FEM, CFD und MKS-Simulationen im Ingenieurwesen: Berechnungen für neues Wissen.
Warum heute ohne Simulation kaum noch etwas geht
Produktentwicklungen bewegen sich in einem Spannungsfeld aus steigender Komplexität, kürzeren Time-to-Market-Zyklen und hohen Qualitäts- und Sicherheitsanforderungen. FEM, CFD und MKS sind deshalb zu Basistechnologien geworden: Sie liefern früh im Zyklus belastbare Aussagen zu Festigkeit, Lebensdauer, Strömung, Wärmehaushalt, Regelverhalten und Systemdynamik. Der unmittelbare Nutzen: weniger physische Prototypen, zielgerichtetere Tests, geringere Kosten sowie tiefere Einblicke in Vorgänge, die real nur schwer messbar sind – etwa lokale Spannungen in additiv gefertigten Strukturen, transienter Wärmeeintrag in Leistungselektronik oder Aeroelastik an leichten Tragflächen.
Gleichzeitig ist die Disziplin anspruchsvoller denn je. Zwei Faktoren stechen heraus: Erstens braucht es die richtigen Expertinnen und Experten mit Domänenwissen, denn Modellannahmen, Randbedingungen, Diskretisierung und Schutzmaßnahmen gegen numerische Artefakte entscheiden über die Validität. Zweitens bleibt die Interpretation der Ergebnisse schwierig. Auch in Zeiten automatisierter Workflows gilt: Ohne Verständnis für Physik, Messdaten und Fertigungsrealität entstehen falsche Schlussfolgerungen.
Wer erbringt solche Leistungen? Klassisch Ingenieurbüros und große Engineering-Anbieter, ergänzt um spezialisierte Simulationsplattformen, die nach Bedarf Ressourcen und Know-how bündeln. Damit lassen sich einfache Einzelanalysen ebenso abdecken wie breit gekopppelte Multiphysics-Themen.
Was wird mit Simulation gemacht – zwei Beispiele:
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Einfache, reproduzierbare Anwendungen: Lineare Statik einer Halterung inklusive Schraubenvorspannung, Sicherheitsnachweis gegen Fließen und Knicken, optional eine Modalanalyse zur Schwingungsentkopplung. Aufwand und Datenbedarf sind überschaubar, Ergebnisse sind schnell validierbar über einfache Musterteile und Dehnungsmessstreifen.
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Hochkomplexe Anwendungen: Voll gekoppelter Aero-Thermo-Chemo-Mechanik-Prozess an einer Hyperschall-Komponente, z. B. Erosion und Abbrand eines Graphitdüsenhalses unter kombinierter Strömungs-, Wärme- und Strukturbelastung. Solche Arbeiten koppeln CFD mit Reaktionschemie, Strahlungswärme, Materialabbau und Strukturantwort und liefern Einblicke, die ohne Simulation praktisch nicht zugänglich sind. Ein beispielhaftes Projekt beschreibt genau diese vollständig gekoppelte Aerothermoelastic-Ablationssimulation inklusive Solver-Kopplung zwischen Loci/CHEM, Abaqus und Materialmodellen. Ergänzend zeigt eine aktuelle NASA-Arbeit die Co-Simulation von CFD und Raumfahrt-Thermalmodellen für Instrumente mit kombinierten Wärmeübertragungsmechanismen – ein gutes Praxisbeispiel für produktionsnahe Multiphysics-Workflows.
