Umfassendes Expertenwissen für ein langes Schaltungsleben

Autor / Redakteur: Andreas Griesinger * / Gerd Kucera

In Fragen der Lebensdaueranalyse löst das ZFW in Stuttgart seit 15 Jahren erfolgreich sensible Aufgaben aus Industrie und Forschung. Die enge Kooperation mit der DHBW macht das möglich.

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Bild 1: Nicht jeder Test ist bei jedem Bauteil nötig; aus der Erfahrung wissen die ZFW-Experten genau, welche Simulation und welches Messverfahren anzuwenden ist.
Bild 1: Nicht jeder Test ist bei jedem Bauteil nötig; aus der Erfahrung wissen die ZFW-Experten genau, welche Simulation und welches Messverfahren anzuwenden ist.
(Bild: Zentrum für Wärmemanagement)

Beim Entwickeln von Leistungselektronik steht am Anfang eines jeden Design-Projekts das Abschätzen der Lebensdauer eines Systems. Um Re-Designs so weit wie möglich einzuschränken, muss diese Lebensdauerabwägung sehr früh im Entwicklungsprozess stattfinden.

Meist liefern beschleunigende Umweltprüfungen die Grundlage für diverse Berechnungsmodelle. Die Kombination vieler Materialien und Belastungsprofile sorgt aber für eine beinahe unüberschaubare Menge an Ausfallmechanismen. Der Entwickler muss bei dieser Menge an Parametern den Überblick behalten – das ist nicht einfach.

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Zu den wichtigen Themenfeldern gehören nach wie vor thermische Interface-Materialien, die sogenannten TIMs. Also Pasten, Gele, Pads, Folien oder Klebstoffe, die für einen guten Wärmetransport zwischen zwei Festkörperoberflächen sorgen.

Diese TIMs machen an den Gesamtkosten eines Systems nur einen kleinen Teil aus, bestimmen aber zu einem wesentlichen Teil die Lebensdauer des Gesamtsystems. Genaue Informationen zum Alterungsverhalten der TIMs sind heute in den wenigsten Fällen verfügbar. Da bleibt dem Entwickler nur sein Bauchgefühl.

Der detaillierte Nachweis der Betriebssicherheit ist Pflicht

Ein typisches Beispiel für eine lange Lebensdauer sind Windkraftanlagen. 20 Jahre sind heute Standard, die Reise geht in Richtung 30 Jahre Zuverlässigkeit.

Wirtschaftlich interessant ist natürlich der Betrieb über die anfangs zertifizierte Lebensdauer hinaus. Das bietet die Möglichkeit, die Stromgestehungskosten deutlich zu senken. Der Weiterbetrieb erfordert den detaillierten Nachweis der Betriebssicherheit.

Die Entwickler sind hier mehrfach gefordert: Neben der sorgfältigen thermischen, elektrischen und mechanischen Auslegung muss das Augenmerk besonders auf Rework- und Updateprozessen liegen.

Besonderheiten in der elektrischen Antriebstechnik

Ein Merkmal der elektrischen Antriebstechnik ist, dass einer thermischen Belastung in der Regel auch eine Vibrationsbelastung überlagert ist. Deren reales Profil steht in der Entwicklungsphase nur selten zur Verfügung. Das ist dann die besondere Herausforderung.

Ein weiterer Punkt ist, dass in vielen Fällen die Einbausituation der Elektronik nicht bekannt ist. Beispielsweise wird das Motosteuergerät eines Pkw in verschiedenen Fahrzeugentypen an den unterschiedlichsten Stellen verbaut. Hier muss der Entwickler vom Worst-Case ausgehen.

Das Elektroniksystem muss also so ausgelegt sein, dass es in heißer Nachbarschaft ohne kühlende Anströmung und ohne wärmeableitende Anschraubung oder Stecker überlebt.

Wovon die Zuverlässigkeit der Leistungselektronik abhängt

Statistisch gesehen ist die Temperatur bei über 50% der Elektronik die Ausfallursache. Dazu gehören die Überschreitung der maximal erlaubten Temperatur und die Belastung durch Temperaturwechsel.

