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Simulationsgestütztes Design ist eine Methode zur Integration der thermischen Simulation in die Phase, in der die grundlegenden Designentscheidungen getroffen werden, welche die Leistung und das Aussehen des Produkts maßgeblich bestimmen.

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Simulation: Der Motor des Projekts Simulationsgestützte Entwicklung verkürzt Markteinführungszeiten deutlich

23.06.2022

Bei der Entwicklung von neuen Produkten mussten beim traditionellen Entwicklungsprozess oftmals mehrere Prototypen erstellt werden und bei Änderungen am Produkt mussten oftmals Entwicklungsphasen wiederholt werden. Diese und weit mehr Faktoren verschwinden komplett, wenn man auf eine simulationsgestützte Entwicklung setzt.

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Die endgültige Durchsetzung der LED-Technologie im Beleuchtungsbereich stellt Entwickler vor allem vor die Herausforderung, die von den LEDs erzeugte Wärmeabgabe wirksam zu steuern. Ihr einwandfreies Funktionieren hängt in hohem Maße von der Betriebstemperatur ab, die sowohl ihre Leistungsfähigkeit als auch ihre Langlebigkeit bestimmt. In diesem Artikel teilen wir die Erfahrungen, die wir als Cadlog an der Seite erfolgreicher Unternehmen gesammelt haben, und erläutern, wie die thermische Leistung einer LED-Leuchte optimiert wird, ohne die Designanforderungen des Produkts zu beeinträchtigen.

Simulationsgestütztes Design ist eine von Siemens Digital Industries vorgeschlagene Methode zur Integration der thermischen Simulation in die Phase, in der die grundlegenden Designentscheidungen getroffen werden, welche die Leistung und das Aussehen des Produkts maßgeblich bestimmen.

Anders als bei der „traditionellen“ Methode experimentiert der Entwickler bei diesem Ansatz von Anfang an mit verschiedenen Alternativen und simuliert deren thermisches Verhalten, ohne seine Entwurfsumgebung zu verlassen. Prototypen werden digital realisiert, wobei der sogenannte „Digital Twin“, oder digitale Zwilling, entsteht, das heißt eine Simulation des realen Produkts, die dessen Betriebseigenschaften perfekt imitiert. So kann der Entwurfsprozess fortgesetzt werden, indem die vielversprechendsten Lösungen ausgewählt werden.

Traditionelle Methode

  • Die Entwickler – elektronisch oder mechanisch – erstellen den Entwurf und geben ihn zur weiteren Optimierung an die Simulationsexperten weiter.

  • Für jede erforderliche Änderung werden die verschiedenen Entwurfsphasen wiederholt.

  • Jede Variante wird zu einer zusätzlichen Kostenposition.

  • Es können mehrere physische Prototypen notwendig sein.

Simulationsgestütztes Design

  • Die Entwickler – elektronisch oder mechanisch – führen Simulationen bereits in den frühesten Entwicklungsphasen durch.

  • Notwendige Änderungen werden sofort erkannt und die Maßnahmen sind unkompliziert und wenig zeitaufwendig.

  • Experimente mit verschiedenen Varianten sind mit geringerem Aufwand realisierbar.

  • Das Prototyping ist virtuell.

Simcenter FLOEFD

Das Werkzeug erster Wahl für die Umsetzung des simulationsgestützten Designs in der Beleuchtungstechnik ist Simcenter FLOEFD von Siemens Digital Industries. Simcenter FLOEFD revolutioniert das LED-Design vor allem in drei Bereichen:

Integration mit mechanischem CAD. Durch die vollständige Integration mit allen wichtigen mechanischen CAD-Systemen – NX, Solid Edge, Creo, Catia und Solidworks – ist kein Datentransfer zwischen CAD und CFD über STEP files erforderlich. Entwurfs- und CFD-Modelle bleiben synchronisiert und sowohl der Zeitaufwand für die Simulation als auch die Entwicklungskosten werden reduziert.

Automatisierte parametrische Studien sparen dem Benutzer Zeit, da er sich anstatt auf manuelle Aufgaben auf die Definition des Modells konzentrieren und so in kürzerer Zeit ein optimales Design erstellen kann.

Spezifische Technologie. Simcenter FLOEFD kann auch für fortgeschrittene Modellierung oder zur Untersuchung komplexer Phänomene wie Kondensationsanalyse, Sonneneinstrahlung, Hot Spots und Eisbildung verwendet werden. Es ist auch das ideale Werkzeug für die genaue Modellierung von LEDs, welche durch den Import von experimentellen thermischen und optischen Charakterisierungen aus dem TERALED-Gerät erreicht werden kann.

Erfolgsbeispiel

Ein Anwendungsbeispiel dieser Methode ist Cariboni, ein i italienischer Hersteller von Außenbeleuchtungen. Ein Sektor, in dem die Temperatur, die Farbe und die Aufrechterhaltung der Leistung über einen längeren Zeitraum hinweg unter stark schwankenden Umweltbedingungen entscheidende Faktoren sind.

