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Analyse-Leitfaden für elektronische und elektrische Produkte.

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W H I T E P A P E R<br />

<strong>Analyse</strong>-<strong>Leitfaden</strong> für<br />

Konstrukteure von<br />

<strong>elektronische</strong>n/<strong>elektrische</strong>n<br />

<strong>Produkte</strong>n<br />

Übersicht<br />

In diesem Dokument zeigen wir die wichtigsten Aufgabenstellungen auf, mit denen sich Hersteller von <strong>elektronische</strong>n<br />

<strong>und</strong> <strong>elektrische</strong>n <strong>Produkte</strong>n konfrontiert sehen. Erläutert werden außerdem die Vorteile, die die SolidWorks ® Simulation<br />

Software für die Konstruktion <strong>elektronische</strong>r <strong>und</strong> <strong>elektrische</strong>r <strong>Produkte</strong> bietet. Es werden die <strong>Analyse</strong>arten beschrieben,<br />

die die SolidWorks Simulation Software durchführen kann. Darüber hinaus wird belegt, warum diese <strong>Analyse</strong>n für die<br />

Entwicklung <strong>elektrische</strong>r <strong>und</strong> <strong>elektronische</strong>r <strong>Produkte</strong> entscheidend sind.


Einführung<br />

<strong>Analyse</strong>- <strong>und</strong> Simulations-Programme sind unverzichtbare Werkzeuge für die<br />

Entwicklung, Zertifizierung <strong>und</strong> den Erfolg <strong>elektronische</strong>r <strong>und</strong> <strong>elektrische</strong>r <strong>Produkte</strong>.<br />

Hersteller solcher <strong>Produkte</strong> müssen neben staatlichen Auflagen, wie z. B. Normen<br />

bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) <strong>und</strong> Produktsicherheit,<br />

auch zahlreiche Industriestandards, wie etwa den Bellcore-Standard für<br />

Telekommunikationsgeräte <strong>und</strong> Standards bezüglich der Zuverlässigkeit von<br />

Leiterplatten, erfüllen. So müssen beispielsweise alle Leiterplatten einer Last von ca.<br />

9,5 kg auf den Mittelpunkt standhalten. In Verbindung mit der Forderung der K<strong>und</strong>en<br />

<strong>und</strong> Märkte nach kleineren, kompakteren <strong>und</strong> einfacheren <strong>Produkte</strong>n wird dadurch<br />

ein Konkurrenzdruck erzeugt, der die fehlerfreie <strong>und</strong> zuverlässige Entwicklung<br />

<strong>elektronische</strong>r <strong>und</strong> <strong>elektrische</strong>r <strong>Produkte</strong> unabdingbar macht.<br />

Mit einer Simulations-Software können<br />

Ingenieure das Leistungsverhalten ihrer<br />

Konstruktionen simulieren <strong>und</strong> potenzielle<br />

Probleme vor dem Prototypenbau <strong>und</strong> dem<br />

Produktionsbeginn identifizieren <strong>und</strong> beheben.<br />

Abbildung 1: Dank der CFD-<strong>Analyse</strong>n (Computational Fluid Dynamics) können teure physische<br />

Prototypen eliminiert <strong>und</strong> ernsthafte Probleme viel früher im Konstruktionsprozess erkannt<br />

werden.<br />

Heutzutage verwenden Hersteller <strong>elektronische</strong>r <strong>und</strong> <strong>elektrische</strong>r <strong>Produkte</strong> eine<br />

Simulations-Software, um Verhalten <strong>und</strong> Leistungsfähigkeit diverser Konstruktionen<br />

zu simulieren <strong>und</strong> zu bewerten. Dazu gehören u. a. Unterhaltungselektronik,<br />

Haushaltsgeräte, High-Tech-Instrumente, <strong>elektronische</strong> Komponenten, Leiterplatten,<br />

Hochfrequenzgeräte, Motoren, Antriebssysteme, <strong>elektrische</strong> Steuerungen, mikroelektromechanische<br />

Systeme (MEMS), optische Netzwerke, Komponenten für<br />

die <strong>elektronische</strong> Aufbau- <strong>und</strong> Verbindungstechnik (Electronics Packaging) sowie<br />

Halbleiter. Mit einer Simulations-Software können Ingenieure das Leistungsverhalten<br />

ihrer Konstruktionen bewerten <strong>und</strong> potenzielle Probleme vor dem Prototypenbau<br />

<strong>und</strong> dem Produktionsbeginn identifizieren <strong>und</strong> beheben.<br />

Simulation an der Spitze der Entwicklung von <strong>elektronische</strong>n <strong>und</strong><br />

