Elektronik optimieren

Industrieelektronik

Simulation – Die Prüfung elektronischer Baugruppen ist eine besonders anspruchsvolle Disziplin. Mit Hilfe assoziativer Werkzeuge integriert Dassault Systèmes Solidworks Konstruktion und Simulation, um Bauteile schnell, einfach und kontinuierlich zu verbessern.

04. Juni 2016

Die Geschichte der Simulation beginnt mit Berührungsängsten. »Das ist so, weil die ersten Simulationstools vor 20 bis 30 Jahren extrem spezialisierte Werkzeuge waren, welche aufwendiger Infrastruktur bedurften und tiefergehende Spezialkenntnisse erforderten. Es dauerte lange, bis die Ergebnisse brauchbar waren, und kostete viel Aufwand, häufig unter Laborbedingungen nachzuvollziehen, was simulationstechnisch in den Anfangsjahren der computergestützten Konstruktion berechnet wurde«, sagt Uwe Burk, Senior Director Sales, Professional Channel EuroCentral, bei Dassault Systèmes.

Bei Solidworks existierte schon immer die Vision, das Komplexe einfach handhabbar zu machen. Unter diesem Mantra hat sich das Unternehmen intensiv mit dem Thema Simulation befasst. »Wir wollten keine Simulationstools entwickeln und vertreiben, die nur wenigen Spezialisten zur Verfügung stehen, sie sollten ähnlich wie in der Konstruktion auf annährend jeden Arbeitsplatz kommen.«

Direkt integrieren

Darum beruhen die Standardpakete der Solidworks-Simulation-Produktlinie auf dem Prinzip der bidirektional assoziativen Integration, die bis in die Entwicklungsprozesse und die CAD-Software hineingeht. »Der Begriff klingt schwierig«, sagt Uwe Burk. »Diese einzigartige Eigenschaft ist aber enorm wichtig für die Anwender und für uns. Denn durch diese direkte Integration der Simulation in die Konstruktion wollen wir Barrieren der Datenkonvertierung eliminieren, der Anwender soll denselben Zugriff und die einfache Handhabung haben wie bei unseren CAD-Lösungen. Mit sehr guten Assistenten soll er in der Lage sein, schnelle und reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen. Das eigentliche Ziel ist dabei die Optimierung seiner konstruktiven Ergebnisse.«

Simulation und Konstruktion sollen bei Solidworks also aus einem Guss sein. Das geht aber nur, wenn neben der Simulation auf Basis der CAD-Konstruktion auch die integrierte Darstellung und die assoziative Nutzung der Ergebnisdaten ermöglicht werden. Das erhöht den Nutzen und hat nicht zuletzt für die hohe Akzeptanz unserer Simulationslösungen gesorgt.

Eine Umfrage unter mehr als 500 Entwicklern ergab, dass Computersimulationen manuellen Berechnungen und physischen Prototypen überlegen sind. Allerdings verschlingt die Aufbereitung der CAD-Daten für die Simulation bei vielen marktüblichen Lösungen mehr Zeit als notwendig. Wenn die CAD-Daten nicht automatisch übernommen werden können, korrigieren Anwender die Ausgangsdaten häufig manuell oder bauen gar Konstruktionen zu Simulationszwecken ganz neu auf.

Dieses Dilemma zeigt sich oft auch in industrieelektronischen Anwendungen, wo es um die Simulation von Fluid- oder Wärmeströmungen geht. »In der Elektronik gibt es viele Disziplinen für die Simulation. Es wird notwendigerweise mit leistungsabgebenden Komponenten operiert, und dabei entsteht Wärme, die abgeführt werden muss«, erklärt Uwe Burk. »Dabei ist es interessant, wie das, wenn möglich, ohne zusätzliche aktive Kühlung funktionieren kann. Damit können Kosten beeinflusst werden, und elektronische Baugruppen werden robuster. Diese sind nämlich oft äußeren Einflüssen wie Schmutz ausgesetzt oder in schwingenden Umgebungen verbaut.«

Bei der Frage, ob eine filigrane Elektronikbaugruppe unter den gegebenen Bedingungen dauerhaft einzusetzen ist, sieht Uwe Burk Verbesserungspotenziale bei vielen Konstruktionen, bei denen heute oft noch mit Erfahrungswerten gearbeitet wird und sich im Dauereinsatz immer wieder Schwächen offenbaren, die per Simulationen im Vorfeld auszuschließen wären.