Bei Außenleuchten befinden sich die elektronischen Bauteile in einem luftdichten Gehäuse, das keine Zirkulation mit der Außenluft zulässt. Dies erschwert die Wärmeableitung, insbesondere bei Produkten, deren Design ein strategischer und unabdingbarer Aspekt ist.

Durch den Einsatz von Simcenter FLOEFD und die Zusammenarbeit mit Cadlog konnten die Designer von Cariboni die Anfertigung von Prototypen und eine Vielzahl an empirischen Tests vermeiden und so die Kosten und den Zeitaufwand für die Herstellung des Produkts reduzieren, das sich als wettbewerbsfähig und erfolgreich auf dem Markt erwies. Der digitale Designansatz ermöglichte es, dem Experimentieren mit unterschiedlichen Ausführungen keine Grenzen zu setzen. Auch andere Produkte des Unternehmens profitierten von der thermischen Prüfung von Bauteilen, wie MCPCBs und LEDs.

TERALED

Die thermische Charakterisierung ist ein wesentliches Element bei der thermischen Simulation eines Designs mit LEDs. Simcenter T3STER und Simcenter TERALED bilden eine kombinierte elektrische, thermische und radiometrische/photometrische Teststation für LEDs und LED-Module. Die Ergebnisse dieser Messungen sind kompakte Multi-Domain-Modelle, die für die Simcenter-Software zur thermischen Simulation bereitstehen.

Diese LED-Testlösungen entsprechen dem JEDEC-Standard JESD51-52 und folgen den technischen Berichten CIE 127:2007 und 225:2017. Der tatsächliche Temperaturwiderstand und die Lichtabgabe werden als Funktion der tatsächlichen LED-Übergangstemperatur über einen breiten Strombereich gemessen.

Der Prozess ist vollständig automatisiert. Spektralradiometer von Drittanbietern helfen bei der Erfassung von Emissionsspektren, die einen weiteren Beitrag zur präzisen Modellierung der Lichtabgabeeigenschaften des LED-Pakets im Beleuchtungsdesign leisten.

Simulation der UV-C-Anti-Covid-Sterilisation

Die UV-C-Sterilisation von Räumen und Klimaanlagen ist eine der wichtigsten Maßnahmen, um Pandemien wie Covid-19 zu unterbinden. Simcenter FLOEFD ermöglicht die Simulation der keimtötenden Wirkung von UV-C-Lichtquellen in der Planungsphase von Anlagen, insbesondere von Lüftungsanlagen.

UV-C-Strahlen sind eine bestimmte Gruppe von ultravioletten Strahlen mit einer Wellenlänge zwischen 200 und 280 Nanometern. Sie sind in der Lage, in das Innere von Mikroorganismen, wie Bakterien, Viren, Schimmelpilze, einzudringen, in deren Moleküle zu gelangen, die DNA zu verändern und sie dadurch unwirksam zu machen.

Durch die Bestrahlung von Gegenständen und Flüssigkeiten wie Luft oder Wasser mit UV-C-LEDs können die darin enthaltenen Bakterien und Viren vernichtet werden. Zu den Hauptanwendungsbereichen gehören Sanitäranlagen und HVAC Anwendungen, typischerweise Klimaanlagen, in Umgebungen wie Krankenhäusern, Büros, Einkaufszentren und Verkehrsmitteln.

Simulation der Keimtötungseffizienz mit Simcenter FLOEFD

Simcenter FLOEFD verfügt über eine spezielle Technologie zur Berechnung der tatsächlichen keimtötenden Dosis, die von den UV-C-LEDs freigesetzt und in den Flüssigkeiten aufgenommen wird, um zu verstehen, ob eine bestimmte Designhypothese eine ausreichende keimtötende Wirkung hat oder nicht. Die Integration mit mechanischem CAD ermöglicht es, die geometrischen Parameter des Lüftungsgeräts zu variieren, um die Veränderung der keimtötenden Wirkung zu simulieren, bis ein ausreichender Schwellenwert erreicht ist.

Bildergalerie

  • Simcenter TERALED, kombinierte Teststation für LED-Geräte

    Simcenter TERALED, kombinierte Teststation für LED-Geräte

    Bild: Cadlog

  • Ein HVAC-Kanal mit 11 UVC Röhren (60 W) zeigt die keimtötende Effizienz der Bestrahlung (links) und die Bestrahlung des tatsächlichen keimtötenden Volumens (rechts) mit dem Durchfluss von links nach rechts.

    Ein HVAC-Kanal mit 11 UVC Röhren (60 W) zeigt die keimtötende Effizienz der Bestrahlung (links) und die Bestrahlung des tatsächlichen keimtötenden Volumens (rechts) mit dem Durchfluss von links nach rechts.

    Bild: Cadlog

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