der Knochendichte genau dort reagiert, wo bei Belastung Unterstützung erforderlich ist.

Nach seinem Abschluss hatte Brennan ein Vorstellungsgespräch bei Altair, damals ein kleines Ingenieursberatungsunternehmen, das mit seinem Preprocessing Tool HyperMesh erste Erfolge verzeichnen konnte. Während des Gesprächs zeigte Brennan Altair seine Arbeiten zur Topologieoptimierung, die er als Student durchgeführt hatte. Altair erkannte darin die Chance, die Topologieoptimierung zu kommerzialisieren und Jeff Brennan wurde eingestellt.

„Wir waren von der Technologie äußerst begeistert“, sagte Jim Scapa, Gründer, Chairman und CEO Altair. „Wir haben uns schließlich mit Professor Kikuchi und seinem Partner Alejandro Dias darauf geeinigt, ihre Software auf dem kommerziellen Markt weiter zu vertreiben. Wir waren fest davon überzeugt und wollten sie weiterentwickeln“.

OptiStructs erster Kunde

1992 wurde Brennan OptiStructs erster Technologie-Evangelist, der durchs Land und später um die ganze Welt reiste, um diese neue Technologie vorzustellen.

„Die große Ablehnung, auf die ich stieß, war enttäuschend,“ sagte Brennan. „Ich war froh, dass ich jung war, als ich damit anfing, OptiStruct zu verkaufen. Es passte nicht in die bestehenden Arbeitsprozesse der Menschen, selbst wenn sie das zugrundeliegende Konzept verstanden. Es gab einfach nicht den passenden Einsatzbereich.“

Trotz der anfänglichen Hürden steigerte OptiStruct seine Bekanntheit in der Technologiebranche und erzielte seine ersten Auszeichnungen. Im Jahr 1994 wurde OptiStruct von Industrie Week zur „Technologie des Jahres“ gekürt.

Im gleichen Jahr ging Altair auf General Motors zu und stellte dort OptiStruct vor. Dr. Keith Meintjes, jetziger Übungsleiter für Simulation und Analyse bei CIMdata Inc., war damals Simulations-Manager bei GM Powertrain.

„Jeff erschien bei GM Powertrain und verkaufte mir irgendwie seine allererste OptiStruct-Lizenz“, sagte Meintjes. „Ich erfuhr erst Jahre später, dass die Software zuvor noch nie kommerziell verkauft worden war. Ich kann von mir mit Stolz sagen, Kunde 001 zu sein. Die Anwendung der Software war zu diesem Zeitpunkt noch sehr schwierig, aber in den Händen talentierter Ingenieure konnte man damit Wunder wirken.“

Zurück ans Reißbrett

Da Altair mit OptiStruct auf Erfolgskurs war, versuchte Scapa mit Kikuchi und Dias – den ursprünglichen Autoren der Software – einen Vertrag zum Kauf der Technologie auszuhandeln. Doch eine elfstündige Diskussion über die Rechte am geistigen Eigentum brachte den Deal in Gefahr. Da Scapa nicht im Besitz des geistigen Eigentums war, beschloss er, den Laborcode zu nehmen und von Altair eine von Grund auf neue kommerzielle Software entwickeln zu lassen.

„Weder Dias noch ich wollten nachgeben“, sagte Scapa. „Dias glaubte nicht daran, dass ich das schaffen konnte. Ich wusste auch selbst nicht wirklich, ob wir es konnten, aber ich ging davon aus, dass es mit genügend Durchhaltevermögen möglich sein würde.“

Es war ein mutiger Schritt, der zusätzlichen Druck mit sich brachte. Altair hatte nun eine ganze Reihe an OptiStruct-Kunden, die alle auf die nächste Version der Software warteten, welche Altair nun von Grund auf neu aufbauen musste.

„Ich stellte Harold Thomas und Yaw-Kang Shyy ein, um die Entwicklung der nächsten OptiStruct-Generation zu leiten. Irgendwie schafften sie es, die neue Software in rund sechs Monaten zusammenzustellen. Sie waren wirklich brillant und wurden unsere Hauptprogrammierer.“

Kurz nach der Einstellung von Thomas und Shyy suchte Altair einen weiteren Innovator der Forschung, Ming Zhou, auf, um OptiStruct auf die nächste Ebene zu bringen.

