CAE – Computer-Aided Engineering

CAE (Computer-Aided Engineering) bezeichnet den rechnergestützten Einsatz von Software, um das physikalische Verhalten von Bauteilen, Baugruppen oder ganzen Systemen schon vor der Fertigung zu simulieren, zu berechnen und zu bewerten. Anstatt Prototypen mehrfach physisch zu bauen und zu testen, prüfen Ingenieure am digitalen Modell, ob ein Entwurf Belastungen standhält, sich thermisch korrekt verhält oder strömungstechnisch optimal ausgelegt ist.

CAE ist damit ein zentraler Baustein der digitalen Produktentwicklung und steht zwischen der geometrischen Konstruktion und der späteren Fertigung. Im Zusammenspiel mit konstruktions- und produktionsnahen Systemen liefert CAE Erkenntnisse, die früh im Entwicklungsprozess Kosten senken und die Produktqualität absichern.

Funktionsweise und Grundprinzip

CAE arbeitet mit numerischen Verfahren, die kontinuierliche physikalische Probleme in berechenbare Teilprobleme zerlegen. Das bekannteste Verfahren ist die Finite-Elemente-Methode (FEM): Das digitale Bauteil wird in ein Netz vieler kleiner Elemente unterteilt, für die jeweils Gleichungen zu Spannung, Dehnung oder Verformung gelöst werden. Ergänzend kommen die numerische Strömungsmechanik (CFD) für Fluide und Gase, Mehrkörpersimulation (MKS) für bewegte Mechaniken sowie thermische und elektromagnetische Analysen zum Einsatz.

Grundlage jeder CAE-Berechnung ist ein geometrisches Modell, das in der Regel aus einem CAD-System stammt. Auf diese Geometrie werden Materialeigenschaften, Lasten, Lagerungen und Randbedingungen aufgebracht. Der Solver berechnet daraus das Verhalten, das anschließend visuell und quantitativ ausgewertet wird. CAE liefert somit keine Geometrie, sondern eine Bewertung und Optimierung bestehender Entwürfe.

Ablauf und Bestandteile

Ein klassischer CAE-Durchlauf gliedert sich in drei Phasen. Im Pre-Processing wird das Modell aufbereitet: Vernetzung, Zuweisung von Werkstoffkennwerten sowie Definition von Lasten und Einspannungen. Die Qualität dieser Vorbereitung entscheidet maßgeblich über die Aussagekraft der Ergebnisse.

Im Solving löst der Berechnungskern die zugrunde liegenden Gleichungssysteme, häufig rechenintensiv und auf leistungsstarker Hardware oder in der Cloud. Im abschließenden Post-Processing werden die Ergebnisse als Farbverläufe, Diagramme oder Animationen dargestellt, etwa Spannungsverteilungen oder Verformungen. Typische Bestandteile einer CAE-Umgebung sind also Vernetzer, Solver, Materialdatenbanken und Auswertungswerkzeuge.

Relevanz im ERP- und Systemkontext

CAE ist selbst kein ERP-Modul, steht aber in einem engen Datenverbund mit produktionsnahen Systemen. Die in der Konstruktion und Simulation entstehenden Informationen fließen über das PLM in die unternehmensweite Datenhaltung ein und bilden die Brücke zwischen Entwicklung und betriebswirtschaftlicher Steuerung. Bestätigt die Simulation einen Entwurf, werden Bauteile, Werkstoffe und Varianten als Stammdaten weitergereicht.

Konkret beeinflussen CAE-Ergebnisse die Stücklisten und damit Beschaffung, Disposition und Kalkulation im ERP. Wird durch eine Topologieoptimierung Material eingespart oder ein Werkstoff gewechselt, ändern sich Mengen, Kosten und gegebenenfalls Lieferanten. In Branchen mit hohem Variantenanteil verbindet sich CAE zudem mit der Variantenfertigung, weil simulationsgestützte Auslegungen kundenspezifische Ausprägungen absichern.

Praxisbeispiel

Ein Hersteller von Pumpengehäusen entwickelt eine neue Baureihe. Die Konstruktion erstellt das 3D-Modell im CAD-System; die CAE-Abteilung führt eine FEM-Analyse durch, um die Druckfestigkeit unter Betriebslast zu prüfen, und ergänzt eine CFD-Simulation zur Strömungsoptimierung. Die Berechnung zeigt eine Spannungsspitze an einer Verrippung, die daraufhin verstärkt wird.

Erst nach bestandener Simulation wird ein physischer Prototyp gefertigt. Die finale Geometrie, die geänderten Wandstärken und der angepasste Werkstoff gelangen über das PLM in die Stückliste und stehen so dem ERP für Kalkulation und Beschaffung zur Verfügung. Mehrere kostspielige physische Iterationen entfallen.

Auswahl- und Umsetzungshinweise

Bei der Einführung von CAE sind weniger einzelne Werkzeugfunktionen entscheidend als die durchgängige Datenkette. Wichtig sind eine verlustarme Übernahme der CAD-Geometrie, gepflegte Materialdatenbanken sowie eine geregelte Rückführung von Ergebnissen in PLM und ERP. Ohne sauberes Engineering-Change-Management droht, dass simulationsbedingte Änderungen nicht konsistent in den nachgelagerten Systemen ankommen.

Bekannte Lösungen im Markt sind beispielsweise Ansys, Siemens Simcenter, Dassault Systèmes Simulia (Abaqus), Altair HyperWorks oder MSC Software. Diese Beispiele sind rein illustrativ und ohne Wertung zu verstehen; die passende Auswahl hängt von Branche, Simulationsart und vorhandener CAD- und PLM-Landschaft ab. Zudem erfordert CAE qualifiziertes Personal, da Modellierungsannahmen und Ergebnisinterpretation Erfahrung voraussetzen.

Abgrenzung zu benachbarten Begriffen

CAE wird oft mit verwandten Disziplinen verwechselt. Während CAD die Geometrie erzeugt, bewertet CAE deren physikalisches Verhalten. CAM wiederum erzeugt aus der Geometrie die Steuerdaten für die Fertigung. CAE ist somit die analysierende Brücke zwischen Entwurf und Produktion und überschneidet sich inhaltlich mit der Berechnung, nicht mit der reinen Datenerzeugung oder Maschinensteuerung.

Verwandte Themen

• CAD – Computer-Aided Design
• CAM – Computer-Aided Manufacturing
• CIM – Computer-Integrated Manufacturing
• PLM – Product Lifecycle Management
• ERP für Automobilzulieferer

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