Danach kommen bei den Ausfallursachen mechanische Einflüsse, beispielsweise durch Vibration, Schädigung durch Feuchte oder durch Staub. Interessant wird es, wenn man sich die Wechselwirkung der Schadensmechanismen näher betrachtet, die durch diese Einwirkungen zustande kommen.

Gründungsgedanken und Arbeitsschwerpunkte des ZFW

In Deutschland gibt es zwischen Hochschule oder Universität und der Industrie manchmal eine hohe gedankliche Mauer. Die Hochschulen profitieren zu wenig von den wichtigen praktischen Erfahrungen der Industrie und umgekehrt kommt das Knowhow der Hochschulen in der Praxis nicht an.

Die moderne Infrastruktur der Hochschulen, wie etwa teure Messtechnik, wird so manchmal nur für kurzfristige Forschungsprojekte genutzt. Mit dem Weggang des entsprechenden Doktoranden von der Hochschule ist das Wissen dann verloren und die Laborausrüstung verstaubt im Keller.

Die Idee bei der Gründung des Zentrum für Wärmemanagement (ZFW) vor 15 Jahren war, diese Mauer zumindest in meinem Bereich einzureißen. Das Knowhow und die Infrastruktur der Dualen Hochschule Baden-Württemberg (DHBW) sollten der Forschung und Lehre und der Industrie zur Verfügung stehen.

Andererseits wollte ich in meinen Vorlesungen den Praxisbezug nicht verlieren. Gedacht wurde zunächst nur an Projekte mit kleinen und mittleren Betrieben. Mittlerweile gehören aber auch viele Großkonzerne zu den Kunden des Zentrums für Wärmemanagement.

Ergänzendes zum Thema
Wissenstransfer auf dem Praxisforum (20.-22. März 2018)

In seiner Keynote zum Praxisforum Elektrische Antriebstechnik 2018 erklärt Prof. Andreas Griesinger, warum das Wärme-Management und frühzeitige Lebensdaueruntersuchungen elektronischer Komponenten und Systeme heute wichtiger sind denn je. In seinem Vortrag erklärt Griesinger u.a. die Merkmale und Herangehensweisen bei der thermischen Analyse von Wärmepfaden. Die dreitägige Veranstaltung mit Ausstellung (20. bis 22. März 2018) schlägt die Brücke zwischen Technikforschung und Anwendung. 23 renommierte Referenten aus Wissenschaft und Industrie vermitteln an drei Tagen im Würzburger Maritim-Kongresszentrum neben Grundlagen und interdisziplinäres Wissen auch aktuelle Erkenntnisse der Forschung. Das vollständige Programm finden Sie in Kürze auf www.praxisforum-antriebstechnik.de.

Das ZFW beschäftigt sich seit seiner Grünung vor 15 Jahren mit dem Wärme-Management und der Lebensdaueranalyse elektronischer Komponenten und Systeme. Dazu gehören viele Berechnungs-, Mess- und Prüfmethoden.

Ein Schwerpunkt unserer Arbeit ist, mögliche Zustände einer Elektronik schon in einem frühen Entwicklungsstadium vorherzusagen, zu optimieren und letztlich die Lebensdauer auf einen gewünschten Wert zu bringen.

Aktuelle Entwicklungsthemen und Erfolge des ZFW

Aktuell entwickeln wir zusammen mit einem großen Unternehmen eine Mess- und Prüfeinrichtung für thermische Interface-Materialien. Das Ziel ist die thermische und mechanische Belastung dieser Materialien mit nur einer Prüfung beschleunigt und applikationsnah abzubilden. Dabei werden die thermischen, elektrischen und mechanischen Parameter kontinuierlich überwacht.

Mit den Daten soll mehr über die Ausfallmechanismen der Materialien in ihrem praktischen Einsatz in Erfahrung gebracht werden. Diese gesammelten Informationen bilden dann die Basis für verbesserte Lebensdauermodelle.

Ein weiteres, spannendes Thema sind derzeit die elektrischen Kontakte. Ein elektrischer Kontakt kann durch Umwelteinflüsse bei falscher Auslegung schnell zu einer Wärmequelle werden und überhitzen.

Es geht darum, die elektrischen Kontakte hinsichtlich ihrer thermischen Eigenschaften kennenzulernen und entsprechend zu optimieren, und das über ihre gesamte Lebensdauer. Treiber ist hauptsächlich die Automobilindustrie, die für ihre Batterietechnik hohe Ladeströme verlangt.