<strong>elektrische</strong>n <strong>Produkte</strong>n<br />

Unabhängig davon, ob Ingenieure, die Elektronik- oder Elektroprodukte entwickeln,<br />

elektromechanische Systeme in Miniatur, Funk-Telekommunikationsprodukte<br />

oder <strong>elektronische</strong> Verpackungen entwerfen, sehen sie sich zwei gr<strong>und</strong>legenden<br />

Einschränkungen gegenüber: Zeit <strong>und</strong> Bauraum. Ungeachtet des eigentlichen<br />

Endprodukts werden von Konstrukteuren, die auf diesem Gebiet tätig sind, <strong>Produkte</strong><br />

mit kleineren Abmessungen <strong>und</strong> einer schnelleren Marktreife erwartet.<br />

In diesem Umfeld bleibt ihnen nur wenig Zeit, mehrere Prototypen zu bauen <strong>und</strong><br />

anhand von Versuchen ein besseres Verständnis des physikalischen Verhaltens ihrer<br />

Konstruktionen zu erlangen. Diese Informationen spielen jedoch bei der Herstellung<br />

innovativer <strong>und</strong> qualitativ hochwertiger <strong>Produkte</strong> eine äußerst wichtige Rolle.<br />

<strong>Analyse</strong>-<strong>Leitfaden</strong> für Konstrukteure von <strong>elektronische</strong>n/<strong>elektrische</strong>n <strong>Produkte</strong>n 2


Simulationswerkzeuge tragen dazu bei, dass Konstrukteure <strong>elektronische</strong>r <strong>und</strong><br />

<strong>elektrische</strong>r <strong>Produkte</strong> das physikalische Verhalten ihrer Konstruktionen rasch<br />

verstehen, ohne auf kostspielige Prototypen <strong>und</strong> physikalische Tests zurückgreifen<br />

zu müssen, die den Produktkonstruktionszyklus verlängern. Der Bellcore-Standard<br />

für Netzgeräte in der Telekommunikationsbranche ist nur ein Beispiel hierfür.<br />

Simulationswerkzeuge tragen dazu bei, dass<br />

Konstrukteure <strong>elektronische</strong>r <strong>und</strong> <strong>elektrische</strong>r<br />

<strong>Produkte</strong> das physikalische Verhalten ihrer<br />

Konstruktionen rasch verstehen, ohne auf<br />

kostspielige Prototypen <strong>und</strong> physikalische<br />

Tests zurückgreifen zu müssen, die den<br />

<strong>Produkte</strong>ntwicklungszyklus verlängern.<br />

Abbildung 2: CFD-<strong>Analyse</strong>n (Computational Fluid Dynamics) machen die Auswirkung der<br />

Luftströmung auf die Temperaturverteilung in <strong>elektrische</strong>n Komponenten deutlich, wie etwa bei der<br />

hier dargestellten Leiterplatte.<br />

Der von Telefondienstanbietern eingerichtete Bellcore-Standard zur<br />

Aufrechterhaltung des Telefonbetriebs auch bei Naturkatastrophen, wie z. B.<br />

einem Erdbeben, legt fest, dass Telekommunikationsprodukte bestimmten<br />

physikalischen Bedingungen (hohen Temperaturen, hoher Luftfeuchtigkeit <strong>und</strong><br />

strukturmechanischen Schwingungen) störungsfrei standhalten <strong>und</strong> anderen<br />

Vorschriften, wie etwa den Normen für die elektromagnetische Verträglichkeit<br />

(EMV), genügen müssen.<br />

Alle Hersteller von <strong>elektronische</strong>n <strong>und</strong> <strong>elektrische</strong>n <strong>Produkte</strong>n können von der<br />

<strong>Analyse</strong>- <strong>und</strong> Simulationstechnologie profitieren, da auf diese Weise Ingenieure das<br />

physikalische Verhalten <strong>und</strong> die physikalischen Einschränkungen der Konstruktionen<br />

besser verstehen, <strong>und</strong> zwar ohne den für die Entwicklung mehrerer Prototypen<br />

erforderlichen Zeit- <strong>und</strong> Arbeitsaufwand.<br />

Anwendungsbereiche<br />

SolidWorks Premium kann auch die kompliziertesten Baugruppen verarbeiten. Mit<br />

speziellen Funktionen, wie z. B. dem reduzierten Modus für große Baugruppen,<br />

„Selektiv öffnen“ <strong>und</strong> SpeedPak, gestaltet sich die Bearbeitung von großen<br />

