Simulationstechnik

Produktentwicklung optimieren mit numerischer Simulation

Die von Ansys Ende Januar 2016 vorgestellte Simulationssoftware Ansys 17 wird vom Ansys Elite Channel Partner Cadfem auf der Hannover Messe (Halle 7, Stand C31) gezeigt. Zu den wichtigsten Neuheiten gehört die Topologieoptimierung, die ihre Vorteile unter anderem beim Einsatz von additiven Fertigungsverfahren ausspielt.

Neuartiges ECAD-Trace-Mapping zur Analyse der thermomechanischen Deformation von Leiterplatten.

Eine ebenso bemerkenswerte Weiterentwicklung ist die Analyse der Ermüdung von Elektronikkomponenten aufgrund thermomechanischer Spannungen. Ferner unterstützt Ansys 17 die Modellbeschreibungssprache Modelica und den Datenaustausch über das Functional Mock-up Interfache FMI 2.0.

Die Numerische Simulation wird heute in vielen Branchen eingesetzt, um die Produktentwicklung zu optimieren und die Fertigungsprozesse zu verbessern. Simulationen erleichtern die kundenspezifische Variantenerzeugung, indem die Variante frühzeitig als virtueller Prototyp analysiert und bewertet werden kann, ob er das hält, was dem Kunden versprochen wurde. So geht es bei der Topologieoptimierung innerhalb der Produktentwicklung zu Beispiel darum, mit möglichst wenig Material eine maximale Steifigkeit zu erzielen. Gleichzeitig sollen global oder lokal vorgegebene Spannungen nicht überschritten werden. Zusätzlich sind die jeweils vorhandenen Fertigungsrestriktionen zu berücksichtigen, beispiels-
weise Hinterschnitte beim Fräsen oder Auszugsrichtungen beim Spritzguss. Hier bieten die neuen additiven Fertigungsverfahren wie der 3D-Druck ungeahnte Freiheiten, sodass sich diese Verfahren mit der Topologieoptimierung wunderbar kombinieren lassen. Welche Möglichkeiten der 3D-Druck bietet, wird den Messebesuchern am Stand von CADFEM „schmackhaft“ verdeutlicht.

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Topologieoptimierungen sind in vielen Anwendungsbereichen der Produktentwicklung sinnvoll einsetzbar (Bild: CAFEM GmbH).

Thermomechanische Ermüdung von Leiterplatten
Da die Elektronik in der Produktentwicklung eine immer größere Rolle spielt, werden diese Komponenten oft zum entscheidenden Kriterium für den Produktkauf. Folglich ist die Zuverlässigkeit der Elektronik-
komponenten von der Leiterplatte bis zum Mikroelektronik-Bauteil unerlässlich für den Geschäftserfolg des gesamten Produktes. Mit ANSYS 17 können die Layout-Daten von Elektronikentwicklungssystemen (ECAD) einfacher importiert und homogenisiert werden, um diese mit dem neuartigen ECAD-Trace-Mapping zu analysieren. So lassen sich unter anderem Wärmeleitung, thermomechanische Deformation und Ermüdung untersuchen, und das auch bei größeren Skalenunterschieden, die von der Mikrostruktur der Bauelemente (Mikrometer) bis zu großflächigen, mehrlagigen Leiterplatten (Zentimeter) reichen. Ein typischer Anwendungsfall sind Lötverbindungen, die bei dauerhaften thermomechanischen Belastungen teilweise versagen.

Systemsimulation mit Modelica und FMI 2.0
Im Bereich der Systemsimulation erleichtert die standardisierte Modellbeschreibungssprache Modelica das Einbinden von kommerziellen Modellbibliotheken und auch dem Aufbau eigener Bibliotheken. Der Austausch von dynamischen Modellen auf Systemebene wird mit FMI 2.0 (Functional Mock-up Interface) unterstützt. Dabei werden physische, logische oder Embedded-Software-Systemkomponenten als Functional Mock-up Units (FMUs) beschrieben. Ferner wurden mit ANSYS 17 die Tools zur Hochfrequenz-, Niederfrequenz- und Schaltungssimulation in eine gemeinsame Benutzeroberfläche – den „ANSYS Electronics Desktop“ – integriert, um den gemeinsamen Einsatz von unterschiedlichen Simulationen zu optimieren.

Mit Systemsimulationen wird zum Beispiel das Schwingungsverhalten von Werkzeugmaschinen optimiert.

Ansys AIM: Multiphysik-Simulation für den Mittelstand
Auch die neue Softwaregeneration ANSYS AIM wurde verbessert, zum Beispiel durch erweiterte Randbedingungen und Analyseoptionen für Ermüdung. ANSYS AIM ermöglicht die Produktsimulation für jeden Ingenieur. Sie verbindet die Simulation mechanischer, strömungsmechanischer, thermischer und elektrischer Eigenschaften in einer neuen, intuitiven Benutzeroberfläche und einem über alle physikalischen Disziplinen gleichen Arbeitsprozess. Auf diese Weise kann die Simulation für die volle Breite physikalischer Fragestellungen auch direkt in der Produktentwicklung durch Konstrukteure und Entwicklungsingenieure genutzt werden, um ein ganzheitliches Produktverständnis zu erzielen.

Cadfem, Grafing, Tel. 08092/7005-0, www.cadfem.de/openhouse

 

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