Scapa sagte: „Harold kam zu mir und sagte, dass der so ziemlich beste Optimierer weit und breit, Ming Zhou gerade seine Doktorarbeit veröffentlicht. Von diesem Mann stammen die innovativsten Arbeiten.“ Dass Ming zu uns kam, war entscheidend, denn er brachte in alles, was wir taten, sehr viel Kreativität ein.“

„Ming ist ein wahrer Technologie-Pionier“, sagte Uwe Schramm, CTO Altair. „Er ist seit den wissenschaftlichen Anfängen in diesem Bereich dabei. Ming war zusammen mit Harold und YK der Begründer dieses Ansatzes. Sie sind die Wegbereiter der kommerziellen Topologieoptimierung“.

Eine moderne Finite Elemente (FE) Optimierung auch mit nichtlinearer Simulation

In den Jahren 1997 und 1998 implementierte das Entwicklungsteam die Hauptfunktionen, die OptiStructs zukünftiges Wachstum prägen und ermöglichen sollten. Sie verlagerten den Code von der Homogenisierungsmethode auf die Dichtemethode und begannen, sich auf das Hinzufügen von Finite-Elemente-Lösungsfunktionalitäten und Fertigungsbeschränkungen zu konzentrieren.

„Zum Optimieren benötigt man gute Analysen“, sagte Schramm. „Die Kunden wollten ihre komplexeren Modelle im Programm durchlaufen lassen, also mussten wir entsprechende Funktionen hinzufügen, damit sie auch weiterhin zufrieden sind.“

„OptiStruct ist sowohl ein Optimierungscode als auch ein extrem leistungsfähiger Solver-Code geworden“, sagte Brennan. „Die dritte Generation dieses Solver Codes meistert nichtlineare Probleme einwandfrei – Material-Nichtlinearität, Geometrie-Nichtlinearität, alle Arten von Spaltbedingungen, was auch immer. Die Software ist Weltklasse, in dem Sinne, dass sie der beste lineare und nichtlineare Optimierungscode auf dem Markt ist.“

Die Next-Generation Optimierung im Aufwind

Nachdem Altair einige wichtige Automobilkunden gewonnen hatte, begann das Unternehmen, sich auf andere Märkte zu konzentrieren, insbesondere auf die Luft- und Raumfahrt. Einer der größten Erfolge von OptiStruct in der Luft- und Raumfahrt war das Airbus A380 Leichtbau-Projekt.

„Das Airbus-Strukturteam arbeitete mit unserem Consultingteam in Großbritannien zusammen, und sie hatten ein echtes Problem“, sagte Brennan. „Die A380-Flügelstruktur war viel zu schwer und das Flugzeug konnte nicht abheben. Sie hatten einige wichtige Fertigungsbedingungen zu berücksichtigen. Außerdem wollte Airbus nicht 13 verschiedene Flügelrippen haben, die von der Innen- zur Außenseite völlig unterschiedliche Topologien und Trägerstrukturen besaßen. Das wäre ein Albtraum für die Verkabelungsarbeiten.

Das OptiStruct-Team entwickelte eine Methode der Mustererkennung und -wiederholung, sodass wir eine modifizierte Lösung finden konnten, bei der jedes Flügelpaar ähnlich aussah, aber verschieden viele Löcher hatte. Für ein funktionierendes und herstellbares Modell brachte das den entscheidenden Unterschied.

Das Zusammenspiel zwischen Softwareentwicklung und deren Anwendung war einer der Hauptgründe, warum OptiStruct von Anfang an erfolgreich war. Die Flexibilität, eine Kundenanfrage direkt anzunehmen und manchmal über Nacht alles zu programmieren und die Lösung des Problems zu liefern, das sicherte Altair nicht nur den Ruf eines innovativen sondern auch eines ergebnisorientierten Unternehmens.“

Die ersten Anwender von OptiStruct waren im Vorteil. Altair konnte mit OptiStruct zahlreiche Erfolge bei großen OEMs verzeichnen. Aber auch kleine Kunden begannen, das Potenzial der Software als Wettbewerbsvorteil zu erkennen.

