Rechnergestützte Entwicklung
Rechner-Unterstützung von Arbeitsprozessen in der Technik
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Unter rechnergestützter Entwicklung (englisch Computer-Aided Engineering (CAE)) versteht man eine Vielzahl von Methoden und Verfahren, die seit ca. den 1970er Jahren mit der Verbreitung von Computern und Software genutzt werden. Zeitgleich haben sich Computernetzwerke und digitalen Speichermedien entwickelt, die diese Entwicklungen erst ermöglicht haben. Die Grundlage bildet dabei die Elektronische Datenverarbeitung (EDV). Dabei spielt das massenhafte Verfügbarwerden der Geräte in Unternehmen und Instituten eine entscheidende Rolle. Im gleichen Zuge haben sich auch andere Technologien durch rechnergestützte Verfahren und Geräte verändert, z. B. die Messtechnik oder Automatisierungstechnik.
Die rechnergestützter Entwicklung hat ältere Konstruktionsabteilungen (vgl. auch Technisches Zeichnen) größtenteils abgelöst. In gleichem Maße werden Computer auch für die Forschung genutzt. Dabei spricht man jedoch kaum von rechnergestützter Forschung, sondern spricht eher von Modellierung und Simulation oder Computersimulation. Beides wird innerhalb von Forschung und Entwicklung genutzt.
Für all diese Anwendungen kamen zunächst dedizierte Workstations, beispielsweise von Sun Microsystems oder Silicon Graphics, in Frage, später dann massenhaft Computer (PCs, Desktop-PCs oder Notebooks). In großen Einrichtungen finden sich auch heute noch Mainframes, Cluster oder Supercomputer.
Eine rechnergestützte Entwicklung wird von geeigneten (modernen) Entwicklungsmethoden wie dem Systems Engineering, Software Engineering und Hardwaredesign (Mechanik und Elektrik/Elektronik) begleitet. Diese ermöglichen die Lösung komplexer Probleme und die Herstellung neuer Systeme und Produkte.[1]
Geschichte
Das Thema rechnergestützter Entwicklung wurde zunächst pauschal als Computer-Aided Design (CAD) um die 1990er Jahre bekannt.[2][3][4] Beinahe zeitgleich entstand der Begriff Computer-Aided Engineering (CAE).[5] Während der erste Begriff heute vornehmlich für die Konstruktion von Mechanik und Geräten verwendet wird, ist der zweite weiter gefasst und betrifft alle Entwicklungen aus den Ingenieurwissenschaften, die Computer und Software nutzen.
Einige dieser Entwicklungen gehen auf die Wehrtechnik zurück. Für Berechnungen wurde stets Rechenleistung beansprucht. Die ersten für militärische Zwecke gebauten Rechenmaschinen stammen aus den 1940er Jahren, darunter der ENIAC und seine Nachfolger. Der Torpedovorhaltrechner war hingegen eine auf ihren Einsatzzweck spezialisierte Rechenmaschine, nicht jedoch für die Entwicklung.
Die Software oder computerbasierten Anwendungen in der rechnergestützter Entwicklung sind in der Regel hochspezialisiert für ihren Aufgabenbereich, beispielsweise für das Elektronikdesign von integrierten Schaltungen (ICs) mit Programmen wie vom Mentor Graphics. Eine weitere Möglichkeit ist die Nutzung zur Simulation, wie im Falle von Matlab oder Simulink und anderen Produkten. Die Entwicklung von Elektronik und Mikroelektronik, z. B. ICs oder Radio-Chips[6], ist unter dem Fachbegriff Electronic Design Automation (EDA) bekannt.
