Computer Aided Design

Bedeutende Fortschritte in der Computertechnologie führten zu leistungsstarken Engineering-Analysetools. Mit diesen Tools lassen sich mittlerweile auch nicht alltägliche Probleme lösen.

Auf diese Weise können selbst kleinste Elemente sehr detailreich modelliert werden. Die Betrachtungsweise ist eine völlig neue: Man lässt die Welt der flachen 2D-Zeichnungen oder der 3D CAD Modelle hinter sich. Primär werden die Simulationen zum Testen von Entwürfen verwendet, um die Reaktion und das Verhalten von Materialien besser zu verstehen, die für das menschliche Auge unsichtbar sind. Ziel dieser Simulationen ist eine umfassende, virtuelle Realitätserfahrung, welche der Benutzer tatsächlich aufnehmen und nutzen kann. So lassen sich die inneren Abläufe des Materials am besten erfassen.

Ein bedeutender Vorteil für die Nutzung in der Medizin ist, dass die verborgene Welt des menschlichen Körpers greifbar wird.

Die Technologie kann das Kleine und Verdeckte für Chirurgen, Ärzte und Pharmaunternehmen stark vergrößern und interaktiv gestalten. Größter Sinn und Nutzen ist die Erschließung des menschlichen Körpers und die Wiederherstellung der Hauptkörpersysteme für medizinische Ausbildungs- und Schulungszwecke.  Schon bald können realistische Modelle und Simulationen der Hauptorgane im Körper geschaffen werden. Die Modelle werden eingesetzt, um Chirurgen auszubilden und neue chirurgische Verfahren auszuarbeiten.  Das war bereits beim bisher erfolgreichsten „Living Heart Project“ von Entwicklern der Dassault Systèmes – dem Schöpfer des Simulia-Brand für Engineering-Softwaretechnologie der Fall.

Jeder Medizinstudent kennt die Herausforderungen, die Feinheiten der menschlichen Anatomie zu erlernen.  Die neue Welt der lebendigen, dynamischen Simulations- und Entwicklungsmodelle in interaktiven, „holografischen“ 3D-Räumen ermöglicht ein schlagendes Herz von verschiedenen Blickwinkeln aus zu betrachten und Teile davon zu sezieren.  So wird zum Beispiel die Wirksamkeit von Medikamenten bewertet. Das menschliche Herz ist ein guter Ausgangspunkt, da es sich beim Herzen buchstäblich um eine mechanische Pumpe handelt, die viele komplexe bewegliche Teile sowie eine extrem komplizierte Fluidströmungsdynamik besitzt. In diesem Sinne ist sie tatsächlich eine Maschine, die während ihres Betriebs zerlegt werden muss, um das Innenleben und die Funktionalität zu begreifen.

Natürlich hat dieses Anwendungsgebiet seine ganz eigenen medizinischen Vorzüge für z.B. die gezielte Medikamentenabgabe, jedoch gibt es auch viele andere potentielle Einsatzmöglichkeiten. Diese Art von Simulation und Visualisierung ist den Material-Simulationen sehr ähnlich. Sie wurde entwickelt, um atomare Prozesse zu simulieren und zu visualisieren. Die Simulationen werden in der Medizin- und Arzneimittelentwicklung verwendet, um eine gezielte Medikamenten- und Arzneimittelzufuhr zu spezifischen Zellen auf der Molekularebene zu simulieren.  Eine solche Simulation ist von unschätzbarem Wert, da sie Arzneimittelentwickler dazu befähigt, die spezifisch ausgerichteten Arzneizufuhrsysteme zu optimieren.   So kann das Medikament genau zu der zellulären Position befördert werden, wo es am wirksamsten ist.  Diese gezielten Zufuhrsysteme können die Nebenwirkungen spezifischer Medikamente reduzieren, indem die geforderte Dosis gesenkt und so Wege für völlig neuer Arzneimitteltherapien eröffnet werden.  Die mathematischen und rechnergestützten Methoden zur Modellierung der molekularen Wechselwirkungen bestanden bereits zuvor. Jedoch können jetzt die meisten dieser Berechnungen, die hierzu erforderlich sind, mühelos gehandhabt und eingesetzt werden, um detaillierte Simulationsmodelle zu erstellen.

In Materialien mit Nano-Beschichtung, bei denen die Beschichtungen und die Gitterstrukturen streng kontrolliert werden müssen, können individuelle Fehlstellungen und Diffusionsprozesse nun simuliert und visualisiert werden.  Das geschieht bereits vor dem eigentlichen Nano-Beschichtungsverfahren. Alle Aspekte der Entwicklung der molekularen Wechselwirkungen des Materials können simuliert und in den Makro-Maßstab gesetzt werden, um mehr über die tatsächlichen Prozesse zu erfahren.

Auch andere entwicklungstechnische Bereiche ziehen einen großen Vorteil aus den neuen Feldern der interaktiven, dynamischen Simulationen. Sehr detaillierte, dynamische Unfall-Simulationen werden verwendet, um jeden Aspekt der Unfall-Systeme von Fahrzeugen zu optimieren und zu entwerfen. Diese Simulationen werden insbesondere im Bereich der Optimierung mit modularen Geräten auf Baugruppenebene ausgeführt. So können verschiedene Analysen immer wieder vorgenommen werden, um jeden Abschnitt der gesamten Baugruppe zu optimieren. Das Endergebnis ist ein vollständig optimiertes Teil.  Es werden detaillierte Animationen erstellt, um die vollständige Korrelation der Validierungen im Vergleich zu den realen Tests zu belegen. Dabei wird das Modell für die Nutzung in anderen Analysen validiert und die Anzahl kostspieliger Prüfungen reduziert, die ausgeführt werden müssten.  Zusammengefasst bedeutet dies ein besser entwickeltes, wirtschaftlicheres und sichereres Fahrzeug.

Die goldene Ära der Entwicklungssimulation und des Modellbaus hat dank der Fortschritte in der rechnergestützten Technologie bereits im letzten Jahrzehnt begonnen.  Die Welt der kleinen und verborgenen sowie der großen und dynamischen Elemente wird sichtbar und immer deutlicher. Deren Ergebnisse sind aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken.