INSTITUT FÜR COMPUTATIONAL ENGINEERING

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1 NTB Interstaatliche Hochschule für Technik Buchs FHO Fachhochschule Ostschweiz INSTITUT FÜR COMPUTATIONAL ENGINEERING

2 Rechnen Sie mit uns. Mathematik ist eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Suchmaschinen, wie man sie zum Beispiel von Google kennt, basieren auf mathematischen Verfahren. Die schnelle Signalverarbeitung für autonomes Fahren oder die Robotik basieren auf Algorithmen der Data Sciences. Machine Learning, Big Data, künstliche Intelligenz sind hierbei Stichworte, die man immer wieder in den Medien hört. Aber auch die moderne Produktentwicklung kommt ohne mathematische Simulationsverfahren nicht aus. So werden Produkte am Computer entwickelt und ihre Eigenschaften untersucht und optimiert, noch bevor der erste Prototyp hergestellt wird. Grundlage hierfür sind wieder mathematische Algorithmen, die beispielsweise auch die Basis für die aktuellen Innovationen im Rahmen von Industrie 4.0 sind. Wir freuen uns auf Ihre spannenden Fragestellungen. Michael Schreiner Prof. Dr. habil. Michael Schreiner Leiter Institut für Computational Engineering ICE

3 INSTITUT FÜR COMPUTATIONAL ENGINEERING ICE WAS WIR FÜR SIE TUN KÖNNEN Prof. Dr. habil. Michael Schreiner Institutsleiter Prof. Dr. Martin Bünner Mathematik Prof. Dr. Klaus Frick Mathematik und Physik Dr. Tobias Kaufmann Mathematik und Physik Dr. Wolfgang Wiedemair Mathematik und Physik Prof. Dr. Christoph Würsch Mathematik und Physik Das Institut für Computational Engineering ICE löst anspruchsvolle Aufgaben aus Technik und Wirtschaft mit modernen Verfahren der angewandten Mathematik. Wir wenden numerische Modellierung und Simulation, Methoden aus der Datenanalyse und Statistik sowie Optimierungsalgorithmen an, verbessern die Verfahren für konkrete Problemstellungen und machen sie so nutzbar. Wir pflegen ein enges Netzwerk mit universitären Hochschulen, um die aktuellen Resultate aus der Forschung für Real-life-Probleme anwendbar zu machen. Die Aus- und Weiterbildung vielleicht das wichtigste Produkt der NTB hat einen hohen Stellenwert am Institut für Computational Engineering. Das ICE ist verantwortlich für die Mathematik- und Physikausbildung im Bachelorstudiengang Systemtechnik. Darüber hinaus finden Module zu Scientific Computing, Künstlicher Intelligenz und Statistik statt. Ausserdem engagiert sich das ICE stark im Masterstudiengang MSE. Zahlreiche Masterstudenten konnten am ICE sehr gute Kenntnisse im Bereich der angewandten Mathematik erwerben. Mitarbeitende 6 Dozierende 10 wissenschaftlich Mitarbeitende NTB Institut für Computational Engineering ICE Werdenbergstrasse Buchs ice@ntb.ch

4 INTELLIGENZ IN ALGORITHMEN Für die Qualitätskontrolle von Bauwerken ist die korrekte Bestimmung von Armierungseisen, Spannkabeln oder Gasleitungen im Untergrund essentiell. In Kooperation mit der Hilti AG entwickelt das ICE Algorithmen zur Optimierung der Untergrunderkennung. Basis für dieses selbstlernende Computerprogramm sind viele Testdaten, eine klare Formulierung der Optimierungsaufgabe sowie mächtige Algorithmen. «Dank der neuen Tool-Suite sind wir in der Lage, Algorithmen schnell zu entwickeln, zu validieren und zu verbessern. Damit haben wir die Möglichkeit, unser Algorithmen-Angebot zeitnah um bestimmte Anwendungsfälle aus der Praxis zu erweitern.» Geert Kalusche, Technischer Projektleiter bei der Hilti AG.

5 INSTITUT FÜR COMPUTATIONAL ENGINEERING ICE KOMPETENZEN UND INFRASTRUKTUR MODELLIERUNG UND NUMERISCHE SIMULATION Modellierung also die Übersetzung der Realität in ein mathematisches Modell ist die Grundlage aller Simulationen. Dazu ist es wichtig, den Grad der Detailtreue zu erreichen, der für die jeweiligen Aufgabenstellungen angemessen ist. «Simulation» steht daher für eine ganze Skala von Methoden: Von Algorithmen auf einem Embedded System bis zu zeitintensiven Berechnungen auf einem Super-Computer. Ziel ist, das Verhalten realer Systeme vorauszusagen, um Prozesse zu entwickeln, eine Machbarkeit zu überprüfen, Varianten zu testen oder Produkte zu optimieren. Die Auswahl an Anwendungsfeldern ist gross: Strukturmechanik, Strömungsmechanik, Thermodynamik, Elektrodynamik. Insbesondere fokussieren wir uns auf die Lösung gekoppelter Probleme (Multiphysics). DATA SCIENCES In vielen Fällen ist die Modellierung auf physikalischer Grundlage nur teilweise möglich. Dann bietet es sich an, Modelle mit gemessenen Daten zu erstellen. Dabei treten einerseits Messunsicherheiten auf, für deren quantitative Behandlung statistische Methoden anzuwenden sind. Andererseits sind grosse Datenmengen die Grundlage für viele Methoden der Data Sciences. Dieses Themengebiet wird sehr breit gesehen: Von der Analyse einzelner Messungen, über das Planen und Auswerten von Versuchen mit Methoden des Design of Experiments (DoE) bis hin zu modernen Verfahren des Data Mining. Auch Machine Learning, Neuronale Netze und Predictive Maintenance sind wichtige Anwendungsfelder. Als sehr erfolgreich haben sich auch hybride Ansätze erwiesen, bei denen datenbezogene mit physikalischen Ansätzen kombiniert werden. OPTIMIERUNG Simulationsmethoden können nicht nur ein Verhalten vorhersagen, sondern auch zur Optimierung von Prozessen oder Systemen verwendet werden. In der Simulation ist die Variation von Parametern zur Bestimmung von optimalen Einstellungen wesentlich einfacher und preiswerter als in der Realität. Dadurch wird der Einsatz virtueller Methoden im Entwicklungsprozesses möglich: Man gibt vor, was ein System leisten soll, und versucht, durch Simulation von Design, Bauteilen, Werkstoffen und Produktionsprozessen dem Ziel möglichst nahe zu kommen. Die menschliche Intuition kann kaum Optimierungsaufgaben mit mehr als drei Parametern lösen, aber für mathematische Verfahren sind zwanzig und mehr Parameter mit zusätzlichen Restriktionen kein Problem.

6 PRODUKTION HOCHPRÄZISER STAHLROHRE Die Jansen AG ist ein international tätiges Hightech-Unternehmen. Unter anderem werden hochpräzise Stahlrohre hergestellt, die aus Bandstahl in einer Prozesskette aus Biegen, Schweissen, Ziehen, Wärmebehandeln etc. entstehen. Gemeinsam mit dem Institut für Produktionsmesstechnik, Werkstoffe und Optik sowie V-Research in Dornbirn entwickelt das ICE Verfahren, um die Prozessparameter noch effizienter zu bestimmen. So gelingt es, die schnell wachsenden Anforderungen der Automobilindustrie hinsichtlich Stabilität und Gewicht erfüllen zu können. Grundlagen hierfür sind mathematische Methoden im Zusammenspiel mit Modellen für das Umformen und die Tribologie.