Unser Erfolg ist immer der Erfolg unseres Kunden. Da gäbe es sicher einiges zu berichten. Ein Highlight war die Entwicklung unseres TIM-Testers, für den wir im Jahr 2013 zusammen mit dem Stuttgarter Mahle-Konzern (Spezialist für Elektromobilität) den Löhn-Preis der Steinbeis-Stiftung bekommen haben.

Ein anderes Erfolgsbeispiel ist unser Projekt „Cyber-Lab“, mit dem das ZWF den Studierenden der Dualen Hochschule Baden-Württemberg die Grundlagen des Wärmemanagements vermittelt. Dafür gab es 2015 den Landeslehrpreis Baden-Württemberg (DHBW).

Zusammenarbeit des ZFW mit der Dualen Hochschule

Als Gründer und Leiter des ZFW bin ich gleichzeitig Professor an der DHBW Stuttgart und leite dort den Forschungsschwerpunkt Wärmemanagement.

Mitarbeiter der DHBW arbeiten teilweise auch am ZFW und anders herum. Damit ist das ZFW eng mit der Hochschule verzahnt. Das ZFW kann auf die hervorragende Laborausstattung der DHBW zurückgreifen. Davon profitieren alle Beteiligten.

Eine gute Vorlesung lebt vom Praxisbezug, von aktuellen Beispielen und manchmal sogar von kleinen Anekdoten. Der Professor, der reines Buchwissen verbreitet, wird bei seinen Studierenden auf wenig Gegenliebe stoßen.

Die Mitarbeiter des ZFW können da Gott sei Dank auf einen großen Erfahrungsschatz zurückgreifen. Durch die enge Verzahnung von ZFW und Hochschule profitieren also auch die Studierenden.

Ein kleiner Wermutstropfen ist, dass so manche pfiffige Lösung, die am ZFW ausgetüftelt wurde, nicht mit in die Vorlesung genommen werden darf. Das verbietet manchmal die Geheimhaltungspflicht, der wir unterliegen.

Wie Studierende für die Praxis ausgebildet sein müssen

Die praxisgerechte Fachausbildung ist eine ganz zentrale Frage. Welche Ausbildung brauchen junge Menschen, die heute mit dem Smartphone praktisch uneingeschränkten Zugriff auf die vielfältigsten Informationen haben? Welches Wissen und Können brauchen die Studierenden, die unsere zukünftigen Technologien entwickeln, die für uns vielleicht heute noch gar nicht vorstellbar sind?

Die Antwort kann nur heißen: Wir müssen Grundlagen und Methodik lehren, weniger das Wissen. Wir müssen das Denken lehren, nicht das schon Gedachte. Zu einem Ingenieurstudium gehören im Bachelor die Mechanik, die Werkstoffkunde, die Elektrotechnik, die Informatik, die Thermodynamik und ganz viel Mathematik. Und das unabhängig von der Fachrichtung.

Die Spezialisierung kann dann im Masterstudium erfolgen. Übrigens: Nicht jeder Ingenieur muss im Berufsalltag Differentialgleichungen lösen. Aber die Mathematik ist im Studium hervorragend dazu geeignet, das analytische Denken zu trainieren. Mit den Grundlagen des Studiums muss sich der Studierende später im Beruf flexibel in neue Themen einarbeiten können. Themen, von denen wir heute vielleicht noch nicht einmal träumen.

Die Besonderheit der Duale Hochschule Baden-Württemberg ist die enge Verbindung von Theorie und Praxis im Studium. Etwa die Hälfte des Studiums verbringen die Studierenden an der Hochschule, die andere Hälfte im Unternehmen. Die Studierenden haben vom ersten Tag ihres Studiums an einen Ausbildungsvertrag mit ihrem Unternehmen, und damit alle Rechte und Pflichten eines Angestellten – einschließlich eines meist ganz ordentlichen Gehalts. Mittlerweile sind über 9000 Firmen oder soziale Einrichtungen Teil dieses Erfolgsmodells.

* Prof. Andreas Griesinger lehrt an der Dualen Hochschule Baden-Württemberg und ist Gründer des Zentrums für Wärmemanagement, Stuttgart.

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