Baugruppen mit zigtausend Teilen genauso mühelos wie die Arbeit an Baugruppen<br />

mit wenigen Teilen.<br />

• Elektronische Aufbau- <strong>und</strong> Verbindungstechnik: Gehäuse, Abdeckungen,<br />

Konsolen, Einschübe<br />

• Leiterplatten: Halbleiter, Kühlkörper, mikro-elektromechanische Systeme<br />

(MEMS)<br />

• Kühlsysteme: Lüfter, Motoren, Luftströme<br />

• Hochfrequenzgeräte: Antennen, Sender, Schalter<br />

• Drahtlose Geräte/Telekommunikationsgeräte: Mobiltelefone, Radiogeräte,<br />

Router<br />

• Optische Netzwerkkomponenten: Verstärker, Schalter, Relais<br />

<strong>Analyse</strong>-<strong>Leitfaden</strong> für Konstrukteure von <strong>elektronische</strong>n/<strong>elektrische</strong>n <strong>Produkte</strong>n 3


• Elektrische Komponenten: Automobiltechnik, Transistoren, Kondensatoren,<br />

Schalter<br />

• Büro- <strong>und</strong> IT-Ausstattung: Computer, Server, Drucker, Kopierer<br />

• Haushaltsgeräte: Waschmaschinen, Trockner, Kühlschränke, Herde<br />

• Unterhaltungselektronik: Laptops, PDAs, Stereoanlagen, DVD-Player,<br />

Digitalkameras<br />

Abbildung 3: Mithilfe von Simulation können Ingenieure effektive Konstruktionen für die<br />

<strong>elektronische</strong> Aufbau- <strong>und</strong> Verbindungstechnik erstellen. Die Baldor Electric Company stellt mit<br />

der Simulations-Software von SolidWorks sicher, dass die für die Antriebssysteme mit variabler<br />

Geschwindigkeit produzierten Druckguss-Kühlkörper eine optimale Leistungsfähigkeit erbringen.<br />

Simulationsumfang<br />

• Überprüfung/Validierung von Konstruktionen: Funktioniert diese<br />

Konstruktion? Entspricht das Verhalten den Erwartungen?<br />

• Relative Bewertung: Welche Konstruktionsalternative ist die beste? Wie<br />

können schlecht funktionierende Konstruktionen ausgesondert <strong>und</strong> vermieden<br />

werden?<br />

• Miniaturisierung: Welche Auswirkung hat die Reduzierung der Abmessungen<br />

auf physikalische Eigenschaften?<br />

• Proof-of-Concept-Studien: Testen völlig neuer Konzepte ohne Prototypen.<br />

• Lebensdauer <strong>und</strong> Zuverlässigkeit: Ermüdungs-/Versagensanalyse,<br />

Fallprüfungen, Erschütterungssimulationen.<br />

• Erfüllen von Industriestandards <strong>und</strong> behördlichen Vorgaben: Bellcore, Federal<br />

Communications Commission (Zulassungsbehörde für Kommunikationsgeräte in<br />

den USA, FCC), Einhaltung der EMV/EMB-Standards.<br />

Abbildung 4: Delphi Packard Electric Systems, ein führender Hersteller von <strong>elektronische</strong>n<br />

Komponenten für die Automobilindustrie, verwendet SolidWorks Simulation zur Optimierung<br />

der Konstruktionen. Ein Beispiel hierfür sind diese beiden Guss-Aluminiumplatten mit<br />

Elastomerbeschichtung.<br />

<strong>Analyse</strong>-<strong>Leitfaden</strong> für Konstrukteure von <strong>elektronische</strong>n/<strong>elektrische</strong>n <strong>Produkte</strong>n 4


Abbildung 5: Die Größe spielt bei der Simulation keine Rolle. Sogar kleine Halbleiter-Chips können<br />

vernetzt (Abbildung 4) <strong>und</strong> analysiert (Abbildung 5) werden.<br />

Enge Integration in 3D-CAD-Systeme<br />

Die Simulations-Software SolidWorks Simulation ist nahtlos in alle gängigen CAD-<br />

Systeme <strong>und</strong> direkt in die SolidWorks CAD-Software, dem Standard in 3D-CAD,<br />

integriert. Das bedeutet, dass Ingenieure SolidWorks Simulation direkt in ihrem<br />

CAD-Modell verwenden können <strong>und</strong> die Konstruktionen nicht neu modellieren<br />

müssen, um die Simulation zu nutzen.<br />

Vergleichsstudien<br />

Die Konstruktion eines <strong>elektronische</strong>n oder <strong>elektrische</strong>n Produkts birgt<br />

einzigartige technische Herausforderungen. Welchen Belastungen <strong>und</strong><br />

