Zentrum für angewandte Simulationstechnik (ZAS)

Mit Mitteln der Europäischen Union und mit dem Zentrum für Werkstoffe und Technik (ZWT) und dem Zentrum für Mechatronik und Elektrotechnik (ZME) konnten hier bereits zwei Institute aufgebaut werden, die sich eng mit den aktuellen anwendungsbezogenen FuE-Fragestellungen der regionalen Wirtschaft beschäftigen. Die Aktivitäten beider Zentren sind jedoch primär experimentell bzw. empirisch orientiert. Den kontinuierlich wachsenden Einsatz von Computersimulationen in der Produktentwicklung als Angebot für Forschung und Weiterbildung für regionale Unternehmen konnte die PHWT bislang nur vereinzelt bedienen.

Die Computersimulation ist vor allem aus Zeit- und Kostengründen sowie fallweise aus Mangel an prüffähigen Produkten bzw. Komponenten für die Produktentwicklung unverzichtbar. Es darf erwartet werden, dass sich im Rahmen der zunehmenden Digitalisierung der Einsatz von Simulationstechniken immer mehr verstärken wird. Dies gilt umso mehr, wo Produkt- und Funktionskomplexität ansteigen und technische Machbarkeitsgrenzen erreicht werden sollen. Durch überwiegend experimentelle bzw. empirische Verfahren ist das nicht möglich, da der Aufwand hierfür unverhältnismäßig hoch wäre.

Deshalb sollen die Kapazitäten der PHWT auf dem Gebiet der Computersimulationen im Rahmen eines Zentrums für angewandte Simulation (ZAS) ausgeweitet und ihre Kompetenzen bei der computergestützten Produktentwicklung den KMU und Handwerkbetrieben der Region zugänglich gemacht werden.

ZAS

Im Zentrum des Erkenntnisinteresses stehen hierbei folgende übergreifende Forschungsfragestellungen:

I Statische und dynamische Analyse von Mikrosystemen mit Validierung

     I a: Modellierung und numerische Simulation

     I b: Modellbau und experimentelle Analyse

II Entwicklung von Methoden zur Systemsimulation auf parallelen Rechnerarchitekturen

 

Forschungsbereich I:

Statische und dynamische Analyse von Mikrosystemen mit Validierung

Teilbereich Ia: Modellierung und numerische Simulation

Die FE-Modellierung von komplexen Mikrosystemen ist zunehmend Gegenstand wissenschaftlicher Forschungs- und Entwicklungsarbeit. Ein typisches Beispiel sind Leiterplatinen, welche in Computern, Mobiltelefonen und Fahrzeugen zu finden sind. Dabei sind hochkomplexe Zusammenhänge zu berücksichtigen. Der fließende Strom führt zur Erwärmung des Systems und zu thermischen Dehnungen und mechanischen Spannungen. Diese werden überlagert durch äußere Beanspruchungen wie Temperaturwechsel, Beschleunigungen etc. Das alles mündet zum einen in der Notwendigkeit, das System gekoppelt, d. h. multiphysikalisch (elektrisch, thermisch, mechanisch) zu betrachten. Die Simulation von Einzelkomponenten ist durchaus schon länger bekannt, aber die Kombination zu einem komplexen System ist bisher so noch nicht betrachtet worden.

Zum anderen stellt sich die Frage der Betriebsfestigkeit. Diese Systeme sollen heute immer leistungsstärker, preiswerter und effizienter werden. Ebenso steht die Ressourcenschonung im Fokus. Es gilt Lösungen zu finden, die leicht und kostengünstig sind und dabei gleichzeitig innerhalb der angestrebten Einsatzzeit zuverlässig funktionieren. Mittels numerischer Simulation können hier wesentliche Erkenntnisse gewonnen und Entwicklungsschritte zielführend geplant werden. Diese multiphysikalische Modellierungs- und Berechnungsansatz erfordert leistungsstarke Hard- und Software. Gerade durch Parallelisierung können Berechnungen deutlich beschleunigt werden (vgl. Teilbereich II).