Klassische Ingenieurbüros
Ingenieurbüros und klassische Engineering-Anbieter – Boutique statt Fließband
Ingenieurbüros punkten mit Nähe, Fachfokus und kurzen Wegen zu den jeweils relevanten Expertinnen und Experten. Im Boutique-Setting werden Aufgaben maßgeschneidert gelöst, meist mit hoher Seniorität und engem Sparring mit dem Entwicklungsteam des Kunden/Auftraggebers. In Deutschland zählen u. a. CIKONI als Leichtbau- und Composite-Spezialist, CADFEM Engineering Services als breiter CAE-Dienstleister rund um Ansys sowie IABG als großer Anbieter mit starkem Test- und Simulationsaufbau zu typischen Anlaufstellen. Die
Vorteile:
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Tiefe Expertise in Nischen, schnelle inhaltliche Verständigung, hohe Modelltreue bei klar umrissenen Aufgaben
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Ein Ansprechpartner mit Verantwortung, oft inklusive Versuchsanbindung
Nachteile:
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Kostenintensiv bei langen Iterationsschleifen
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Angebots- und Abstimmungsphasen können dauern, besonders bei unklaren Lastenheften
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Für jedes Spezialthema ist eine andere Person nötig, was Koordination bremst
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Risiken: Kapazitätsengpässe, Ausfall von Key-Consultants, begrenzte Skalierung bei plötzlicher Projektausweitung
Fazit: Nischenanbieter sind die richtige Wahl für hochgradig spezialisierte Aufgaben mit klarer Domänenorientierung – etwa komplexe Faserverbund- oder Aeroelastik-Themen, bei denen CIKONI und ähnliche Boutiquen ihren Mehrwert ausspielen.
Simulationsplattformen – Geschwindigkeit, Skalierung, Netzwerkeffekt
Ingenieurbüros und klassische Engineering-Anbieter – Boutique statt Fließband
Arbeitsweise: Simulationsplattformen bündeln Anfragen, übersetzen sie in klar definierte Work Packages und verteilen sie an ein kuratiertes Netzwerk aus Fachleuten und Kapazitäten. Das Operating Model erinnert an Fertigungsplattformen wie Xometry oder InstaWerk: Standardisierte Angebots- und Datenübergaben, automatisierte Pre-Checks, schnelle Rückläufe, Qualitätssicherung über definierte Review- und Validierungsstufen. Für Engineering heißt das: strukturierte Intake-Formulare, modellbasierte Templates, versionierte Modelle, reproduzierbare Workflows und skalierbare Rechenkapazität in der Cloud. Der extremste Case ist aktuell FiniteNow.com, die sogar die Angebotserstellung automatisiert haben, so dass Angebot in Minuten erstellt werden.
Vorteile:
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Deutlich höhere Geschwindigkeit bei Angebot und Projektstart
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Kostenvorteile durch Skaleneffekte, Wiederverwendung von Templates und flexible Auslastung
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Zugang zu einem breiten Expertennetzwerk vom Alltags-CFD über Topologieoptimierung bis zu Co-Simulationen
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Transparenz: Standardisierte Deliverables, nachvollziehbare Revisionsstände, optionale Prüf- und Validierungspakete
Nachteile:
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Weniger persönliches Boutique-Gefühl
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Bei extremen Spezialthemen kann die Onboarding-Phase für spezielle Modelle oder Prüfvorschriften länger dauern
Fazit: Für alle Aufgaben außerhalb seltener Nischenspezialitäten ist der Plattformansatz zeitgemäß und meist die bessere Wahl – schneller, kosteneffizienter und durch den Netzwerkeffekt robuster in der Abwicklung. Der Vergleich mit Fertigungsplattformen zeigt, wie stark standardisierte Angebots- und Lieferprozesse am Ende die Time-to-Insight verkürzen.
Freelancer-Plattformen wie Upwork oder Fiverr
Günstig, aber riskant
Freelancer-Marktplätze sind unschlagbar günstig und schnell. Allerdings sind viele Profile auf generische IT- oder Kreativthemen zugeschnitten, während qualitativ abgesicherte FEM, CFD oder MKS Erfahrung selten konsistent nachweisbar ist. Skalierung, Review und Qualitätssicherung sind eingeschränkt, was die Reproduzierbarkeit und Auditierbarkeit von Ergebnissen betrifft. Das Ergebnisrisiko ist entsprechend hoch: Eine schwache Simulation spart kurzfristig Budget, kostet aber später Zeit und Vertrauen, wenn sich Annahmen im Test oder Feldversuch als falsch herausstellen. Fazit: Hochrisikospiel mit spekulativem Charakter – in sicherheitskritischen oder kostenintensiven Projekten nicht zu empfehlen.