Betriebsbedingungen unterliegt das Produkt? Welche Rolle spielt die Temperatur?<br />

Funktioniert das Kühlsystem ordnungsgemäß? Gibt es elektromagnetische <strong>und</strong><br />

Schwingungsprobleme?<br />

Außerdem lassen sich Vergleichsstudien durchführen (was wäre, wenn...). Damit<br />

können Ingenieure das beste Material <strong>und</strong> die beste mechanische Konstruktion<br />

für eine bestimmte Funktion bestimmen. Der Einsatz einer computerbasierten<br />

Modellier- <strong>und</strong> Simulations-Software zur Durchführung von Vergleichsauswertungen<br />

spart Zeit <strong>und</strong> Geld <strong>und</strong> kann zu einer besseren Leistungsfähigkeit der Konstruktion<br />

führen.<br />

Mit SolidWorks Simulation <strong>und</strong> den zahlreichen<br />

Simulationstechnologien kann gewährleistet<br />

werden, dass sich das Produktverhalten<br />

innerhalb der Konstruktionsgrenzwerte bewegt,<br />

das Produkt zuverlässig ist <strong>und</strong> keine Risiken<br />

hinsichtlich thermischer, elektromagnetischer<br />

oder spannungsbedingter Fehler birgt.<br />

Durch die Verknüpfung der Simulationsstudien mit der Konfigurationsverwaltung<br />

kann sich der Konstrukteur über viele Freiheitsgrade rasch der bestmöglichen<br />

Konstruktionslösung nähern.<br />

Abbildung 6: Tality, der weltweit größte unabhängige Anbieter von Elektronik-Konstruktionen,<br />

nutzt die Funktionalität der SolidWorks Software zur strukturmechanischen, thermischen <strong>und</strong><br />

Strömungssimulation zur Optimierung der Konstruktionen für die <strong>elektronische</strong> Aufbau- <strong>und</strong><br />

Verbindungstechnik.<br />

<strong>Analyse</strong>-<strong>Leitfaden</strong> für Konstrukteure von <strong>elektronische</strong>n/<strong>elektrische</strong>n <strong>Produkte</strong>n 5


Leistungsstarke <strong>Analyse</strong>n: thermische <strong>Analyse</strong>, Schwingungsanalyse,<br />

Strömungssimulation, nichtlineare <strong>Analyse</strong><br />

Zuverlässigkeit, Thermal Management <strong>und</strong> die Möglichkeit der Miniaturisierung<br />

sind die wichtigsten Anforderungen an die Konstruktionen von <strong>elektronische</strong>n <strong>und</strong><br />

<strong>elektrische</strong>n <strong>Produkte</strong>n. Unternehmen, die das Wärmemanagement mithilfe von<br />

Simulation sicherstellen, Miniaturkonzepte validieren <strong>und</strong> die Zuverlässigkeit schon<br />

zu Beginn der Konstruktionsphase berücksichtigen, sind der Konkurrenz einen<br />

Schritt voraus. Mit SolidWorks Simulation wird sichergestellt, dass diese Punkte<br />

bereits zu einem frühen Zeitpunkt des <strong>Produkte</strong>ntwicklungszyklus berücksichtigt<br />

werden. Dadurch sind Hersteller in der Lage, gleichzeitig die Zeit bis zur Marktreife<br />

zu verkürzen, die Entwicklungskosten zu senken <strong>und</strong> <strong>Produkte</strong> mit höherer Qualität<br />

<strong>und</strong> geringerem Garantieaufwand zu produzieren. Mit SolidWorks Simulation <strong>und</strong><br />

den diversen Simulationstechnologien kann gewährleistet werden, dass sich das<br />

Produktverhalten innerhalb der Konstruktionsgrenzwerte bewegt, das Produkt<br />

zuverlässig ist <strong>und</strong> keine Risiken hinsichtlich thermischer, elektromagnetischer oder<br />

spannungsbedingter Fehler birgt.<br />

Mit SolidWorks Simulation können Ingenieure<br />

die Eigenfrequenzen eines Bauteils oder einer<br />

Baugruppe simulieren <strong>und</strong> anhand dieser<br />

Informationen Änderungen an Geometrie oder<br />

Material vornehmen, um Resonanz <strong>und</strong> Biegung<br />

in bestimmten Bereichen zu vermeiden oder die<br />

Leistungsfähigkeit zu verbessern.<br />

Abbildung 7: Kryo Tech, Inc. setzt die Funktionen von SolidWorks Simulation zur thermischen <strong>und</strong><br />

