Schneller zu hochgenauen optischen Sensoren
Der Name ifm electronic steht für Automatisierung und Digitalisierung „made in Germany“. Einer der Kernbereiche sind optische Sensoren, die Signale hochpräzise erfassen und übertragen müssen. Dies gelingt nur mit unterschiedlichen Simulationen – deren kombinierter Einsatz aber lange aufwändig war: Bis unter Mitwirkung von ifm ein optomechanischer Workflow in Ansys entwickelt wurde.
Kontaktlose Schaltungen, Lichtschranken, Objekterfassung, Identifikationssysteme: Die optischen Sensoren von ifm mit Hauptsitz in Essen und Technologiezentren im Bodenseeraum sind allgegenwärtig.
Mit der Digitalisierung und der Transformation zur Industrie 4.0 ist die Nachfrage nach Sensorlösungen drastisch gestiegen. Gefragt sind leistungsstarke, extrem zuverlässige und meist hochspezifische Produkte, denn die Bandbreite an Anwendungen und Einsatzgebieten ist enorm. Ohne den Einsatz von Simulationstechnologie ist die Entwicklung der optischen Sensoren heute nicht mehr zu bewältigen. Schon früh hat ifm im Zentrum für Technologie und Verfahrenstechnik am Standort Tettnang auch ein Kompetenzteam für Simulation und Berechnung etabliert. Initiiert und bis heute geleitet wird es von Bernhard Schneider, der im Jahr 2012 auf der Fachmesse SPS-IPC-Drives Ansys als passende Software und CADFEM als den richtigen Partner für die nachhaltige Nutzung von Simulation bei ifm entdeckte.
Strukturmechanische Simulationen
Startpunkt waren – auch wenn man dies in den Bereichen Automatisierung und Sensorik nicht unbedingt erwartet – strukturmechanische Berechnungen mit Ansys Mechanical. Die Festigkeit der Komponenten ist ein elementares Qualitätsmerkmal, sie muss auch gegeben sein, wenn das Bauteil thermischen Effekten oder Vibrationen ausgesetzt ist. Derlei Untersuchungen sind insbesondere in frühen Entwicklungsphasen am Prüfstand aufwändig, fehleranfällig und lückenhaft. Durch die Simulationen, die Bernhard Schneider und sein Team durchführen, wurden nicht nur die Testzyklen und Entwicklungsloops erheblich kürzer und kostengünstiger, sondern viele zusätzliche Erkenntnisse, auch für weitere Entwicklungen, konnten so gewonnen werden.
Optische Simulationen
Die optischen Sensoren von ifm arbeiten zur elektromagnetischen Informationsübertragung mit Licht im roten und infraroten Frequenzbereich. Um hier unabhängig von den oben skizzierten mechanischen Einflüssen präzise das modulierte Licht und die transportierten Informationen abbilden zu können, wurde ein Werkzeug zur makroskopischen Optiksimulation eingeführt: Ansys Speos. Diese Software gehört seit der Übernahme der Entwicklerfirma durch Ansys, Inc. im Jahr 2018 zum Portfolio des Unternehmens. Ziel war es, das optische mit dem strukturmechanischen Feld zu koppeln und ein noch exakteres Gesamtbild zu gewinnen.
Kombinierte Anwendung mit Hindernissen
Unterschiedliche Simulationen entfalten bei Aufgaben, wie sie bei ifm üblich sind, nur dann ihren vollen Nutzen, wenn sie nicht sequenziell, sondern kombiniert durchgeführt werden. Nur so werden Wechselwirkungen erkannt und ein realistisches virtuelles Bild der untersuchten Vorgänge erzeugt. Da es sich bei Mechanik und Optik um verschiedene physikalische Domänen handelt und die Softwarelösungen unabhängig voneinander entstanden sind, war die angestrebte integrierte Nutzung umständlich.
So musste bei der Kopplung das strukturmechanische Netz in Ansys Speos importiert werden, was eine Nachvernetzung der optischen Komponenten notwendig machte, unter der wiederum die Genauigkeit litt. Folglich war es notwendig, das strukturmechanische Netz wesentlich feiner und gleichmäßiger auszulegen, was einen enormen Anstieg an Rechenzeit zur Folge hatte.