Die Qualität der erzielten Ergebnisse sind bei FEM-Berechnungen von der Vernetzung (feines Netz = bessere Ergebnisse = höherer Rechenaufwand), von den angenommenen Belastungen und auch von der korrekten Beschreibung des Materials abhängig. Hier ist als Beispiel das anisotrope Verhalten des Leiterplattenmaterials zu nennen. Je nach Beanspruchungsrichtung verhält dieses sich unterschiedlich.

Im Rahmen des Projektes soll untersucht werden, wie eine effiziente Modellierung gelingt. Von Interesse ist auch die Untersuchung der Betriebsfestigkeit von Lötverbindungen. Abschließende Aussagen über die Qualität der numerischen Ergebnisse lassen sich nur mittels Abgleich mit experimentellen Ergebnissen (vgl. Teilbereich Ib) treffen.

 

Teilbereich Ib: Modellbau und experimentelle Analyse

Bei der experimentellen Analyse von Mikrosystemen spielt die Ermittlung der Beanspruchungen der darin integrierten Kleinbauteile eine wichtige Rolle, da diese die Festigkeit bzw. Lebensdauer der Komponenten und damit des gesamten Systems signifikant beeinflussen.

Ausgehend von elektronischen Bauteilen auf Leiterplatinen kommen zu deren Verbindung verschiedene Technologien zum Einsatz. Dabei ist nicht nur die mechanische Befestigung von Bedeutung, sondern auch die Sicherstellung der Leistungs- bzw. Signalübertragung. Häufig wird das Löten als Warmkontaktiertechnik verwendet.

Die direkte Messung von Beanspruchungen einer derartigen elektrischen Verbindung ohne Systembeeinflussung und eine daraus abgeleitete Festigkeitsbeurteilung ist nur sehr schwer möglich. Deshalb ist ein Multilevel-Ansatz geplant, bei dem mit Hilfe von Simulationsverfahren (Teilbereich Ia), Validierungsversuchen (Teilprojekt Ib) und Beanspruchbarkeitsanalysen (Teilbereiche Ia und Ib) auf mehreren Ebenen das Systemverständnis aufbaut, Einflussparameter identifiziert und der Absicherungsprozess optimiert werden sollen.

Ein wichtiger Einflussfaktor auf die Beanspruchung sind Vibrationsbelastungen, hervorgerufen im Betrieb des Mikrosystems. Um diese bestimmen zu können, kann zunächst die Beschleunigung am Pin der Komponente mittels Beschleunigungssensor im Betrieb gemessen werden. Dies ist zwar einfach und reproduzierbar möglich, aber viele Einflussfaktoren auf die Gesamtbelastung der Steckverbindung bleiben dabei unberücksichtigt. Dazu gehört bspw. die Schwingung der Anschlussleitung, da übliche Messaufnehmer eine zu große Systembeeinflussung hervorrufen.

Mit Hilfe eines Shakers (Hochfrequenz-Pulsator) lassen sich dagegen Leitungsbewegungen gut mittels Laservibrometer erfassen, ohne das Schwingungsverhalten des Systems zu beeinflussen. Ein besonderes Augenmerk muss dabei auf der Fixierung der Leitung des Kontaktsystems liegen, da z. B. axiale Einspannungen einen großen Einfluss auf das Schwingungsverhalten der freien Leitung besitzen. Es ist zu erwarten, dass verschiedene Schwingungseigenformen von Leiter und Pin auftreten, die von Steifigkeit und Dämpfung der beteiligten Bauteile abhängen. Zudem besitzen die Leitungsart (Typ, Querschnitt, Isolation), die Leitungsverlegung und der Einsatz von Leitungsummantelungen (Glasseidenschlauch, Wickelband) und Designkappen einen Einfluss auf das Schwingungsverhalten. Daraus wird die Notwendigkeit der Anschaffung eines Hochfrequenz Pulsators ersichtlich. Dazu gehört auch die Ausrüstung des Pulsators mit einer Klimakammer, um Umweltbedingungen abbilden zu können.

