Simulations-App halbiert die Time-to-Market

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Kühlkörper sind unverzichtbare Komponenten in der industriellen Leistungselektronik. Die Herausforderung: Ihre Konfiguration ist je nach Kunden und Einsatzgebiet immer individuell. Dank einer intuitiven Simulations-App ist Anbieter Elektron in der Lage, in Hälfte der branchenüblichen Zeit die optimale Lösung zu ermitteln.

Simulations-App im Praxiseinsatz: Klappt man im Zug den Laptop auf und verbindet das Netzteil mit der Bordsteckdose, ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass dies nur funktioniert, weil Kühlkörper von Elektron die Umrichter der Bahn vor Überhitzung schützen. Das Unternehmen mit dem Hauptsitz in Au am Zürichsee ist ein führendes Schweizer Technologieunternehmen im Energie- und Infrastrukturmarkt. Es wurde 1951 gegründet und deckt mit knapp über 80 Mitarbeitern an drei Standorten die Geschäftsfelder Antriebe, Elektronik, Zahlungssysteme, Smart City und Licht ab. Allen Lösungen gemeinsam ist das Ziel der Ressourcenminimierung und die Steigerung der Energieeffizienz. Im Bereich Elektronik stellen die Kühlkörper eine Schlüsselkomponente dar. Sie dienen der Wärmeabfuhr und schützen vor thermisch bedingten Ausfällen.

Kühlkörper nach Maß

Ganz nach den Wünschen der Kunden bietet Elektron sowohl Standard- als auch frei konfigurierbare Profile für die Leistungselektronik. Die individuellen Kühlkörper reichen von den Abmaßen eines A4-Blattes bis hin zur Größe einer Europalette. Sie sind variabel in Bezug auf die Abstände und Längen der Kühlrippen sowie der Bodenstärke. Bei der Herstellung greift Elektron auf eine Reihe bewährter Technologien zurück, die jeweils spezifische Vorteile bieten und sich nach dem Anwendungsfall richten.

Mit der Simulations-App zur besten Lösung

Sascha Walker ist bei Elektron als Produktmanager Mechanik der erste Ansprechpartner, wenn es um frei konfigurierbare Designs für Kühlkörper geht. Er fasst die Herausforderung so zusammen: „Für uns steht die spezielle Anforderung des Kunden im Vordergrund. Wir werden dem gerecht, indem wir für unsere Kunden eine maßgeschneiderte Kühlkörper-Lösung entwickeln. Sie entsteht bei uns im Pre-Development. Dort berücksichtigen wir die unterschiedlichen Fertigungstechnologien in Verbindung mit diversen Geometrien. Anschließend simulieren wir die Kühlleistung des Modells. Auf diese Weise entsteht unter Berücksichtigung von Kühlleistung, Druckverlust, Material, Gewicht und Kosten die beste individuelle Kühlkörper-Lösung.“

Physischer Prototyp nur noch zur Verifikation

Erst, wenn das optimale virtuelle Modell evaluiert wurde, geht es mit diesem Ergebnis an den Prototypenbau. Der physische Prototyp ist ein Einzelstück und steht am Ende der Entwicklung. Er ist die letzte Instanz vor der Freigabe beim Kunden. Aufgrund der großen Dimensionen und der hohen Kosten im Prototypenbau, dient er lediglich zur realen Verifizierung der bereits mittels Simulation gefundenen optimalen virtuellen Variante.

Ohne Simulation wäre der physische Prototyp der Ausgangspunkt für Diskussionen und Anpassungszyklen, was sich preislich und zeitlich negativ auswirkt. Elektron ist es mit automatisierten Simulationstools gelungen, die Zeit bis zur Markteinführung zu halbieren. Eine solch massive Effizienzsteigerung muss auf Verantwortliche, die die Einsatzmöglichkeiten moderner Simulationswerkzeuge nicht kennen, wie ein Wunder wirken. Doch hinter dem vermeintlichen Wunder steckt lediglich viel Erfahrung und leistungsstarke Software. Elektron hat sich beides „schlüsselfertig“ ins Haus geholt.

Automatisierte Simulation

Der Ablauf dieses effizienten Prozesszyklus basiert auf der Nutzung von automatisierter Simulation. Um dies zu erreichen, wandte sich Elektron mit einem Pflichtenheft an Cadfem. Der Ansys Elite Channel Partner erschließt seinen Kunden durch das seit 1985 aufgebaute Know-how systematisch die Welt der numerischen Simulation. Insbesondere kleine und mittlere Unternehmen (KMU) und in Profitcenter aufgeteilte Betriebsorganisationen ziehen ihren Vorteil aus dem umfangreichen Wissen zur Simulationsautomation. Sie müssen nicht unbedingt eigene Ressourcen aufbauen, um Simulation effizienter einzusetzen.

Anforderungen im Pflichtenheft

Sascha Walker schildert die Anforderungen, die in dem Pflichtenheft an Cadfem (Suisse) gestellt wurden: „Wir wünschten uns eine einfach zu bedienende App mit Parametrisierung und Excel als Bedienoberfläche, in der die Geometrieerstellung und die zur Simulationsberechnung notwendige Vernetzung des Körpers (Mesh) nach Eingabe der Randbedingungen automatisch erfolgt. Die Ergebnisse sollen in einem HTML-Report mit 3D-Ansicht ausgegeben werden. Das Ganze auf der Grundlage von Ansys Fluent als verlässliche Simulationssoftware für numerische Strömungsmechanik (CFD). Das Ziel der Simulationsautomatisierung war vor allem die Verkürzung des Zeitbedarfs auf dem Weg vom Design über die Simulation bis zu den Resultaten.“

Durch Simulations-App Kundenanforderungen in Rekordzeit gelöst

Zur Lösung der beschriebenen Kundenanforderung stellte Sascha Walker mit Hilfe der Simulations-App drei Berechnungen an: einmal für das bisherige Kühlkörperdesign, mit einem Rth-Wert von 16,4. Anschließend eine extrudierte Version, die sich mit einem Rth-Wert von 19,7 als nutzlos erwies und zuletzt eine lasergeschweißte, die einen Rth-Wert von 14 erbracht hat. Aus der vom Kunden geforderten Verbesserung des Rth-Werts um 10 Prozent gelang es Elektron ein optimiertes Kühlkörperdesign mit einer Verbesserung von 14 Prozent zu präsentieren. Die Erwartung des Kunden wurde also deutlich übertroffen. Zu diesem Erfolg gesellte sich noch die Geschwindigkeit, mit der die Optimierung vorgenommen wurde.

Sascha Walker zieht ein positives Resümee: „In enger Zusammenarbeit mit Cadfem (Suisse) ist es uns gelungen, den Simulationsablauf für forcierte Kühlkörper zu automatisieren und die Entwicklungszeit im Schnitt zu halbieren. Im konkreten Beispiel ist dies sogar noch deutlich übertroffen worden. Mit der klassischen Vorgehensweise benötigten wir 12 Stunden, durch die Automatisierung der Cadfem-Kühlkörper-App erreichten wir das Ziel in 5 Stunden.“ Ein „cooles“ Ergebnis, das Elektron dazu bewog, Designprüfung in Verbindung mit Simulation verstärkt als Service für ihre Kunden anzubieten.

Der Autor Thomas Löffler ist freier Redakteur.

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