Der optomechanische Simulations-Workflow in Ansys
Um hier effizienter zu werden, sprachen Bernhard Schneider und sein Mitarbeiter Orestis Hassomeris die Problematik beim regelmäßigen Austausch mit CADFEM an. Das CADFEM Team wiederum nutzte seinen kurzen Weg zu den Entwicklungsverantwortlichen bei Ansys, um die Notwendigkeit eines schlanken optomechanischen Workflows zu adressieren. Da die Bedeutung von Optomechanik auch bei anderen Kunden zunimmt und es der Anspruch von Ansys ist, dass die hauseigenen Lösungen harmonieren, wurde der Workflow unter Einbindung der ifm Anwender umgesetzt.
Ergebnis: Das verformte Netz aus der Strukturmechanik wird vom optischen Netz in Speos entkoppelt und stattdessen in einen Solid-3D-Körper umgewandelt. Dieser kann in Speos vernetzt werden, was den Zeitbedarf für diesen Schritt von bisher 10 Stunden auf nur noch 20 Minuten reduziert, ohne Kompromisse bei der Qualität eingehen zu müssen.
Welche Bedeutung hat Simulation für den Entwicklungsprozess in Ihrem Unternehmen?
Für ifm hat die Simulation einen hohen Stellenwert. Durch sie konnte der Zeitaufwand in der Grundlagen- und Produktentwicklung stark reduziert werden, da wichtige Erkenntnisse und konstruktive Änderungen frühzeitig in die Entwicklung einfließen.
Warum ist es für ifm wichtig, bei der Entwicklung von optischen Sensoren thermische und strukturmechanische Effekte frühzeitig zu berücksichtigen?
Die thermomechanische Verzerrung und Spannung haben einen wichtigen Einfluss auf die optische Achse bzw. dem Strahlengang von optischen Bauteilen. Mit Simulation erfassen wir ihn und können rechtzeitig gegensteuern.
Wie bewerten Sie die Zusammenarbeit mit CADFEM?
Die Zusammenarbeit war stets offen, kommunikativ und lösungsorientiert.
Digitale Überzeugungstäter
Die Produkte von ifm sind eng verknüpft mit der Digitalisierung und Automatisierung der Industrie und vieler Lebensbereiche der Menschen. Damit leisten sie wertvolle Beiträge für bessere Lebens- und Arbeitsbedingungen, für Nachhaltigkeit, Umwelt- und Klimaschutz. Zu dieser Mission passt auch die konsequente Nutzung digitaler Werkzeuge in der eigenen Produktentwicklung. Simulationen sind deshalb bei ifm fest verankert und werden weiter ausgebaut.
Das Spektrum an Tools ist breit, neben Ansys Mechanical und Speos gehören längst auch weitere Ansys Produkte wie optiSlang (Robustheitsbewertung), Sherlock (Lebensdauerberechnung von Elektronik) oder Zemax OpticStudio zur Ausstattung des zentralen Simulationsteams bei ifm. Zugriff auf weitere Module und die unkomplizierte fachliche Weiterbildung der Anwender hat sich ifm durch eine langfristige Partnerschaft mit der CADFEM Germany GmbH gesichert, die auch darüber hinaus der erste und regelmäßige Ansprechpartner von ifm zum Thema Simulation und Digital Engineering ist.
Über ifm
Messen, steuern, regeln und auswerten – wenn es um wegweisende Automatisierungs- und Digitalisierungstechnik geht, ist die ifm-Unternehmensgruppe der ideale Partner. Seit der Firmengründung im Jahr 1969 entwickelt, produziert und vertreibt ifm weltweit Sensoren, Steuerungen, Software und Systeme für die industrielle Automatisierung sowie für SAP-basierte Lösungen für Supply Chain Management und Shop Floor Integration.
Als einer der Pioniere im Bereich Industrie 4.0 entwickelt und implementiert ifm ganzheitliche Lösungen für die Digitalisierung der gesamten Wertschöpfungskette „vom Sensor bis ins ERP“.
Heute zählt die in zweiter Generation familiengeführte ifm-Unternehmensgruppe mit mehr als 8.700 Beschäftigten zu den weltweiten Branchenführern. Dabei vereint der Mittelstandskonzern die Internationalität und Innovationskraft einer wachsenden Unternehmensgruppe mit der Flexibilität und Kundennähe eines Mittelständlers.
