Simulation ist mehr als Software

Kostenlose Testversion
0
Wunschliste
0 0
Warenkorb

Direktkontakt
DE

Optimaler Vertriebsprozess durch Simulationsautomatisierung

COOL: BESTE LÖSUNG - HALBE ZEIT!

Kühlkörper von ELEKTRON sind perfekt auf ihre Verwendung abgestimmt. Als unverzichtbare Komponenten in der industriellen Leistungselektronik werden sie in unterschiedlichsten Größen und Konfigurationen ausgeliefert. Ihre Auslegung ist so individuell wie das jeweilige Einsatzgebiet. Die ELEKTRON AG schafft es über eine von CADFEM programmierte Simulations-App, ihren Kunden in der Hälfte der früher üblichen Zeit die jeweils optimale Lösung bereitzustellen - ohne dass dafür breites Simulationswissen aufgebaut werden musste.

Wenn Sie Ihren Laptop im Zug aufklappen und das Netzteil mit der Bordsteckdose verbinden, dann ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass dies nur funktioniert, weil perfekt angepasste Kühlkörper der ELEKTRON AG die Umrichter der Bahn vor Überhitzung schützen. Das Unternehmen mit dem Hauptsitz in Au am Zürichsee ist ein führendes Schweizer Technologieunternehmen im Energie- und Infrastrukturmarkt. Es wurde 1951 gegründet und deckt mit knapp über 80 Mitarbeitern an drei Standorten die Geschäftsfelder Antriebe, Elektronik, Zahlungssysteme, Smart City und Licht ab. Allen Lösungen gemeinsam ist das Ziel der Ressourcenminimierung und die Steigerung der Energieeffizienz. Im Bereich Elektronik stellen die Kühlkörper eine Schlüsselkomponente dar. Sie dienen der Wärmeabfuhr und schützen vor thermisch bedingten Ausfällen.

Technologieunternehmen ELEKTRON AG

Die ELEKTRON AG ist ein führendes Schweizer Technologieunternehmen das sich mit seinen knapp über 80 Mitarbeitenden aktiv im Energie- und Infrastrukturmarkt für Ressourcenminimierung durch Steigerung der Energieeffizienz engagiert. ELEKTRON versteht sich als kompetente Integratorin die individuelle Kundenbedürfnisse mit den passenden Technologiepartnern verbindet. So entstehen in den Geschäftsbereichen Antriebe, Elektronik, Zahlungssysteme, Smart City und Licht intelligente Lösungen für effiziente Systeme.

Individuelle Kühlkörper für Leistungselektronik

Ganz nach den Wünschen der Kunden bietet die ELEKTRON AG sowohl Standard- als auch frei konfigurierbare Profile für die Leistungselektronik. Die individuellen Kühlkörper reichen von den Abmaßen eines A4-Blattes bis hin zur Größe einer Europalette. Sie sind variabel in Bezug auf die Abstände und Längen der Kühlrippen sowie der Bodenstärke. Bei der Herstellung greift ELEKTRON auf eine Reihe bewährter Technologien zurück, die jeweils spezifische Vorteile bieten und sich nach dem Anwendungsfall richten.

Sascha Walker ist bei der ELEKTRON AG als Produktmanager Mechanik der erste Ansprechpartner, wenn es um frei konfigurierbare Designs für Kühlkörper geht. Er fasst die Herausforderung zusammen: „Für uns steht die spezielle Anforderung des Kunden im Vordergrund. Wir werden dem gerecht, indem wir für unsere Kunden eine maßgeschneiderte Kühlkörper-Lösung entwickeln. Sie entsteht bei uns im Pre-Development. Dort berücksichtigen wir die unterschiedlichen Fertigungstechnologien in Verbindung mit diversen Geometrien. Anschließend simulieren wir die Kühlleistung des Modells. Auf diese Weise entsteht unter Berücksichtigung von Kühlleistung, Druckverlust, Material, Gewicht und Kosten die beste individuelle Kühlkörper-Lösung.“

Simulationswunder

Erst, wenn das optimale virtuelle Modell evaluiert wurde, geht es mit diesem Ergebnis an den Prototypenbau. Der physische Prototyp ist ein Einzelstück und steht am Ende der Entwicklung. Er ist die letzte Instanz vor der Freigabe beim Kunden. Aufgrund der großen Dimensionen und der hohen Kosten im Prototypenbau dient er lediglich zur realen Verifizierung der bereits mittels Simulation gefundenen optimalen virtuellen Variante.

