Generation Simulation
Der hervorragende Ruf österreichischer Ingenieure und Ingenieurinnen kommt nicht von ungefähr. Er ist das Ergebnis eines besonderen Ausbildungssystems für den technischen Nachwuchs, mit den Höheren Technischen Lehranstalten (HTLs) als Kernstück. Sie stellen schon früh die Weichen für den Ingenieurberuf und bringen Jahr für Jahr 8.000 qualifizierte junge Menschen hervor.
Der versierte Umgang mit digitalen Werkzeugen gehört zur Ausbildung. Bei der Simulation werden die HTLs auf Initiative des Bundesministeriums für Bildung, Wissenschaft und Forschung von Ansys und CADFEM Austria unterstützt.
Mit ihren 3.500 Auszubildenden zwischen 14 und 19 Jahren ist die HTL Mödling die größte Schule in Österreich. Damit ist sie auch die größte der landesweit rund 70 HTLs, die unter Federführung des Bundesministeriums für Bildung, Wissenschaft und Forschung (BMBWF) eine 5-jährige zukunftsorientierte Technikausbildung anbieten, mit der das Land erfolgreich einen eigenen Weg geht. Er bereitet den technischen Nachwuchs in unterschiedlichsten Fachgebieten auf den Einstieg in die berufliche Praxis oder auch auf ein naturwissenschaftliches Bachelor- oder Masterstudium vor.
Berufseinstieg oder akademische Laufbahn – diese Optionen haben dann jährlich rund 8.000 gut ausgebildete Absolventinnen und Absolventen der HTLs, von denen die meisten noch nicht einmal 20 Jahre alt sind. Mit diesem Konzept stellt das BMBWF sicher, dass Industrie, Wissenschaft und Forschung technische Fachkräfte bekommen, um wettbewerbsfähig zu bleiben und für Zukunftsthemen wie Klimawandel, Digitalisierung oder Smart Factories gerüstet zu sein.
Mag. Karoline Meschnigg, Leiterin Berufsbildende Schulen, Schulversuche, Schulaufsicht Zentrallehranstalten, Umsetzung europäischer Berufsbildungspolitik, Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft und ForschungAls österreichischem Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft und Forschung liegt uns eine Top-Ingenieurausbildung sehr am Herzen. Simulation zielgerichtet einzusetzen, gehört heute dazu. Die Ausstattung aller HTLs mit Ansys Simulationssoftware in Verbindung mit der professionellen, lokalen Unterstützung seitens CADFEM Austria ist deshalb ideal.
Dass für diese Aufgaben neben fundiertem Fachwissen auch digitale Technologien notwendig sind, steht für die Verantwortlichen außer Frage. Alle HTLs sind deshalb mit einer entsprechenden IT-Infrastruktur ausgestattet. Bei den Anwendungen setzt das BMBWF auf Partnerschaften mit Softwareanbietern: Das Ministerium als Träger und die HTLs als Nutzer profitieren so von einer kostengünstigen und flächendeckenden Verfügbarkeit an erstklassigen Digitallösungen.
Erlernt und genutzt werden sie nicht nur von den Auszubildenden. Auch die Lehrkräfte zeigen großes Interesse, schließlich können sie so ihren Unterricht viel besser auf die industrielle Realität, sprich: den Bedarf der Wirtschaft und der universitären Ausbildungsstätten ausrichten. Die Anbieter ihrerseits stellen mit der Kooperation sicher, dass ihre Lösungen von den jungen Leuten beherrscht und nach dem Eintritt in den Beruf effizient eingesetzt werden.
Herr Lang, warum sind Simulationen an der HTL Weiz Teil des Unterrichts?
Aus pädagogischer Sicht machen numerische Simulationen Sinn, um mechanisches Bauteilverhalten in Form von Bildern und Videos sichtbar zu machen - Spannungen, Verformungen, Eigenfrequenzen und -formen oder auch Strömungsvorgänge. Wir wollen so die Motivation der Schülerinnen und Schüler wecken, selbst numerische Analysen durchzuführen.
Simulationen sind nicht trivial. Was stellen Sie sicher, dass die Auszubildenden nicht überfordert werden?
Der Einstieg in die numerische Simulation sollte durch Bearbeitung möglichst einfacher Aufgabenstellungen erfolgen, bei denen das mechanische Verhalten leicht nachvollziehbar ist. Ideal sind Anwendungsbeispiele, für die analytische Berechnungen einfach zugänglich sind bzw. im Fachtheorieunterricht ohnehin gerechnet werden. Oder solche, bei denen die durchgeführten Simulationen durch einfache physikalische Experimente überprüft werden können. Beispielsweise kann das Prinzip der Simulation gut anhand von Balken oder einfachen Stabfachwerken erklärt werden.
Nicht alles ist Mechanik. Wie führen Sie die jungen Leute an Strömungssimulationen vor?
Im Bereich der Hydromechanik können als Einstieg in die numerische Strömungssimulation einfache Rohrsysteme dienen. Auch hier sollte mit möglichst einfachen Geometrien gestartet werden, damit das strömungsmechanische Verhalten durch analytische Nachrechnung verifiziert werden kann, z.B. mittels VDI Wärmeatlas. Für alle Anwendungsgebiete gilt: Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass die Lernenden die Anwendung der Simulationssoftware anhand einfacher Geometrien kennenlernen und Sicherheit in der Bewertung von Simulationsergebnissen erlangen. Sie sollen mit unterschiedlichen Parametern experimentieren und so einen spielerischen Zugang zur numerischen Simulation finden.
