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Bild: iStock, Jackie Niam

Simulation für die Entwicklung Virtuelle Elektronikwelten

04.10.2018

In den letzten 25 Jahren entwickelte sich die Simulation von einem Nischenphänomen zu einem voll integrierten Bestandteil jeder Produktentwicklung. Auf dem Markt lassen sich immer neue Dynamiken sowie Einsatzszenarien für Simulationen beobachten. Wir verraten Ihnen den aktuellen Stand.

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Simulation kann zum Sieg verhelfen. Das zeigte sich erst im August diesen Jahres sehr eindrucksvoll beim berüchtigten Autorennen Pikes Peakes in den amerikanischen Rocky Mountains. Seinen legendären Ruf verdankt dieser Wettkampf vor allem der Tatsache, dass die Fahrer - im Gegensatz zu anderen Autorennen - vor dem eigentlichen Startschuss keine Gelegenheit haben die Rennstrecke auch nur ein einziges Mal auf kompletter Länge abzufahren. Daher musste Volkswagen Motorsport einen anderen Weg gehen, um den neue entwickelten elektronischen Rennwagen „I.D. R Pikes Peak“ zumindest einmal vorher zu testen.

Das Unternehmen entschied sich daher für den Einsatz einer Simulationssoftware, mit der nicht nur die Testfahrten, sondern auch der Windkanal ersetzt werden konnte. Mehr noch: Das Ansys-Programm konnte sogar äußere Bedingungen darstellen, die ein herkömmlicher Windkanal gar nicht hätte abbilden können - wie zum Beispiel den niedrigen Luftdruck auf der hoch gelegenen Teststrecke. Der Einsatz lohnte sich für die Autobauer: Auch aufgrund der detaillierten Simulation gewannen sie das Rennen souverän.

Dieses Beispiel zeigt sehr plastisch, dass Simulation längst keine Spielerei mehr ist. Schon seit Jahren wird sie nicht nur bei der Entwicklung von Automobilen, sondern längst auch in verschiedenen Variationen in die Produktentwicklung der Elektronik-
industrie integriert - in manchen Prozessen schon sehr früh, in manchen musste sie sich erst beweisen. Schon längst haben sich zudem entsprechende Dienstleister auf dem Elektronikmarkt etabliert. Einer davon ist das Unternehmen Alpha Numerics, das sich auf Elektronikkühlung spezialisiert hat. Geschäftsführer Tobias Best ist Geschäftsführer des Unternehmens Alpha Numerics, einem Spezialisten für Elektronikkühlung und kennt die Simulationsbranche bereits seit Jahrzehnten.

Erfolgsfaktor statt Spielerei

Nach Meinung des Alpha-Numerics-Geschäftsführers Best kann es sich heute kein Unternehmen mehr leisten auf Simulation zu verzichten. „Es lohnt sich immer zu simulieren. Die Simulation ist heute aus der Produktentwicklung auch gar nicht mehr wegzudenken.“ Dabei liegen die Vorteile dieser Methode für ihn auf der Hand: So bietet die Möglichkeiten mehr Erfahrung zu sammeln, Entwicklungswege zu verkürzen und somit Zeit und Geld zu sparen. Gerade bei Baugruppen wie Platinen oder kompletter Elek-
tronikgeräte könnte man ohne Simulation heute gar nicht mehr konkurrenzfähig entwickeln.

Disziplinen kombinieren

Eine ähnliche Meinung vertritt auch Martin Haug, Division Manager R&D Power Modules bei Würth Elektronik eiSos: „Bei uns im Unternehmen kommen in der Produktentwicklung schon seit vielen Jahren Simulations-Tools zum Einsatz. Die Anwendung der Simulations-Tools erfolgt entlang des kompletten Entwicklungsprozesses, angefangen bei der Prüfung neuer Ideen auf Machbarkeit, über das eigentliche Produktdesign inklusive Verifikation, bis hin zur Unterstützung bei der Fehlersuche.“ Haug zufolge setzten die Entwickler bei Würth in den letzten Jahren verstärkt auf eine integrierte Simulations- und Entwicklungsumgebung, die eine Analyse multiphysikalischer Systeme mittels Kopplung unterschiedlicher physikalischer Disziplinen erlaube.

Er gibt allerdings auch zu Bedenken, dass aufgrund der Komplexität der eingesetzten Entwicklungsumgebung die Schulung der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter immer bedeutsamer wird, um ineffiziente Nutzung und Fehlinterpretationen bei der Bewertung der Simulationsergebnisse zu vermeiden. Bei Würth setzen sie daher auf eine enge Zusammenarbeit mit den Software-Anbietern bei der Abstimmung von Trainingsinhalten und Support-Leistungen. Darüber hinaus hilft die team- und bereichsübergreifende Vernetzung der Nutzer in Peer-Groups.

