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 />
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Hauptsitz Europa<br />
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