Ein weiteres Kriterium ist der knappe Bauraum, etwa im Autositz, der mit vielen elektrischen und elektronischen Komponenten bestückt wird. »Eine aktive Kühlung zieht die Notwendigkeit von Filtern nach sich, die weiteren Bauraum und zusätzliche Energie beanspruchen.« Der Konstrukteur müsse in der Lage sein, die Gehäusestruktur in frühen Entwicklungsphasen abschätzen und die Leistungskomponenten optimal auf der Platine anordnen zu können.

In größeren Maschinen und Anlagen fängt die Flow Simulation bei der klassischen Aufgabe an, den Schaltschrank zu kühlen. Mehr und mehr spielt in diesem Bereich auch die Formgebung eine Rolle. Damit steht aber oft das klassische Schaltschrankkonzept in Frage, denn Bussysteme ermöglichen die dezentrale Anordnung von Schaltschrankkomponenten, und die Wärmeverlustleistung kann bei entsprechender Auslegung platzsparend und kühlungsfrei abgeführt werden.

Als Methode greift hier Computational Fluid Dynamics (CFD), das zur Visualisierung komplexer Strömungsphänomene eingesetzt wird, sich aber genauso für die Wärmeübertragung eignet, etwa an Kühlkörpern in elektronischen Geräten. Das CFD-Modul in Solidworks Flow Simulation arbeitet Hand in Hand mit den Konstruktionswerkzeugen. Es übernimmt die 3D-CAD-Daten direkt in die Strömungssimulation, die Dauer der simulationsbasierenden Optimierung schrumpft von zwei Wochen auf zwei Tage.

Automatisch erstellen

Der Fluidbereich wird auf Basis der oft sehr komplexen Geometrien automatisch erstellt und aktualisiert. Nach dem ersten Durchlauf lassen sich einfach Varianten durchrechnen, die alle vorherigen Analysedaten berücksichtigen. Das Tool ist intuitiv bedienbar, der Schulungsaufwand bleibt gering. Viele Anwender bestätigen diese Vorteile: »Mit Solidworks Flow Simulation konnten wir nicht nur unsere Produktivität und Effizienz steigern, sondern auch Herausforderungen bei der Wärmeübertragung meistern, die anders nicht zu bewältigen gewesen wären«, sagt Bernd Knab, Development Manager bei der Polyrack Tech-Group.

Alle Module aus dem Solidworks-Simulation-Portfolio sind verbunden. So kann der Entwickler mittels Strömungssimulation die Temperaturverteilung auf einer Elektronikplatine berechnen. Anschließend simuliert er, welche mechanischen Spannungen dabei entstehen, und unterzieht die Platine einem virtuellen Rütteltest. Dies spielt er mit verschiedenen Varianten durch, ohne dafür die Konstruktionsdaten neu anlegen zu müssen. Das gilt auch für den Austausch unter Kollegen oder mit Kunden.

Die Simulation basiert laut Uwe Burk auf robusten mathematischen Methoden, über die jeweils verfügbare Hardware will Solidworks immer eine extrem gute Performance liefern. »Aber die Differenzierung liegt in der Anwendbarkeit, in der Geschwindigkeit von Optimierungszyklen. Und hier sind wir in der führenden Position, was den klassischen konstruktionsbegleitenden Optimierungsprozess anbelangt.«

Der Senior Sales Manager unterstreicht, dass bei den heute geforderten Packungsdichten, Haltbarkeitsanforderungen und Produkthaftungsrichtlinien, die Fluid-Simulation immer stärker an Bedeutung gewinnt und in vielen Bereichen als notwendig angesehen wird. »Wir haben uns auf die konstruktionsnahen Anwendungsgebiete spezialisiert und bieten einen leistungsfähigen Funktionsumfang. Alle Simulationswerkzeuge arbeiten mit der gleichen, einfach verständlichen Darstellung der Ergebnisse.«

So kann der Konstrukteur nicht nur den Simulationslauf durchführen und sich das Ergebnis direkt am Objekt anschauen. »Er kann Ergebnisse automatisiert auswerten und konstruktive Parameter durch ausgewählte Simulationsergebniswerte beeinflussen. So durchgeführte Optimierungsläufe sind viel effizienter und schneller als die klassische Vorgehensweise mit spezialisierten, aber nur schlecht integrierten Tools.«

Die Software kann nach jeder Änderung der Geometrie sofort wieder einen Simulationszyklus ansteuern. So ist es möglich, die Rückkopplung in der Software selbst herzustellen und bestimmte Parameter zu optimieren. »Darf ich eine Temperatur nicht überschreiten, gebe ich für einen in das Gehäuse eingespritzten Kühlkörper zum Beispiel die Länge der Kühlrippen mit an, und diese werden dann entsprechend der Konvektion beziehungsweise Temperaturverhältnisse automatisch optimiert.«

Jedes geometrische Objekt lässt sich mit seiner Umgebung verknüpfen, und dem Anwender wird sofort plausibel, ob die eingeleiteten Schritte sinnvoll sind. Sind Änderungen vonnöten, werden diese im nächsten Simulationslauf mitgerechnet, dadurch ergibt sich eine vollständige Optimierung über das gesamte Konstruktionsumfeld.