7 KOMPETENZEN UND INFRASTRUKTUR HARDWARE Das ICE betreibt seit 2014 einen High-Performance-Cluster. Er wird sowohl für die Hochschullehre, als auch für Forschung und Entwicklung eingesetzt. Für die Hardware werden Standard-Komponenten von Dell verwendet, so dass Erneuerungen und Erweiterungen problemlos möglich sind. Auf dem Cluster selbst arbeiten wir mit Windows und Linux, so dass die Programme mit einer optimalen Performance arbeiten können. SOFTWARE Zum Realisieren der Simulationsmethoden greift das ICE sowohl auf kommerzielle als auch auf Open-Source-Programme zurück. Kommerzielle Programme zeichnen sich durch definierte und validierte Fähigkeiten aus, und die Bedienung ist eher benutzerfreundlich. Open-Source-Programme hingegen sind offen und können erweitert werden, so dass mit ihnen Probleme mit Methoden gelöst werden können, die (noch) nicht Einzug in die kommerziellen Programme gefunden haben. Darüber hinaus sind die Open-Source-Programme ohne Lizenzkosten verwendbar, so dass sie als Grundlage für kundenspezifische Simulationslösungen verwendet werden können. Wir entwickeln Lösungen mit C / C++, Java, Python und C#. SOFTWARE (KOMMERZIELL) Ansys Mechanical, Multiphysics Ansys CFX und Fluent LS-Dyna MSC Marc Deform Ansys Maxwell, Ansys HFSS, CST Comsol Multiphysics Matlab / Simulink / Simscape Statistica, Minitab SOFTWARE (OPEN-SOURCE) OpenFOAM FEnics CalculiX LIGGGHTS, Yade Octave, Scilab, Python Open Modelica R

8 BIG DATA IN SPITÄLERN Das Verhindern der Ausbreitung von sogenannten Krankenhaus-Keimen in Hospitälern ist eine wichtige Aufgabe der modernen Krankenhaus-Hygiene. Gemeinsam mit dem Kantonsspital St. Gallen hat das ICE eine Software zur Detektion von sogenannten Hot-Spots entwickelt. Diese Hot-Spots sind Orte in einem Hospital, an denen es zu Ansteckungen gekommen sein könnte. Sind diese bekannt, können die erforderlichen Hygiene-Massnahmen getroffen werden. Grundlagen für dieses Verfahren sind moderne Methoden des Data-Mining. Aus anonymisierten Patientendaten werden mögliche Ansteckungswege erkannt.

9 INSTITUT FÜR COMPUTATIONAL ENGINEERING ICE TÄTIGKEITEN KUNDEN ERFOLGE DIGITALER ZWILLING FÜR VERPACKUNGSANLAGEN Seit mehr als 40 Jahren stellt die Firma VC999 in Herisau Vakuumverpackungsanlagen her. Eine optimierte Auslegung des Vakuumsystems von Food-Verpackungsanlagen erhöht die Produktivität, minimiert Kosten und Energieverbrauch. Hierfür entwickelte das ICE ein validiertes Simulationswerkzeug. Dabei werden die Pumpen, die Leitungen mit den Ventilen, die Vakuumkammer sowie die thermophysikalischen Eigenschaften des Verpackungsguts berücksichtigt. «Wir sind froh, dass wir gemeinsam mit dem ICE die Digitalisierung unserer Anlagen vorantreiben können. Als Schweizer Firma ist es für uns zentral, unseren Mitbewerbern einen Schritt voraus zu sein», so Peter Schmollinger, CEO von VC999. DIGITALISIERUNG IN DER PRODUKTION Danzer ist ein führendes Unternehmen der Laubholz-Branche; es besitzt und bewirtschaftet nachhaltig Wälder und produziert Schnittholz, Furniere und veredelte Holzprodukte. Danzer-Produkte werden für Möbel, Fussböden, in Autos und im Innenausbau eingesetzt. Um die wertvolle Laubholz-Ressource noch besser zu nutzen und jeden Baum seiner optimalen Verwendung zuzuführen, setzt Danzer auf Digitalisierung. Hans-Joachim Danzer, Vorstandsvorsitzender der Danzer Holding AG: «Das ICE hilft uns mit seiner Kompetenz in Bildverarbeitung und Künstlicher Intelligenz; dadurch können wir den wertvollen Rohstoff Holz immer besser nutzen und unseren Kunden für sie massgeschneiderte Produkte anbieten.» HYBRIDE MODELLE FÜHREN ZUM ERFOLG Die Firma Evatec ist spezialisiert auf die Herstellung von Beschichtungsanlagen. In einer Vakuumkammer wird das Beschichtungsmaterial durch einen Elektronenstrahl verdampft. Es breitet sich in der Kammer aus und lagert sich als dünne Schicht auf Wafern ab. Die Qualität der Schicht hängt von ca. 20 Prozess-Parametern ab. Bislang wurden diese in aufwändigen Versuchsreihen ermittelt. Das ICE hat für Evatec eine Software entwickelt, um diese Prozesse automatisch zu designen. Dafür werden weltweit Messdaten von Aufdampfanlagen gesammelt und mit physikalischen Modellen kombiniert. Mit diesem Optimierungsprozess kann nun das Prozess-Design in wenigen Stunden berechnet werden.