Strömungsanalyse bei der Konstruktion innovativer Kühlsysteme für PCs ein.<br />

• Thermische Simulationen sind für <strong>elektronische</strong> <strong>und</strong> <strong>elektrische</strong><br />

Produktkonstruktionen von besonderer Bedeutung. Die Kontrolle der<br />

Temperatur – auf einer Leiterplatte, innerhalb eines Halbleiters oder<br />

eines Computergehäuses – stellt für den Konstrukteur eine der primären<br />

Konstruktionsherausforderungen dar. Mit SolidWorks Simulation<br />

können stationäre oder transiente thermische <strong>Analyse</strong>n an Bauteilen<br />

oder Baugruppen durchgeführt werden. Nach der Vernetzung der<br />

Konstruktion stellt der Konstrukteur alle relevanten Bedingungen ein<br />

<strong>und</strong> legt anschließend Verlustleistungs- oder Wärmeflussbedingungen<br />

fest, die mit einem geometrischen Merkmal des Modells verb<strong>und</strong>en sind.<br />

Da die Wärmeleitfähigkeit, der Wärmeausdehnungskoeffizient <strong>und</strong> die<br />

Wärmekapazität zu den Materialeigenschaften der Komponente gehören, erhält<br />

der Konstrukteur eine realistische Prognose der Temperaturverteilung unter<br />

den vorgegebenen Lasten <strong>und</strong> Betriebsbedingungen.<br />

• Schwingungsanalysen werden bei der Konstruktion vieler <strong>elektronische</strong>r <strong>und</strong><br />

<strong>elektrische</strong>r <strong>Produkte</strong> verwendet. Dazu gehören insbesondere Komponenten<br />

in Transportsystemen, wie etwa in Flugzeugen <strong>und</strong> Kraftfahrzeugen, sowie<br />

Handheld-Systemen in der Unterhaltungselektronik. Um eine zuverlässige<br />

Leistungsfähigkeit in einer dynamischen Umgebung sicherstellen zu können,<br />

müssen die sowohl Eigenfrequenzen einer Komponente oder Baugruppe als<br />

auch die Auswirkungen möglicher Spannungen oder Biegungen bekannt sein.<br />

Mit SolidWorks Simulation können Ingenieure die Eigenfrequenzen eines<br />

Bauteils oder einer Baugruppe simulieren <strong>und</strong> anhand dieser Informationen<br />

geometrische oder Materialänderungen vornehmen, um Resonanz <strong>und</strong><br />

Biegung in bestimmten Bereichen zu vermeiden oder die Leistungsfähigkeit<br />

zu verbessern. Mithilfe einer Schwingungsanalyse nach dem Zufallsprinzip<br />

können Ingenieure außerdem <strong>elektrische</strong> Systeme, die in erdbebengefährdeten<br />

Gebieten eingesetzt werden sollen, robuster gestalten. Diese <strong>Analyse</strong> ist im<br />

Vergleich zu physikalischen Erschütterungstests wesentlich kostengünstiger.<br />

<strong>Analyse</strong>n können verwendet werden, um Eigenfrequenzen <strong>und</strong> Schwingungen<br />

zu minimieren (wie z. B. bei empfindlichen Geräten) oder diese mit hoher<br />

Präzision zu kontrollieren (wie z. B. die in den meisten Schwingungssensoren<br />

verwendeten Silizium-Balken).<br />

<strong>Analyse</strong>-<strong>Leitfaden</strong> für Konstrukteure von <strong>elektronische</strong>n/<strong>elektrische</strong>n <strong>Produkte</strong>n 6


Abbildung 8: EMS Wireless, ein führender Hersteller von Antennen für Mobilfunk-Basisstationen,<br />

verwendete SolidWorks Simulation zur Konstruktion von zwei Antennen in einem Fahnenmast für<br />

Gemeinden mit strengen Flächennutzungsplänen. Diese Konstruktion kann Windstärken von über<br />

160 km/h standhalten.<br />

• Strömungsanalysen sind in vielen Anwendungsbereichen von <strong>elektronische</strong>n<br />

<strong>und</strong> <strong>elektrische</strong>n <strong>Produkte</strong>n wichtig. Dies gilt insbesondere im Hinblick auf<br />

die Bewertung der Effektivität von Kühlsystemen <strong>und</strong> Kühlkörpern. Bei einem<br />

Kühlsystem, wie z. B. einem Computer-Lüfter, können Ingenieure mit der<br />

Strömungsanalyse die Effektivität einer Kühlsystemkonstruktion bewerten <strong>und</strong><br />

die Auswirkungen von Konstruktionsänderungen prüfen. Bei Leiterplatten dient<br />

die Strömungsanalyse zur <strong>Analyse</strong> der Wärmeableitung in Kühlkörpern. Welche<br />