Ohne Simulation wäre der physische Prototyp der Ausgangspunkt für Diskussionen und Anpassungszyklen, was sich preislich und zeitlich negativ auswirkt. Der ELEKTRON AG ist es mit automatisierten Simulationstools gelungen, die Zeit bis zur Markteinführung zu halbieren. Eine solch massive Effizienzsteigerung muss auf Verantwortliche, die die Einsatzmöglichkeiten moderner Simulationswerkzeuge nicht kennen, wie ein Wunder wirken. Doch hinter dem vermeintlichen Wunder steckt lediglich viel Erfahrung und leistungsstarke Software. ELEKTRON hat sich beides „schlüsselfertig“ ins Haus geholt.

50 %
Zeitersparnis
und mehr, erzielt die ELEKTRON AG durch den Einsatz der von CADFEM programmierten Kühlkörper-App zur automatisierten Simulation von Designvarianten.

Automatisierte Simulation mit CADFEM

Der Ablauf dieses sehr effizienten Prozesszyklus basiert auf der Nutzung von automatisierter Simulation. Um dies zu erreichen, wandte sich ELEKTRON mit einem Pflichtenheft an CADFEM. CADFEM erschließt seinen Kunden durch das seit 1985 aufgebaute Know-how systematisch die Welt der numerischen Simulation. Als Ansys Elite Channel Partner offeriert CADFEM Lösungen, mit einem der weltweit besten Simulationssoftwareanbietern. Insbesondere kleine und mittlere Unternehmen (KMU) und in Profitcenter aufgeteilte Betriebsorganisationen ziehen ihren Vorteil aus dem umfangreichen CADFEM-Wissen zur Simulationsautomation. Sie müssen nicht unbedingt eigene Ressourcen aufbauen, um Simulation effizienter einzusetzen.

Anforderungen im Pflichtenheft

Sascha Walker schildert die Anforderungen, die in dem Pflichtenheft an CADFEM (Suisse) AG gestellt wurden: „Wir wünschten uns eine einfach zu bedienende App mit Parametrisierung und Excel als Bedienoberfläche, in der die Geometrieerstellung und die zur Simulationsberechnung notwendige Vernetzung des Körpers (Mesh) nach Eingabe der Randbedingungen automatisch erfolgt. Die Ergebnisse sollen in einem HTML-Report mit 3D-Ansicht ausgegeben werden. Das Ganze auf der Grundlage von Ansys Fluent als verlässliche Simulationssoftware für numerische Strömungsmechanik (CFD). Das Ziel der Simulationsautomatisierung war vor allem die Verkürzung des Zeitbedarfs auf dem Weg vom Design über die Simulation bis zu den Resultaten.“

 Sascha Walker
Sascha Walker

„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.“

Prüfstein Kundenprojekt

Die CADFEM (Suisse) AG setzte die Anforderungen aus dem Pflichtenheft wunschgemäß um. 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. Dafür wurde zunächst der bisherige Aluminiumkühlkörper mithilfe der CADFEM-Kühlkörper-App analysiert. Die Analyse ergab für diesen einen Rth-Wert von 16,4. Es stellte sich nun die Frage, ob ein geändertes Design, das entweder Extrudieren oder Laserschweißen als Fertigungstechnologie nutzt, die notwendige Einsparung erbringt.

Die App in Aktion

App in Action – Kühlkörper-Design

Die passende Antwort lieferte die CADFEM-Kühlkörper-App ebenso schnell wie zuverlässig. Die Eingabe ist denkbar einfach und kann von jedem in der Konstruktion Beschäftigten erbracht werden. Mit dem Starten der App öffnet sich zunächst ein übersichtliches Excel-Formular. Felder, die eine Eingabe erfordern, sind farblich blau markiert. Dort werden die Grundmaße des Kühlkörpers eingegeben in Form von Länge und Breite sowie die Höhe der Grundplatte. Die vorgesehene Materialart ist ebenfalls in Excel hinterlegt. Ebenso einfach erfolgt die Definition der Rippenpakete mit Anzahl, Breite und Höhe. Das Material lässt sich für jedes Rippenpaket wählen. Bei Extrusion als Herstellungsart ist die Materialangabe produktionsbedingt für alle Pakete und die Grundplatte identisch. Beim Laserschweißen ist die Flexibilität größer, da unterschiedliche Rippenmaterialien auf die Grundplatte aufgebracht werden können.

