Effizientes Pre-Development durch vollautomatisierte Strömungssimulationen von Kühlkörpern
Branche: Elektrotechnik/Elektronik, Energieversorung, Maschinen- und AnlagenbauFachgebiet: StrömungsmechanikEin Kühlköper von ELEKTRON ist perfekt auf seine Verwendung angepasst. Die für die industrielle Leistungselektronik unverzichtbaren Elemente sind „lebenserhaltend“ und nehmen teils beachtliche Ausmaße an. Die Auslegung ist so individuell wie die Einsatzgebiete. Die ELEKTRON AG hat es mit einer von CADFEM programmierten Simulations-App geschafft, seinen Kunden in der Hälfte der bisherigen Zeit eine optimale Lösung zu bieten, ohne dass dazu breites Simulationswissen notwendig war.
Zusammenfassung
Aufgabe
ELEKTRON AG möchte im Pre-Development von Kühlkörpern zukünftig vermehrt auf Simulation setzen, um teure und langwierige Prototypen zu vermeiden. Eine einfach zu bedienende App für Geometrieerstellung, Vernetzung des Körpers (Mesh) sowie Simulation inklusive HTML-Report mit 3D-Ansicht soll entwickelt werden. Das Ganze auf der Grundlage von Ansys Fluent als verlässliche Simulationssoftware für numerische Strömungsmechanik (CFD).
Lösung
Die CADFEM-Kühlkörper-App funktioniert so schnell wie zuverlässig. Ein übersichtliches und interaktives Excel-Formular dient dem Anwender als grafische Oberfläche. Per Knopfdruck aus dem Formular lässt sich die vollautomatische Berechnung in Ansys Workbench starten: Scripts für alle Arbeitsschritte einer Simulation nehmen dem Anwender beinahe die ganze Arbeit ab. Nur die Interpretation des im Browser angezeigten Simulation Reports bleibt dem Menschen überlassen.
Kundennutzen
„In enger Zusammenarbeit mit der CADFEM Suisse AG ist es uns gelungen, den Simulationsablauf für forcierte Kühlkörper zu automatisieren und die Entwicklungszeit im Schnitt zu halbieren. Der finale Bau eines einzelnen Prototyps dient lediglich noch zur realen Verifizierung der bereits mittels Simulation gefundenen optimalen virtuellen Variante und zur Abnahme durch den Kunden. Das spart enorm viel Zeit und Geld.“ (Sascha Walker, ELEKTRON AG)
Ganz nach den Wünschen der Kunden bietet ELEKTRON frei konfigurierbare Kühlkörper für die Leistungselektronik. Diese reichen von den Abmaßen eines A4-Blattes bis hin zur Größe einer Europalette und lassen sich im Bezug auf Abstände und Längen der Kühlrippen variieren, wie auch in der Bodenstärke sowie der Materialwahl. Im Pre-Development werden unterschiedliche Designs nicht nur im Hinblick auf ihre Kühlleistung und Herstellungskosten, sondern auch auf die verfügbaren Fertigungstechnologien untersucht. Aufgrund der großen Dimensionen und der hohen Kosten im Prototypenbau dient dieser lediglich zur realen Verifizierung der bereits mittels Simulation gefundenen optimalen virtuellen Variante. Ebendiese Simulationen sollen nun mittels automatisierten Tools durchgeführt werden können. ELEKTRON wünschte sich eine einfach zu bedienende App mit Excel als Bedienoberfläche, in der die Geometrieerstellung, die Vernetzung des Körpers (Mesh) sowie die Eingabe der Randbedingungen und die Simulationsberechnung automatisch erfolgt. Die Ergebnisse sollen in einem HTML-Report mit 3D-Ansicht ausgegeben werden.
Wie effizient die Lösung tatsächlich ist, zeigte sich schon bald an einem der ersten Projekte bei der ELEKTRON AG. Der Kunde strebte für einen bestehenden Kühlkörper eine Reduzierung des thermischen Widerstands (Rth) um zehn Prozent an. Zur Lösung der Kundenanforderung stellte Sascha Walker mit Hilfe der CADFEM-App drei Berechnungen an: einmal für das bisherige Kühlkörperdesign, mit einem Rth-Wert von 16,4. Anschließend eine extrudierte Version, die sich mit einem Rth-Wert von 19,7 als nutzlos erwies und zuletzt eine lasergeschweißte, die einen Rth-Wert von 14 erbracht hat. Aus der vom Kunden geforderten Verbesserung des Rth-Werts um 10 % gelang es ELEKTRON ein optimiertes Kühlkörperdesign mit einer Verbesserung von 14 % zu präsentieren. Die Erwartung des Kunden wurde also deutlich übertroffen. Zu diesem Erfolg gesellte sich noch die Geschwindigkeit, mit der die Optimierung vorgenommen wurde
Die passende Antwort lieferte die CADFEM-Kühlkörper-App: Ein übersichtliches und interaktives Excel Formular erlaubt dem Anwender die Definition des Kühlkörpers bezüglich Anzahl, Länge und Breite der Rippen, der Grundplatte sowie aller verwendeten Materialien. Im nächsten Schritt werden die Flächen der Wärmequellen und deren Leistung definiert. Mit Klick auf „Start“ erfolgt die letzte Aktion des Users, und die Skripts für den Aufbau der Geometrie, für die strukturierte Vernetzung mit dem Workbench Mesher sowie für Simulationsaufbau, -berechnung und -auswertung mit Ansys Fluent werden vollautomatisch durchlaufen. Am Ende öffnet sich im Browser ein HTML Report mit allen Angaben zu Randbedingungen und Materialien der Simulation, sowie allen Ergebnissen. Diese beinhalten auch die 3D Konturplots, um z.B die Temperaturverteilung von allen Seiten zu bewerten.
