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Mit Simulationsmodellen die Zertifizierung vereinfachen

Autor / Redakteur: Tobias Best * / Kristin Rinortner

Wir stellen eine Möglichkeit vor, wie Sie Ihr Simulationsmodell für die Zertifizierung nutzen und sich dadurch langwierige Messreihen in der Klimakammer und aufwändige Auswertungen ersparen können.

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CFD für die Zertifizierung: Stellen Sie sich vor, sie könnten Ihr CFD-Simulationsmodell für eine Zertifizierung nutzen und sich dadurch tagelange Messreihen und Messdatenauswertungen ersparen. Wieviel Zeit verbringen sie für die Zulassung in der Klimakammer? Kennen Sie die Kosten?
CFD für die Zertifizierung: Stellen Sie sich vor, sie könnten Ihr CFD-Simulationsmodell für eine Zertifizierung nutzen und sich dadurch tagelange Messreihen und Messdatenauswertungen ersparen. Wieviel Zeit verbringen sie für die Zulassung in der Klimakammer? Kennen Sie die Kosten?
(Bild: Gorodenkoff Productions OU / Alpha-Numerics)

Ich stelle in diesem Artikel eine Möglichkeit vor, wie Sie bereits das Simulationsmodell für die Zertifizierung nutzen können. Das Ziel besteht darin, ein komplettes elektronisches Gerät als virtuellen Zwilling zu erstellen, welcher bezogen auf das Realmodell die gleiche thermische Charakteristik aufzeigt und somit den Anforderungen einer „virtuellen Zulassungsprüfung“ genügt.

Die Idee einer virtuellen Zertifizierung hört sich einfach an, aber dazu müssen einige Voraussetzungen erfüllt werden. Aber zuerst einmal wollen wir uns mit den Randbedingungen in der derzeitigen Realität befassen.

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Jedes elektronische Gerät muss vor der Marktreife mehrere Prüfungen im Rahmen des Zertifizierungsprozesses durchlaufen. Diese können teilweise aufwändig und zeitintensiv sein. Beschränkt man sich auf die thermische Prüfung des gesamten Zertifizierungsprozesses, könnten verschiedene Ausbaustufen einer Gerätefamilie zukünftig wahrscheinlich auf Basis eines virtuellen Zwillings validiert werden.

Bei diesem Konzept würde der Hersteller bei zukünftigen thermischen Testreihen parallel das Simulationsmodell verifizieren lassen. Für weiterführende Zertifizierungsdurchläufe bei leichten Gerätevariationen oder Ausbaustufen könnte dann nur noch das Simulationsmodell zur Zertifizierung des thermischen Verhaltens vorgelegt werden.

Pilotprojekt bei Underwriter Laboratories (UL) zur virtuellen Zertifizierung

Die Underwriter Laboratories (UL), ein international führendes Unternehmen in den Sicherheitswissenschaften, setzt schon seit längerem Simulationsmodelle für unterschiedliche Belange ein. Hierbei hat sich gezeigt, dass die Kombination von CFD-Software, fachlicher Expertise und einem reibungslosen Prozess für ein nutzbares Ergebnis entscheidend sind.

Einige Hauptkriterien waren zu berücksichtigen, um die Idee einer virtuellen Zertifizierung in einem Pilotprojekt zu testen. Nach einer Evaluierung wurde Alpha-Numerics mit der CFD-Software 6SigmaET als Partner für das Pilotprojekt gewonnen.

Nachfolgend werden die Hauptkriterien beschrieben, um erfolgreich einen derartigen virtuellen Zwilling aufzubauen.

  • Es müssen Szenarien festgelegt werden, auf deren Basis die Verlustleistung bestimmt und validiert wird. Diese Szenarien sind am besten mit dem Zulassungsinstitut abzustimmen.
  • Es bedarf eines sehr erfahrenen Anwenders, um ein realitätsnahes CFD-Modell aufzubauen.
  • Das Modell muss durch die leichte Übernahme volldetaillierter CAD-Daten in einer vertretbaren Zeit aufgebaut werden können.
  • Die CFD-Software muss die Erstellung von Elektronikparts wie Kabel, Steckverbinder, Leiterplatten mit Layout, Trafos oder Elektronikkomponenten durch einfache Menüs unterstützen.
  • Aufgabenbezogen müssen spezielle Randbedingungen wie elektrische und thermische Kontaktwiderstände, temperaturgesteuerte Lüfter, Stromlast auf Kupferstrukturen, detaillierte Leiterplattenstrukturen in der CFD-Software umsetzbar sein.
  • Der Aufbau eines Berechnungsgitters (typisch in der CFD-Welt) darf nicht zur zentralen Arbeitsaufgabe werden und sollte nicht viel Zeit in Anspruch nehmen.
  • Auch das zeitlich veränderliche Aufwärmverhalten sollten z.B. bei getakteten Geräten simulierbar sein.
  • Die CFD-Berechnungszeiten sollten vertretbar bleiben.
  • Die Ergebnisauswertung sollte durch einen automatisierten Zertifizierungsbericht nach UL-Vorgaben strukturiert und einfach auszuleiten sein (Verification & Validation Report).
  • Der Hersteller von CFD-Software muss offen sein, spezielle, unverzichtbare Erweiterungen für die Zertifizierungsvorgaben in die CFD-Software einzuarbeiten.