„Ich werde nie vergessen, wie ich einmal in der Nähe meiner Heimatstadt Kalamazoo Michigan bei einer Firma namens Nelson Metals war“, sagte Brennan. „Es war eine kleine Metallgießerei. Sie hatten einen echten Wettbewerbsvorteil gegenüber den anderen Gießereien, weil sie bei Konzeptbesprechungen auftauchten und sagten: ‚Wir können ein Bauteil 20 Prozent billiger produzieren, mit besserer Leistung und 30 Prozent leichter,‘ und die Leute fragten sich: ‚Wie habt ihr das gemacht?

Aufgrund dieser Aufgeschlossenheit hatten early Adopter einen großen Vorteil. Ich würde sagen, dass einige von ihnen noch heute im Vorteil sind, weil sie früher als alle anderen mit der Optimierung begonnen haben und seitdem wahrscheinlich ihre Konkurrenz überholt haben“.

Den Abgrund im Produktzyklus überwinden

Nachdem Jim Scapa und Altairs Management-Team den kommerziellen Erfolg von OptiStruct erkannten, stellten sie sich der nächsten Herausforderung, der Skalierung des Erfolges.

„Es gibt ein Buch namens ‚Crossing the Chasm‘ von Geoffrey Moore, in dem es im Wesentlichen um Technologien und den Lebenszyklus von Produkten geht“, sagte Scapa. „Es gibt einen anfänglichen Aufwärtstrend bei neuen Technologien, wobei Innovatoren und Trendsetter damit beginnen, das Produkt zu entdecken. Aber dann bei der Erreichung des Mainstream Marktes entsteht eine Kluft zwischen den neuen Technologien. Trotz der frühen Erfolge vieler Produkte ist es für reine Technologieunternehmen sehr schwierig, diesen Sprung in einen ausgereifteren und stabileren Markt zu schaffen. Für die meisten Produkte steht am Ende der tiefe Fall.

Ich sah, wie OptiStruct der Aufwärtskurve folgte und den Sprung über den Abgrund schaffte. Tatsächlich hat es lange gedauert, OptiStruct in der gesamten Branche der Produktentwicklung flächendeckend zu etablieren. Dazu mussten wir all diese Fertigungsrandbedingungen entwickeln, damit wirklich umsetzbare Bauteile produziert werden konnten. Und wir mussten die Ingenieur-Büros davon überzeugen, dass es sinnvoll ist, OptiStruct bereits in der Design Phase einzusetzen.“

1999 wurde OptiStruct Teil des neu entwickelten Unit-basierten Lizenzierungsmodells von Altair, bei dem Kunden einen Pool von universell einsetzbaren Tokens erwerben, die sie für jede beliebige CAE- Anwendung von Altair nutzen können. Zuerst war man zurückhaltend, vor allem in den Vertriebs- und Finanzteams, die einen Einnahmeverlust für OptiStruct befürchteten.

„Unser Hauptprodukt war HyperMesh, aber wir sahen OptiStruct ganz klar als große Chance“, sagte Scapa. „Mein Problem zu dieser Zeit war: Wie schaffe ich es, diesem neuen Produkt mehr Anziehungskraft zu verleihen? Da kam ich zum ersten Mal auf die Idee eines Unit-basierten Lizenzierungsmodells. Mit diesem Modell musste ich kein einzelnes HyperMesh mehr vertreiben und konnte stattdessen Units verkaufen, sodass Kunden direkten Zugriff auf OptiStruct hatten.

Auf diese Weise schaffte ich den Widerstand aus der Welt, der durch den Verkauf eines zweiten Produktes bei einem Kunden entstand, und ab da begann sich das Konzept auszuweiten. Das war großartig, denn hätte ich dies nicht getan, wäre OptiStruct wahrscheinlich nie über den Abgrund gekommen. Auf lange Sicht ist das Unit-Modell wahrscheinlich ein wichtiger Eckpfeiler unseres Unternehmenserfolges.“

Die Revolution der additiven Fertigung

„Die Technologie war schon immer richtig gut“, sagte Scapa. „Aber unsere Konkurrenz ließ lange Zeit die Finger davon. Sie wachten auf, als additive Fertigung an Bedeutung gewann. Es gab diesen großen Hype um additive- und Topologieoptimierung. Die Lösungen, die wir mit OptiStruct anboten, passten perfekt zur additiven Optimierung, da man nun Teile mit inneren Hohlräumen herstellen konnte, die alle möglichen Formen hatten. Etwas, das mit Guss- oder Stanzteilen oder anderen traditionellen Herstellungsverfahren nicht möglich war.“

Mit dem Aufkommen der additiven Fertigung kam auch der Wettbewerb auf den Markt. Damit kamen neue Herausforderungen für OptiStructs Vorherrschaft der Topologieoptimierung auf, gleichzeitig aber auch neue, spannende Möglichkeiten.