Mit Hilfe der o.g. Prüfeinrichtungen kann für ein Kontaktsystem bereits ein gewisser Rückschluss auf die Beanspruchungen im Kontakt erfolgen, eine detailliertere Analyse der Vorgänge im Inneren ist jedoch nicht möglich. Für derartige Untersuchungen bieten sich computertomografische Analysen (CT) an, da bei diesen Verfahren keine Systembeeinflussung stattfindet. Damit wird es möglich, FE-Netze direkt aus Bauteilen auch ohne CAD-Daten abzuleiten und reale Maß- und Lagetoleranzen zu berücksichtigen. Ein entsprechendes Gerät ist am ZWT vorhanden und soll im für entsprechende FuE-Tätigkeiten in diesem Bereich genutzt werden.

 

Verknüpfung mit Teilbereich Ia

Da die messtechnische Beanspruchungsermittlung an elektrischen Kontakten mit vielen Schwierigkeiten und Einschränkungen behaftet ist, besitzt die FEM-Simulation einen großen Stellenwert. Sowohl Untersuchungen zum grundlegenden Systemverständnis, zu Einflussgrößen und Toleranzauswirkungen als auch die indirekte Beanspruchungsermittlung aus externen Belastungsmessgrößen sind möglich. Je nach Fragestellung kommen unterschiedlich detaillierte Modelle inkl. Submodellen in nichtlinearen Kontakt- bzw. modalen Antwortanalysen zum Einsatz. Die FE-Netze können u.a. aus CT-Aufnahmen realer Kontaktsysteme abgeleitet werden. Nichtlineare Analysen im Zeitbereich und modal basierte Antwortanalysen sollen Erkenntnisse über das Schwingungsverhalten des Systems liefern. Die dazu benötigten dynamischen Eigenschaften der Bauteile (Steifigkeit, Dämpfung) können durch experimentelle Modelanalysen am Shaker ermittelt werden. Die Dämpfung ist in den Modellen als Materialdämpfung berücksichtigt, wobei für jedes Material ein individueller Dämpfungswert definiert wird. Eine Validierung der Simulationsergebnisse mit Messungen am Shaker und am realen System ist vorgesehen.

 

Forschungsbereich II:

"Entwicklung von Methoden zur Systemsimulation auf parallelen Rechnerarchitekturen"

Mit zunehmender Komplexität der zu simulierenden Systeme wachsen auch die Anforderungen an die verwendete Hardware. Daher werden zunehmend Möglichkeiten untersucht, zur Beschleunigung der Simulationsrechnungen parallele Architekturen zu nutzen, von Mehr-Kern-CPUs über spezielle Grafikkarten bis zu gekoppelten Mehrprozessor-Systemen. Die dabei eingesetzten numerischen und programmtechnischen Verfahren sind für Simulationsingenieure in der Praxis oft zu komplex, daher sollen im Rahmen des Projektes Methoden untersucht werden, die keine vertieften Programmierkenntnisse voraussetzen, sondern auf der Modell-Ebene ansetzen.

Im Bereich der FEM-Programme sind entsprechende Verfahren in die Anwendungsprogramme integriert, allerdings herrscht oft wenig Erfahrung bei ihrer Nutzung. Hier geht es am ZAS vor allem um die Bereitstellung von "Best Practice"-Beispielen und Anwenderschulungen. Die Entwicklung spezieller modell-basierter Parallelisierungsverfahren bei der kontinuierlichen und/oder diskreten Systemsimulation ist aktiver Forschungsgegenstand. Es werden diverse theoretische Ansätze untersucht, vor allem im kontinuierlichen Bereich gibt es erste Werkzeuge und Projekte auch in industriellen Anwendungen.

Im Rahmen von Projekten sollen die in den verbreiteten Simulations-Werkzeugen zur Verfügung gestellten Verfahren verglichen, auf ihre Verwendbarkeit für konkrete praktische Anwendungen vor allem im Physical Modeling-Bereich untersucht und ggf. neue Ansätze entwickelt werden. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf Simulationen gekoppelter multiphysikalischer Modelle, elektronischer Schaltungen sowie des Energieverbrauchs von Produktionsketten.