App in Action – Lastfall, Kühlung und Auswertung

Im nächsten Schritt werden die Werte zum Lastfall (Flächen der Wärmequellen) sowie die Kühlungsparameter (Einlasstemperatur und Geschwindigkeit) eingegeben. Außerdem lässt sich die Extrusionshöhe und Leistung des Halbleiterbauelements (IGBT) bestimmen. Im letzten Schritt wird in der Auswertung eine Vorschau (2D-Schnitt) der Geometrie gezeigt, in der noch einmal die Möglichkeit besteht, Anpassungen vorzunehmen.

App in Action – Ansys Workbench, ACT Script, 3D Model

Per Knopfdruck lässt sich dann aus dem Excel-Formular heraus die Berechnung in Ansys Workbench starten. Diese Simulationsarbeitsumgebung beinhaltet mehrerer Softwarepakete und unterstützt den „Ansys Customization Toolkit“, kurz ACT, mit dem sich Simulationsprozesse in Form von sog. „Wizards“ automatisieren lassen. Das von CADFEM für ELEKTRON programmierte ACT-Script übernimmt selbstständig die Werte aus dem Excel-Formular und baut die Geometrie in Ansys SpaceClaim auf. Ansys SpaceClaim ist ein vollwertiges 3D-CAD-Programm und stellt somit die solide Grundlage dar für Berechnungen und Modelle.

App in Action - Vernetzung des Modells

Sobald die Geometrie steht, übernimmt der „Ansys Workbench Mesher“ automatisch die Vernetzung des Modells. Je engmaschiger das Netz ist, desto höher ist die Anzahl der Knoten, die der Simulation eine Rückmeldung über die jeweiligen physikalischen Bedingungen an diesem Punkt liefern. Da die ELEKTRON-Kühlkörper große Dimensionen mit Hunderten von Kühlrippen annehmen können, hat CADFEM eine strukturierte Vernetzung mit „Edge Sizing“ im Ablauf vorgesehen. Dies reduziert die Berechnung auf die relevanten Punkte und beschleunigt den Rechenprozess, ohne an Aussagekraft zu verlieren.

App in Action - Strömungssimulation

Ist die intelligent strukturierte Vernetzung aufgebaut, wird direkt Ansys Fluent von selbst aufgerufen, um die Strömungssimulation (CFD) vorzunehmen. Hier finden nun alle Informationen aus den Excel-Werten und den SpaceClaim-3D-Modellen in Form eines dynamisch erzeugten „Journals“ zusammen und durchlaufen sämtliche Iterationen der CFD-Simulation.

App in Action – Kühlkörper Simulationsreport

Als Ergebnisprotokoll öffnet sich im Browser ein ausführlicher „Kühlkörper Simulationsreport“ in HTML. Er enthält alle Angaben, Tabellen und Diagramme zu den in der Simulation verwendeten Parametern und die Ergebnisse. Dort findet sich am Ende auch das 3D-Modell. Die kritischen Zonen sind sofort im Farbverlauf ersichtlich, eine Zoom- und Drehfunktion ermöglich die genaue Betrachtung. Das alles, ohne die Browserumgebung verlassen zu müssen.

Kundenanforderung in Rekordzeit gelöst

Zur Lösung der eingangs beschriebenen 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. Sascha Walker zieht ein positives Resümee: „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. Im konkreten Beispiel hier ist dies sogar noch deutlich übertroffen worden. Mit der klassischen Vorgehensweise benötigten wir 12 Stunden, durch die Automatisierung der CADFEM-Kühlkörper-App erreichten wir das Ziel in 5 Stunden.“ Ein „cooles“ Ergebnis, das die ELEKTRON AG dazu bewog, Designprüfung in Verbindung mit Simulation verstärkt als wertvollen Service für ihre Kunden anzubieten.

ELEKTRON AG
Sascha Walker
www.elektron.ch

Autor: Thomas Löffler (freier Redakteur)
Bilder: © ELEKTRON AG
Veröffentlicht: Dezember 2022

Kontakt CADFEM (Suisse) AG