Der physische Prototyp bleibt unersetzlich

Gleichwohl kann auch die beste Simulation aktuell keinen physischen Prototypen ersetzen, da sich zwei zentrale Unwägbarkeiten ergeben: Die Toleranz der Physikalischen Attribute der eingesetzten Materialien und die Montagetoleranz. „Sie können beispielsweise den Fettfinger des Monteurs oder die Montagekraft der nicht maschinell angezogenen Schraube nicht seriös prognostizieren. Beide können aber trotzdem das Ergebnis beeinflussen,“ betont Simulationsexperte Best. Simulation stellt für ihn aber auf jeden Fall eine sinnvolle Ergänzung vor dem Bau eines Prototypen dar.

Die Möglichkeiten, diese Ergänzung möglichst gewinnbringend in die eigene Produktentwicklung zu integrieren, steigen dabei ständig: Beispielsweise umfasst allein die Liste an Anbieter von Simulationssoftware mittlerweile eine beeindruckende Länge und auch die Vielfalt der Programme selbst erstreckt sich von Full-Service-Angeboten bis hin zu solchen mit hohem Spezialisierungsgrad. Und auch die Vielfalt an verschiedenen Simulationsvarianten ist beachtlich. Längst lässt sich fast alles simulieren: Von komplexen Bauteilen über detaillierte Schaltkreise bis hin zur Wärmeleitfähigkeit verschiedener Materialien.

Start-ups profitieren besonders

Dass sich der Einsatz von Simulation insbesondere auch für kleine und neue Firmen lohnt, zeigt der Erfolg des Start-up-Programms von Ansys: Damit ermöglicht der Softwareanbieter Start-ups auf der ganzen Welt einen kostengünstigen Zugriff auf seine technischen Simulationslösungen. Ein Angebot, das bereits von einigen neu gegründeten Firmen genutzt wird: Nach Angaben von Ansys nehmen daran weltweit aktuell 524 Start-ups teil. 16 dieser Neugründungen kommen aus Deutschland.

Senior Manager Paul Lethbridge verantwortet das Programm auf Seiten von Ansys und beschreibt den Nutzen des Programms: „Engineering Simulation lohnt sich bereits für Start-ups, weil sie Entrepreneuren und Ingenieuren die Fähigkeit verleiht, mehrere Iterationen von virtuellen Prototypen zu entwickeln und zu testen. Simulation kann Konstruktionsfehler effektiv identifizieren, die zur Aussonderung eines physikalischen Prototyps oder einer Beta-Version führen würden.“ Gerade für kleine Unternehmen sind Rückschläge in der Spätphase der Produktentwicklung besonders problematisch, da sie erhebliche Kosten verursachen, zu denen nicht nur Time-to-Market-Verzögerungen zählen. Sie können zudem die Glaubwürdigkeit bei Investoren und potenziellen Kunden beeinträchtigen. Simulation kann auch einzigartige, aber hochfunktionale Konstruktionen und Interaktionen effizient identifizieren, was zu äußerst wettbewerbsfähigen, sogar wegweisenden Technologien führt.

Trotzdem lohnt sich Simulation nicht in allen Fällen. Dazu erklärt Experte Tobias Best: „Es gibt Bereiche, in denen man mit der Simulation mit Kanonen auf Spatzen schießt. Wir hatten zum Beispiel mal eine Anfrage für eine Simulation der EMV-Belastbarkeit von Kabeln in Spielautomaten. Das wäre sicher eine nette Abschlussarbeit, ein Projekt, dass man mit viel Zeit auch gut simulieren könnte. Die wesentlich einfachere Lösung in diesem Fall war es trotzdem einfach, die Kabel mit Aluminium zu umwickeln, um die Kabel abzuschirmen.“

Insgesamt wird Simulation in Zukunft tendenziell aber eher noch zusätzlich an Bedeutung gewinnen, und das nicht nur im Bereich der Autorennen. Best ist davon überzeugt, dass auch in Zukunft viel Bewegung auf dem Simulationsmarkt zu beobachten sein wird. „Es etablieren sich ständig neue Materialien auf dem Markt, an die die Software angepasst werden muss. Außerdem werden die Tools immer schneller und die Visualisierung der Ergebnisse wird bereits jetzt immer wichtiger“, erklärt er. Und auch Anwender Martin Haug sieht so schnell kein Ende der aktuellen Entwicklungen auf dem Markt: „In den kommenden Jahren wird die Nutzung von Simulations-Tools bei Würth Elektronik eiSos weiter intensiviert
werden.“

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