Softe Faktoren

Die Vorteile für den Kunden lassen sich auch kaufmännisch auswerten. Uwe Burk: »Die guten Ergebnisse, die man mit der Strömungssimulation erzielen kann, weisen wir in zahlreichen Referenzprojekten nach.« Über die Einsparpotenziale bei der Konvertierung der Daten, bei der Übernahme von Ergebnissen zurück in die Konstruktion, ergibt sich für den Kunden ein großer Nutzen. Das gilt auch für die Integration in das Produktdatenmanagement. »Er kann seine Versionen managen, wiederverwenden und optimieren, ohne von vorn beginnen zu müssen.«

Auch Umweltfreundlichkeit und Nachhaltigkeit der Produkte gewinnen immer mehr an Bedeutung. Eine aktive Abfuhr von Energie verbraucht zusätzliche Energie und fordert Zulieferer oder auch Maschinenbauer heraus, möglichst leistungseffiziente Maschinen zu bauen, die keinerlei Leistung verschwenden.

Und was kommt noch? »In kurzer Zeit werden über das Thema Industrie 4.0 neue Anforderungen aus der Veränderung des Fertigungsumfeldes auf die Produktentwicklung zukommen. Integrierte Simulationswerkzeuge werden einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung und Fertigung von so genannten individualisierten Massenprodukten leisten«, sagt Uwe Burk.

Es gebe mittlerweile erste Konzepte, die Elektronik direkt mit in 3D-Objekte »hineinzudrucken«. Hier gelte es im Vorfeld festzustellen, ob diese so gekapselten Elektronikkomponenten wärmetechnisch funktionieren. »In Abhängigkeit von den angewandten Kunststoffen und Leistungsanforderungen kann mit Simulationen sichergestellt werden, dass diese Baugruppen die gestellten Anforderungen erfüllen können. Möglicherweise steht uns in nicht allzu ferner Zukunft der Ersatz von Leiterplatten ins Haus. Die Notwendigkeit von leistungsfähigen Simulationswerkzeugen im Zusammenhang mit künftigen Fertigungsmethoden steht außer Frage«, prophezeit Burk.

Durch Produktideen, die in sogenannten »Maker«-Communities entstehen, könnten Anwender bald immer mehr implizite Entwicklungsaufgaben übernehmen. »Mit den Solidworks Apps for Kids können Kinder und Jugendliche Dinge schon jetzt selbst designen und mit 3D-Druckern herstellen. So bekommen wir eine ganz andere Klasse von Entwicklern, die ausschließlich basierend auf Form und Funktion operieren, möglicherweise Mechanik und Elektronik integrieren möchten, aber die Plausibilität selbst nicht prüfen können.« Hier brauche es neue Automatismen zur Plausibilitätsprüfung. »Es kann nicht hinter jedem Konsumenten, der sich als ›Maker‹ betätigen möchte, ein Konstrukteur oder gar Simulationsspezialist sitzen.«

Darum würden sich bestimmte Funktionalitäten der Simulation möglicherweise in die Cloud verlagern, um dort automatisiert Plausibilitätsprüfungen von Konstruktionen durchzuführen. »Durch Anforderungen von Nutzern entstehen Trends, welche neue, einfach anwendbare oder automatisierte Entwicklungswerkzeuge benötigen«, fasst Uwe Burk zusammen. »Wir bei Dassault Systèmes Solidworks stellen in unserem Entwicklungsprozess immer den Bedarf der Kunden in den Mittelpunkt. Damit legt der Kunde fest, in welche Richtung wir uns entwickeln. Das wird auch in Zukunft unser Leitbild sein.«

Auf einen Blick

Dassault Systèmes Solidworks bietet leicht anzuwendende, komplette 3D-Softwarewerkzeuge zum Erstellen, Simulieren, Publizieren und Verwalten von Daten.

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Erschienen in Ausgabe: 05/2016