Teilgebiete
Die folgenden Themen (Auswahl) werden pauschal zur rechnergestützte Entwicklung gezählt:
Fachgebiete
- Building Information Modeling (BIM)
- Computer-Aided Design (CAD), speziell für die Mechanik-Konstruktion[7]
- Computer-Aided Engineering Design (CAED), synonym CEA/CAD
- Computer-Aided Manufacturing (CAM)[8]
- Computer-Aided Process Engineering (CAPE)
- Computer-Aided Process Planning (CAPP)
- Electronic Design Automation (EDA)
- Computer-Aided Quality (CAQ)
- Allgemein: System Engineering (Fachdisziplin)
Spezielle und verwandte Teilgebiete
- Computer-Aided Architectural Design (CAAD)
- Computer-Aided Facility Management (CAFM)
- Computer-Aided Software Engineering (CASE)
- Computer-Aided Innovation (CAI)
- Computer-Aided Planning (CAP)
- Computer-Aided Styling (CAS)
- Computer-Aided Standardisation (CAS)
- Computerbasierter Journalismus
- Computer Integrated Manufacturing (CIM)
- Computerized Numerical Control (CNC)
- Design of Experiments
- Digital Engineering
- Digital Mock-Up (DMU), d. h. Ein- und Ausbauuntersuchungen, Kollisionsprüfungen und Baubarkeitsprüfungen
- Diskretisierungssoftware (Erstellung von Berechnungsgittern)
- Electrical Computer Aided Engineering (ECAE), synonym zu EDA
- Ergonomieanalyse (Human Modeling)
- Fluid Structure Interaction (FSI, Fluid-, Struktur- und thermische Koppelung)
- Kinematik- und Starrkörpersimulationen
- Prozessautomatisierung
- Rapid Prototyping
- Rechnergestütztes Betriebsleitsystem
- Rechnergestütztes Einheitliches Mess- und Prüfsystem
- Simulationsdatenmanagement
- Simulation von komplexen dynamischen Systemen (Systemsimulation und Virtuelle Inbetriebnahme)
- Software-definierte Fahrzeuge
- Software-definierte Gebäude
- Software-definierte Verteidigung
- Wissensbasierte Systeme
Simulation
- Agentic Design Patterns
- Chemoinformatik
- Computerchemie (Teilgebiet der Theoretische Chemie)
- Computerphysik
- Computersimulation
- Digitaler Zwilling
- Elektroniksimulation (Spice u. a.)
- Elektromagnetismussimulationen als Teil der Computerphysik mittels verschiedener Verfahren wie FEM, FDTD, FIT und verschiedener Software von Ansys oder Comsol Multiphysics
- Hardware in the Loop (HIL), vgl. auch SIL
- Mechanische Beanspruchung von Bauteilen und Baugruppen (mittels FEM)
- Mehrkörpersimulation
- Numerische Simulation (vgl. auch numerischen Mathematik)
- Simultaneous Engineering
- Software in the Loop (SIL), vgl. auch HIL
- Statistische Simulationen (vgl. Design for Six Sigma)
- Strömungssimulationen (vgl. Numerische Strömungsmechanik)
- Strahlungssimulation
- Systemsimulation z. B. mittels SysML, SystemC, SystemVerilog
- Thermische Simulationen (mittels FEM und CFD)
- Virtuelle Realität (VR)
Siehe auch
Literatur
- Steven M. Rubin: Computer Aids for VLSI Design (= The VLSI Systems Series). Addison-Wesley, 1987, ISBN 0-201-05824-3 (englisch, Online).
- Frederick P. Brooks: The Design of Design. Essays from a Computer Scientist. Addison-Wesley, Upper Saddle River, NJ 2010, ISBN 978-0-201-36298-5 (englisch, Online).
- Dennis M. Buede: The Engineering Design of Systems: Models and Methods. Wiley, 2009, ISBN 978-0-470-16402-0, doi:10.1002/9780470413791 (englisch).
- Zhuming Bi: Practical Guide to Digital Manufacturing: First-Time-Right for Design of Products, Machines, Processes and System Integration. Springer International Publishing, Cham 2021, ISBN 978-3-03070303-5, doi:10.1007/978-3-030-70304-2 (englisch).
- Jason Trew, Ben Zweibelson, Daniel Riggs: Evolution of Military Design. In: Anders McD Sookermany (Hrsg.): Handbook of Military Sciences. Springer International Publishing, Cham 2023, ISBN 978-3-03002866-4, S. 1–18, doi:10.1007/978-3-030-02866-4_118-1 (englisch).
- Ali Iranmanesh, Hossein Sayadi (Hrsg.): AI-Enabled Electronic Circuit and System Design: From Ideation to Utilization. Springer Nature Switzerland, Cham 2025, ISBN 978-3-03171435-1, doi:10.1007/978-3-031-71436-8 (englisch).