Anforderungen auch immer ein Hersteller an seine Kühlsysteme oder die<br />

Temperatursteuerung stellt: SolidWorks Flow Simulation bietet zum besseren<br />

Verständnis der Auswirkungen des Fluidströmung auf die Temperatur in<br />

<strong>elektrische</strong>n Systemen eine leistungsstarke CFD-<strong>Analyse</strong> (Computational Fluid<br />

Dynamics).<br />

Mit den Werkzeugen für nichtlineare<br />

Simulation können statische <strong>und</strong> dynamische<br />

Aufgabenstellungen inklusive geometrischer<br />

<strong>und</strong> Materialnichtlinearität, Hyperelastizität,<br />

Kriechen, Thermoplastizität sowie<br />

Viskoelastizität bearbeitet werden.<br />

• Nichtlineare <strong>Analyse</strong>n ermöglichen die Bewertung des Produktverhaltens<br />

in einer komplexen 3D-Simulationsumgebung, wobei die Feststellung der<br />

verschiedenen Faktoren, die ein Produktversagen hervorrufen können, weitaus<br />

genauer erfolgt. Mit den Werkzeugen für nichtlineare Simulation können<br />

statische <strong>und</strong> dynamische Aufgabenstellungen inklusive geometrischer<br />

<strong>und</strong> Materialnichtlinearität, Hyperelastizität, Kriechen, Thermoplastizität<br />

sowie Viskoelastizität bearbeitet werden. Die nichtlineare Simulations-<br />

Software SolidWorks Simulation Premium dient außerdem zur Bewertung<br />

von nichtlinearen Kontaktproblemen, inklusive reibungsbehafteten oder<br />

reibungslosen Interaktionen zwischen Modelloberflächen. Diese Funktionen<br />

sind für die Lösung von Kontaktproblemen wertvoll, die aufgr<strong>und</strong> von<br />

miniaturisierten Verbindungssystemen auf Leiterplatten entstehen.<br />

Abbildung 9: Samtec, Hersteller von Konnektoren, die LGAs (Land Grid Array) mit einer Leiterplatte<br />

verbinden, hat die in SolidWorks Simulation integrierte nichtlineare <strong>Analyse</strong> verwendet, um den<br />

Druck <strong>und</strong> die Biegung auf der Platte zu reduzieren. Außerdem konnte auf diese Weise eine hohe<br />

Konzentration von Verbindungen (600) auf einer sehr kleinen Fläche (6,45 cm²) realisiert werden.<br />

<strong>Analyse</strong>-<strong>Leitfaden</strong> für Konstrukteure von <strong>elektronische</strong>n/<strong>elektrische</strong>n <strong>Produkte</strong>n 7


Baugruppensimulation<br />

Die meisten Konstrukteure von <strong>elektronische</strong>n <strong>und</strong> <strong>elektrische</strong>n <strong>Produkte</strong>n<br />

müssen mehr als nur einzelne Komponenten analysieren <strong>und</strong> können daher von der<br />

robusten Funktionalität der Baugruppensimulation profitieren. Elektronische <strong>und</strong><br />

<strong>elektrische</strong> Systeme erfordern in der Regel eine Kombination aus Komponenten<br />

<strong>und</strong> vielen Anschluss-, Verbindungs-, Verkapselungs- <strong>und</strong> Schutzmechanismen.<br />

Diese Baugruppen, die oft als Electronics Packaging (<strong>elektronische</strong> Aufbau- <strong>und</strong><br />

Verbindungstechnik) bezeichnet werden, können durch Wärme, Druck, Schwingungen,<br />

Stöße <strong>und</strong> elektromagnetische Felder sowohl auf Komponenten- als auch auf<br />

Baugruppenebene beeinträchtigt werden.<br />

Mithilfe der Software können einzelnen Teilen<br />

der Baugruppe unterschiedliche Materialien<br />

zugewiesen <strong>und</strong> die Interaktion zwischen den<br />

Komponenten festgelegt werden.<br />

Abbildung 10: Die Dämpfung von Schwingungen ist eine weit verbreitete Anforderung<br />

in der <strong>elektronische</strong>n <strong>und</strong> <strong>elektrische</strong>n Produktkonstruktion. Dies gilt insbesondere für<br />

bewegungsempfindliche Instrumente <strong>und</strong> Geräte. Sonoran Scanners hat SolidWorks Simulation zur<br />