„Es gibt noch so viele Möglichkeiten da draußen“, sagte Brennan. „Zum Beispiel die Möglichkeit, einen digitalen Zwilling direkt mit einem 3D-Drucker zu verbinden und Formen schnell anzupassen und zu bewerten. Ersatzteile bei Verschleiß sind zum Beispiel eine große Chance für topologieoptimierte Strukturen. Sie bräuchten vielleicht nie mehr eine CAD-Datei für ein Teil von 1960, das ersetzt werden soll. Sie müssten nur Position, Volumen und Lastfälle kennen, und könnten schnell die ideale Form generieren, ausdrucken lassen und zum Beispiel bei Amazon über Nacht Ersatz erhalten. Das ist wie Science Fiction.

Komplexe Problemlösungen mit nichtlinearer Simulation

Weltweit gibt es mehr als 3.000 Unternehmen, die Altair OptiStruct verwenden. „Wir waren schon immer an vorderster Front der Simulation, und haben die Idee des simulationsgetriebenen Designs und die Möglichkeiten der durchgängigen Optimierung gefördert“, sagte Scapa. „OptiStruct hat in den letzten 25 Jahren einen weitreichenden Einfluss. Vermutlich hat das zur Entwicklung der Leichtbau-Bewegung beigetragen, die derzeit stattfindet.“

„OptiStruct hat Unternehmen verändert und sie maßgeblich in eine wettbewerbsfähigere Position gebracht, was heutzutage in einem globalen Markt schwer geworden ist“, sagte Brennan.

Obwohl OptiStruct viele Meilensteine erreicht hat, die in 1993 unmöglich erschienen, schaut das Altair Team weiter gespannt auf die potenzielle Entwicklung ihres Programms.

„Viele Menschen sind heute begeistert von Gitterstrukturen, neuen Materialkombinationen und Verbindungen von Topologie und Form – Dinge, die wir immer schon versucht haben, aber jetzt in einem nahtlos integrierten Prozess verwirklichen können“, sagte Scapa. „Wir fügen auch eine große Menge an nichtlinearen Simulationen zu OptiStruct hinzu. Wir haben viele der traditionellen linearen Analysen mit OptiStruct ersetzt und wollen jetzt das gleiche mit nichtlinearen Analysen tun. Das liegt zum großen Teil daran, dass die Optimierung in allen unseren Lösungen integriert ist.“

Auch maschinelles Lernen und das Internet der Dinge (IoT) bieten in Kombination mit moderner Strukturanalyse und Optimierung spannende Möglichkeiten.

„Wir beginnen mit einigen Projekten, bei denen wir KI und maschinelles Lernen in Kombination mit unserer Form- und Topologieoptimierung anwenden, um in der Lage zu sein, komplexere und extrem nichtlineare Probleme zu lösen“, sagte Scapa.

„Die Möglichkeit, Daten aus der Postproduktion vor Ort über die tatsächliche Funktionsweise zu übernehmen und diese zur Information der Digital Twins zu nutzen, hat großes Potenzial“, sagte Brennan. „Die Vorstellung, dass Ihre Topologie oder Ihre Designform ein lebendiges System ist, das durch Digital Twinning Rückmeldungen von seiner Umgebung erhält, erscheint mir unglaublich, aber ich hoffe, es wird schon bald zur Realität.“

Aus einfachsten Anfängen hat sich OptiStruct zu einem Vorreiter der Topologieoptimierung auf dem kommerziellen Markt entwickelt. In praktisch jeder Branche weltweit hat das Programm nicht nur Gewichtseinsparungen und Leistungsverbesserungen ermöglicht, die zuvor für unmöglich gehalten wurden, sondern auch grundlegend die Art und Weise geändert, wie Designer und Ingenieure bei ihrem Produktdesign vorgehen. Niemand weiß genau, was die Zukunft bringt – aber OptiStruct strebt danach, mit den Fortschritten in der Fertigung, Datenverarbeitung und Datenintelligenz Schritt zu halten, um so das Innovationsvermächtnis fortzuführen.