Schlüsselkompetenz Simulation
Einer dieser digitalen Helfer ist die numerische Simulation. Simulationen helfen, das physikalische Verhalten künftiger Produkte anhand eines digitalen Modells am Bildschirm zu untersuchen, zu verstehen und zu verbessern. Simulationen geben schnelle und genaue Antworten auf unterschiedlichste Fragestellungen und sind die digitale Alternative zu Trial-and-Error, Handrechnungen, Bauchgefühl oder teuren und zeitintensiven Prototypentests.
Bis in die jüngere Vergangenheit war ihre Verwendung eher Spezialisten mit Zusatzqualifikation vorbehalten. Das hat sich geändert. Mit der digitalen Transformation wandelt sich die Simulation immer mehr zu einer Kompetenz, die Ingenieure oder Technikerinnen zumindest in Grundzügen mitbringen. Verstärkt wird dieser Trend zur „Demokratisierung der Simulation“ durch eine neue Generation an Softwaretools, deren Einsatz intuitiv ist und mit modernen Schulungskonzepten zügig erlernt werden kann. Deshalb haben Simulationen eine enorme Aufwertung im Ausbildungskonzept der HTLs erfahren, die ihrerseits in der Ingenieurausbildung wieder einmal ein starkes Zeichen setzen.
Ansys Software und CADFEM Services
Realisiert wurde dieser Schritt über den Abschluss einer Partnerschaft des BMBWF mit Ansys, Inc. und der CADFEM Austria GmbH. Ausschlaggebend waren für das BMBWF einerseits die hohe Verbreitung und Bandbreite der Ansys-Software, die lokale Präsenz von CADFEM in Österreich - zur Simulation im Allgemeinen und zu Ansys im Speziellen sowie die Absicht des BMBWF die Digitalisierungskompetenz der Absolventinnen und Absolventen der HTLs im Bereich der Simulation zu stärken. Erleichtert wurde dieses Vorhaben auch dadurch, dass einige HTLs in der Vergangenheit Ansys bereits im Unterricht verwendet hatten und aufgrund ihrer Erfahrungen die Konstellation „Ansys plus CADFEM Austria“ auch für die gesamtheitliche Implementierung unter dem Dach des BMBWF empfohlen haben.
Ansys stellt im Rahmen der langfristig ausgerichteten Partnerschaft eine Ansys Academic Multiphysics Campus Wide Solution zur Verfügung. Damit haben alle Auszubildenden und Lehrenden an sämtlichen HTLs Zugriff auf das gesamte Spektrum der Ansys Simulationswelt, fortlaufend und unkompliziert mit einer simplen Online-Anmeldung. Zudem kann das digitale Lernangebot von Ansys aus 290 Kursen unbegrenzt genutzt werden.
Herr Trummer, an der HTL Eisenstadt gehört Ansys schon seit Jahren zur Ausbildung. Wie führen Sie die Jugendlichen an das Thema heran?
Es hat sich bewährt, in den vierten Klassen mit den Schülern an von ihnen konstruierten Bauteilen und Baugruppen linear-elastische Festigkeitsberechnungen durchzuführen. Der nächste Schritt sind Modalanalysen, um über die Berechnung von Eigenfrequenzen frühzeitig einen ruhigen Betrieb sicherzustellen.
Wie geht es dann weiter?
Darauf aufbauend rücken typische Aufgabenstellungen aus der Flugtechnik in den Fokus: So werden mit Hilfe der Topologieoptimierung Bauteile gewichtsoptimiert, um sie wirtschaftlich in Flugzeugen verbauen zu können. In den fünften Klassen kommen nichtlineare Festigkeitsberechnungen sowie Strömungsberechnungen im Unterschall- und Überschallbereich hinzu.
Ab wann kommen die erlernten Fähigkeiten zum Tragen?
Die HTL Eisenstadt hat beim Jugend Innovativ Wettbewerb immer wieder erste Plätze geholt. Unsere Auszubildenden im Bereich Flugtechnik haben auch durch den Einsatz von Ansys Fluent ihr Produkt verbessert und sich so entscheidende Vorteile geschaffen. Die Leistungen waren durchaus auf dem Niveau von Hochschulen und besonders umfangreiche Berechnungen wurden auf dem Vienna Scientific Cluster (VSC) durchgeführt.
Zwischen CADFEM Austria mit Niederlassungen in Wien und Innsbruck und dem BMBWF gab es in den letzten Jahren immer wieder Berührungspunkte. CADFEM Austria gehört zur CADFEM Group, einem weltweit aktiven Spezialisten für Simulation und Digital Engineering.
Das Unternehmen ist in der österreichischen Engineering-Community sehr bekannt. Als lokaler Partner bringt CADFEM Austria ein ergänzendes Serviceangebot in die Partnerschaft ein, das die effiziente Nutzung der Ansys Software an den beteiligten HTLs gewährleistet. Dazu gehören Schulungsangebote für Studierende und Lehrkräfte – vor Ort, online oder in Form von eLearning-Kursen, Anwendersupport und Beratungsleistungen sowie die Übernahme von Lehraufträgen durch eigene Spezialisten.
Johannes Raitmair MSc, CTO, CADFEM (Austria) GmbHDie Wichtigkeit digitaler Kompetenzen in der Ingenieurausbildung kann gar nicht hoch genug bewertet werden. Die HTLs setzen hier wieder einmal Maßstäbe. Dass wir dabei auf unserem Gebiet, der Simulation, mitwirken dürfen, macht uns stolz. Übrigens auch deshalb, weil viele Mitarbeitende von CADFEM Austria eine eigene HTL-Vergangenheit haben.