10 NTB SYSTEMTECHNIK ANWENDUNGSFELDER KOMPETENZEN Automation/ Robotik Elektronik Energie Digitalisierung Material Mess- und Prüftechnik Mikro-/ Nanotechnik Numerische Simulation Precision Engineering Photonik Produktentwicklung Softwareentwicklung EMS ESA ICE IES INF MNT PWO INSTITUTE Der Bereich angewandte Forschung und Entwicklung ist in sieben Instituten organisiert, die in verschiedenen Kompetenzbereichen und Anwendungsgebieten intensiv zusammenarbeiten. Auf diese Weise gelingt es, den Systemtechnikgedanken aktiv zu leben, gute und solide Projektergebnisse zu erzielen und bestens qualifizierte Studienabgänger für die Wirtschaft zu liefern.

11 INSTITUT FÜR COMPUTATIONAL ENGINEERING ICE DAS SYSTEM NTB TECHNIK GANZHEITLICH DENKEN Praxisorientierte und kompetente Ingenieurinnen und Ingenieure auszubilden gelingt nur in einem anwendungsorientierten Umfeld. Aus diesem Grund sind angewandte Forschung und Entwicklung sowie Dienstleistungen als wichtiger Leistungsauftrag in der NTB-Philosophie verankert. Wir leben den Systemtechnikgedanken in Lehre und angewandter Forschung. Die Absolventen der NTB bringen ein breites Basiswissen in Systemtechnik mit, das je nach Interesse in den Richtungen Maschinenbau, Elektronik und Regelungstechnik, Ingenieurinformatik, Informations- und Kommunikationstechnik, Mikrotechnik oder Photonik vertieft ist. Industriepartner können deren topaktuelles Know-how und «den Blick von aussen» im Rahmen von Bachelor- und Masterarbeiten nutzen. In der angewandten Forschung fokussiert sich unsere Arbeit auf zwei wesentliche Anwendungsschwerpunkte: Industrial and Precision Engineering Digitalisierung, Industrie 4.0, ICT Für diese Themen können unsere Industriekunden konkrete, fachlich hervorragende und ganzheitliche Antworten von der NTB erwarten. Gespeist werden diese Anwendungsschwerpunkte durch zehn Kernkompetenzen, die wir an der NTB vertreten. Diese werden durch unsere Dozierenden und wissenschaftlichen Mitarbeitenden in gemeinsamen Projekten mit unseren Industriepartnern umgesetzt und weiterentwickelt. Dafür gibt es vielfältige Möglichkeiten der Zusammenarbeit: Studentische Arbeiten auf Bachelor- und Masterstufe Beratungsmandate und direkte Projektaufträge Entwicklungspartnerschaften Forschungsprojekte mit öffentlicher Förderung firmenspezifische Schulungen und Weiterbildungen Die kommerzielle Verwertung der Projektergebnisse erfolgt in der Regel durch den Industriepartner, Geheimhaltung kann gewährleistet werden.

12 NTB Interstaatliche Hochschule für Technik Buchs NTB Campus Buchs Werdenbergstrasse Buchs Tel Institut für Institut für Computational Engineering ICE Institutsleiter Prof. Dr. habil. Michael Schreiner michael.schreiner@ntb.ch Tel FHO Fachhochschule Ostschweiz