<strong>Analyse</strong> des Frequenzbereichs <strong>und</strong> der strukturmechanischen Stabilität bei der Konstruktion des<br />

datengesteuerten Plattenherstellungssystems CactusSetter verwendet.<br />

Mit der Simulations-Software von SolidWorks können Ingenieure all diese Einflüsse<br />

<strong>und</strong> das resultierende Verhalten bewerten, da die <strong>Analyse</strong> von kleinen oder großen<br />

CAD-Baugruppen unterstützt wird. Mithilfe der Software können einzelnen Teilen der<br />

Baugruppe unterschiedliche Materialien zugewiesen <strong>und</strong> die Interaktion zwischen<br />

den Komponenten festgelegt werden. Mit SolidWorks Simulation können eine<br />

Vielzahl realistischer Betriebsbedingungen für <strong>elektrische</strong> Komponenten simuliert<br />

werden, so z. B. auch Kontaktprobleme.<br />

Abbildung 11: Mit der SolidWorks Funktionalität zur Baugruppenanalyse können Ingenieure die<br />

Temperaturverteilung in der gesamten Baugruppe analysieren. Ein Beispiel hierfür ist die stationäre<br />

thermische <strong>Analyse</strong> einer Leiterplatte (siehe Abbildung).<br />

Ein Anwendungsbeispiel für eine vorteilhafte Nutzung der Baugruppenanalyse<br />

bei der Konstruktion von <strong>elektronische</strong>n <strong>und</strong> <strong>elektrische</strong>n Baugruppen ist<br />

eine Leiterplatte. Viele Komponenten der Platte, wie z. B. Kondensatoren,<br />

erzeugen Wärme. Mit der in SolidWorks Simulation integrierten Funktionalität<br />

zur Baugruppenanalyse können Ingenieure die Temperaturverteilung in der<br />

gesamten Baugruppe analysieren <strong>und</strong> ihre Konstruktionen für die entsprechenden<br />

Kühlkörper <strong>und</strong> die Aufbau- <strong>und</strong> Verbindungstechnik so optimieren, dass mit der<br />

kleinstmöglichen Materialmenge die maximale Wärmemenge abgeleitet wird.<br />

Die SolidWorks Simulation Simulationswerkzeuge ermöglichen die <strong>Analyse</strong> von<br />

<strong>elektronische</strong>n <strong>und</strong> <strong>elektrische</strong>n <strong>Produkte</strong>n auf Komponenten-, Baugruppen- <strong>und</strong><br />

Systemebene.<br />

<strong>Analyse</strong>-<strong>Leitfaden</strong> für Konstrukteure von <strong>elektronische</strong>n/<strong>elektrische</strong>n <strong>Produkte</strong>n 8


3D-Visualisierung<br />

• Mit Hilfe der 3D-Visualisierung kann der Konstrukteur während der<br />

Weiterentwicklung des Projekts eine erste Prüfung des Entwurfsplans, der<br />

ordnungsgemäßen Funktion <strong>und</strong> der Ästhetik durchführen.<br />

• Mit 3D-CAD kann der Entwickler eine Produktkonstruktion aus allen<br />

Blickwinkeln betrachten <strong>und</strong> die Innenteile des Produkts während des<br />

Konstruktionsprozesses begutachten. Dadurch erhalten Konstrukteure bereits<br />

zu Beginn des Konstruktionszyklus eine deutliche <strong>und</strong> genaue Übersicht über<br />

Teile <strong>und</strong> Baugruppen.<br />

• Die 3D-Visualisierung reduziert Kommunikations- <strong>und</strong> Herstellungsfehler<br />

<strong>und</strong> trägt durch eine effizientere Vermittlung von Konstruktionsdaten zu<br />

einer kürzeren Entwicklungszeit bei, da Probleme bereits sehr früh im<br />

Konstruktionszyklus aufgespürt werden. Der Konstrukteur kann das Produkt<br />

von allen Seiten betrachten <strong>und</strong> hineinblicken, indem er die äußere Hülle oder<br />

andere Teile ausblendet.<br />

Mit 3D-CAD kann der Entwickler eine<br />

Produktkonstruktion aus allen Blickwinkeln<br />

betrachten <strong>und</strong> die Innenteile des Produkts<br />

während des Konstruktionsprozesses<br />

begutachten.<br />

• Mit 3D-Simulationen kann das reale Verhalten <strong>elektronische</strong>r <strong>und</strong> <strong>elektrische</strong>r<br />