Zusätzliche Arbeit für die Zertifizierung?

Da die CFD-Simulation in die Entwicklung von Elektronikgeräten schon vor Jahrzehnten Einzug gehalten hat, sind von der Konzeptphase bis hin zum letzten Muster viele Simulationsvarianten vorhanden. In der Konzeptphase generiert man das erste Modell auf Basis weniger Daten. Die Aufgabe besteht darin, eine Produktidee thermisch grob zu verifizieren.

Zu diesem Zeitpunkt liegen noch keine CAD-Daten oder PCB-Layoutdaten vor. Jedoch kann man durch eine grobe Modellierung der Gehäusegröße, Einbringen einfacher Wärmequellen wie Platten und Quader sowie dem vorgesehenen Kühlkonzept (Kühlkörperentwurf mit/ohne forcierter Luftquelle) eine erste Aussage über das Temperaturniveau sowie der Wärmeverteilung machen.

In der Konzeptphase ist ein grobes Simulationsmodell ausreichend, um die Richtung vorzugeben. Nach und nach – parallel zur Geräteentwicklung – wird das Simulationsmodell mit immer mehr Detaildaten „gefüttert“. Die 3D-Konstruktionsdaten bilden ein genaues Abbild der Geometrie, die Hardwaredaten via Gerber, ODB++ oder IPC2581 sind die Grundlage für die thermischen Ersatzmodelle.

Auch die aktive Lüftung wird durch Geometrie und Kennlinie physikalisch richtig abgebildet. Sonderlösungen wie Heatpipes, TEC-Module oder stromerwärmte Leiterstrukturen mit temperaturabhängigen Leitwerten komplettieren den virtuellen Zwilling.

All dies findet schon heute in den Entwicklungsabteilungen statt. Ein aufwändiger Punkt ist und bleibt aber das richtige Bestimmen der Verlustleistung für die Szenarien, welche das Simulationsmodell für die Zertifizierung nachstellen soll.

UL und Alpha-Numerics haben sich die Aufgabe gestellt, einen Leitfaden für eine zertifizierungsgerechte Modellierung eines virtuellen Zwillings zu entwerfen. Das heißt, dass ein Simulationsmodell, welches nach diesen Vorgaben physikalisch richtig aufgebaut wurde und parallel zur Zertifizierung des Prototypen validiert wurde, für zukünftige Zulassungswege eine klare Abkürzung bedeuten.

UL bleibt hier natürlich CFD-Software ungebunden, hat aber sehr gute Erfahrungen mit der CFD-Software 6SigmaET und dem Unternehmen aus Nastätten sammeln können. Auch FutureFacilities als Hersteller von 6SigmaET ist seit Anfang des Jahres 2020 in der Projektgruppe aktiv und optimiert die Software für diese zukünftige Anforderung. Durch zusätzliche Detaileingaben können Elektronikkomponenten, Lüfter und andere Baugruppen sehr effizient erstellt werden, sodass diese den hohen Anforderungen eines Zertifizierungsmodells genügen.

Auch erhält das nächste Software-Release im Dezember 2020 eine stark erweiterte Reporting-Funktion. Damit lassen sich spezielle Vorlagen erstellen, die per Knopfdruck die benötigten Daten für ein Zertifizierungsprotokoll nach UL-Maßstäben in einer Struktur generieren. Der Anwender hat im Nachhinein die Möglichkeit, diesen Report noch firmen- und produktspezifisch zu komplettieren.

Pilotprojekt: Mit 6SigmaET ist die Zertifizierung möglich

Alpha-Numerics hat in diesem Pilotprojekt bewiesen, dass deren Ingenieure die entsprechende Erfahrungen haben, derartige detaillierte Modelle physikalisch richtig aufzubauen, zu berechnen und die Ergebnisse in kurzer Zeit zu liefern.

Die Software 6SigmaET hat UL durch seine effiziente Handhabung und die akkuraten Ergebnisse davon überzeugt diese für die Pilotphase zu wählen.

UL bietet am 10. November 2020 ein Webinar an, in dem das Pilotprojekt präsentiert wird. Hierbei wird vorgestellt, wie die Compliance im Rahmen der Zertifizierung von Komponenten, Produkten und Systemen mithilfe von Simulation sichergestellt und vereinfacht werden kann. Alpha-Numerics wird in diesem Rahmen aufzeigen, wie CFD-Modelle zur Betriebseffizienz beitragen können. Sollten Sie gerne an dieser von UL arrangierten Vorstellung teilnehmen wollen, registrieren Sie sich bitte auf der Webinar-Anmeldungsseite.

Die Software 6SigmaET steht als kostenlose Testversion zur Verfügung. Die Kosten für eine Dienstleistung sind überschaubar und, was noch interessanter sein dürfte, die Umsetzung erfolgt vergleichsweise zügig. Das Team berät und begleitet Interessenten gerne bei ihrer Reise zur der zertifizierungsgerechten Simulation und stellt den Kontakt zu den richtigen Ansprechpartnern bei UL International Germany her.

* Tobias Best ist Geschäftsführer von ALPHA-Numerics in Nastätten.

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