Zusammenfassung und Ausblick:
Beschaffung von Simulationen neu denken
Simulation ist kein Nice-to-have mehr, sondern ein Produktivwerkzeug für Entscheidungen unter Zeit- und Kostendruck. Klassische Ingenieurbüros liefern in eng umrissenen Nischen exzellente Qualität, stoßen aber bei Skalierung, Verfügbarkeit und Takt oft an Grenzen. Plattformmodelle kombinieren Geschwindigkeit, Preistransparenz und Zugang zu breitem Expertenwissen und eignen sich damit für den größten Teil industrieller Use Cases. Freelancer-Marktplätze bleiben eine Budgetoption mit hoher Varianz und schwieriger Qualitätssicherung. Entscheidend ist weniger das Toolset als Governance: belastbare Randbedingungen, validierte Material- und Lastdaten, nachvollziehbare Reports, Reproduzierbarkeit und IP-Sicherheit.
Der Blick nach vorn: Die Wertschöpfung verschiebt sich vom Einzellauf zur industriellen Pipeline. KI-gestützte Pre-Checks, automatische Vernetzung und Template-Bibliotheken verkürzen die Angebotsphase. Model Order Reduction und Co-Simulation beschleunigen virtuelle Versuche bis hin zu echtzeitfähigen Zwillingen für HIL-Prüfstände. Cloud-HPC und standardisierte Datenräume schaffen Skalierung, während Regulatorik und Nachhaltigkeitsberichte höhere Nachweisqualität verlangen. Wer heute seine Beschaffungswege professionalisiert, schafft ein Fundament für kontinuierliche, auditierbare und kosteneffiziente Simulationsarbeit.
Wer Simulationsergebnisse wie Produkte beschafft und betreibt - mit klaren Standards, messbaren Zielen und skalierbaren Partnern - reduziert Risiko, senkt Kosten und steigert Time-to-Insight. Der moderne Default ist der Plattformansatz. Für hochspezialisierte Ausnahmefälle bleibt das Boutique-Team die präzise Nadel im Heuhaufen.
Quellen
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Vollständig gekoppelte Multiphysics-Simulation eines abtragenden Graphitdüsenhalses mit Aero-Thermo-Chemo-Mechanik-Kopplung, inkl. Solver-Kopplung Loci/CHEM und Abaqus. ntrs.nasa.gov
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NASA 2024: CFD–Thermal Co-Solver-Workflow für Raumfahrtinstrumente, Co-Simulation von Konvektion, Leitung und Strahlung. ntrs.nasa.gov
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Xometry Europe – On-Demand-Fertigung mit Sofortangeboten, analoges Plattformprinzip. Xometry Europe
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InstaWerk – CNC-Fertigungsplattform mit Sofortpreis und digitalem Beschaffungsprozess. instawerk.de
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CIKONI – spezialisiertes Ingenieurbüro für Leichtbau und Verbundsimulation. cikoni.com
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CADFEM – CAE-Dienstleistungen und Auftragsberechnung rund um Ansys. CADFEM
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IABG – Test und Simulation, u. a. Hochdynamiksimulation. iabg.de+1
„Ich kann den hervorragenden Service, den ich von Ihrem Unternehmen erhalten habe, gar nicht genug loben. Ihr Team hat alles Menschenmögliche getan, um unsere Bedürfnisse zu erfüllen, und unsere Erwartungen übertroffen.“
Oliver Hartman, Leiter Vorentwicklung hydrodynamsicher
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