<strong>Produkte</strong> visualisiert werden.<br />

• Mit Schnittdarstellungen lassen sich die Simulationsergebnisse nicht nur auf<br />

der Oberfläche, sondern auch im Innern des Bauteils anzeigen.<br />

Abbildung 12: Die SolidWorks Konstruktionseinblick-Funktion liefert grafisches Feedback zu<br />

Bereichen, in denen zur Gewichtsreduzierung Material entfernt werden kann, ohne dabei die<br />

Integrität der Konstruktion zu gefährden.<br />

<strong>Analyse</strong>-<strong>Leitfaden</strong> für Konstrukteure von <strong>elektronische</strong>n/<strong>elektrische</strong>n <strong>Produkte</strong>n 9


Werkzeuge zur konstruktiven Zusammenarbeit <strong>und</strong> Kommunikation<br />

Die Interaktion während der Konstruktion, bei der Entwickler die Entwurfsdaten<br />

leicht untereinander <strong>und</strong> ortsunabhängig austauschen können, wird in der<br />

<strong>Produkte</strong>ntwicklung immer wichtiger.<br />

• Werkzeuge für den Austausch von Konstruktionsdaten eröffnen neue Chancen<br />

für eine effizientere Zusammenarbeit von <strong>Produkte</strong>ntwicklern <strong>und</strong> anderen<br />

Mitgliedern des Entwicklungsteams. Die Möglichkeit, Konstruktionsressourcen<br />

per Internet auszutauschen, ist für alle Produktkonstrukteure von Vorteil,<br />

sowohl für den unabhängigen Berater als auch für den Ingenieur im<br />

multinationalen Konzern.<br />

Die Möglichkeit, Konstruktionsressourcen<br />

per Internet auszutauschen, ist für alle<br />

Produktkonstrukteure von Vorteil, sowohl für<br />

den unabhängigen Berater als auch für den<br />

Ingenieur im multinationalen Konzern.<br />

• Mit den Simulationswerkzeugen von SolidWorks Simulation können<br />

Konstrukteure Simulationsergebnisse in folgenden Formaten austauschen:<br />

- HTML-Berichten der Simulationsergebnisse<br />

- VRML-Dateien<br />

- AVI-Dateien<br />

• SolidWorks Simulation ermöglicht mit SolidWorks eDrawings ® die<br />

Veröffentlichung von Simulationsergebnissen.<br />

Abbildung 13: Vyncolit mit Sitz in Gent (Belgien) prüft mit der SolidWorks Software die<br />

Leistungsfähigkeit der aus phenolhaltigen Materialien gefertigten Komponenten. Phenolhaltige<br />

Materialien zeichnen sich durch eine Reihe von physikalischen Eigenschaften aus, die sie für viele<br />

Anwendungen geeignet machen, für die bisher Metalle oder Thermoplaste verwendet wurden.<br />

Beispiele hierfür sind die Elektronik- <strong>und</strong> Automobilindustrie.<br />

Fazit<br />

Simulationswerkzeuge tragen dazu bei, dass Konstrukteure <strong>elektronische</strong>r <strong>und</strong><br />

<strong>elektrische</strong>r <strong>Produkte</strong> das physikalische Verhalten ihrer Konstruktionen rasch<br />

verstehen, ohne auf kostspielige Prototypen <strong>und</strong> physikalische Tests zurückgreifen<br />

zu müssen, die den Produktkonstruktionszyklus verlängern. SolidWorks<br />

Simulation bietet leistungsfähige Funktionalität zur thermischen, nichtlinearen,<br />

elektromagnetischen, Schwingungs- <strong>und</strong> Strömungssimulation sowie robuste<br />

Funktionalität zur Baugruppenanalyse, mit denen hochwertige <strong>Produkte</strong> konstruiert<br />

werden können, die strengere Industrie- <strong>und</strong> Marktanforderungen erfüllen.<br />

Unternehmenssitz<br />

Dassault Systèmes SolidWorks Corp.<br />

175 Wyman Street<br />

Waltham, MA 02451 USA<br />

Telefon: +1-781-810-5011<br />

E-Mail: info@solidworks.com<br />

Hauptsitz Europa<br />

Telefon: +33-(0)4-13-10-80-20<br />

E-Mail: infoeurope@solidworks.com<br />

Niederlassung Deutschland<br />

Telefon: +49-(0)89-612-956-0<br />

E-Mail: infogermany@solidworks.com<br />

SolidWorks ist eine eingetragene Marke von Dassault Systèmes SolidWorks Corp. Alle anderen Firmennamen oder Produktbezeichnungen sind<br />

Marken oder eingetragene Marken der jeweiligen Eigentümer. ©2011 Dassault Systèmes. Alle Rechte vorbehalten. MKelewpDEU1211

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