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Wärmesimulation bei LED-Leuchten: Ein Fall für Solidworks Flow Simulation
Gerade bei LED-Leuchten kommt es auf eine genaue Wärmeführung an. Grund genug für den Leuchtenhersteller Pfeifer und Seibel, das Simulationsprogramm Solidworks Flow Simulation einzusetzen. Nach rund vier Jahren Erfahrung damit, hat sich das Tool als sehr nützlich erwiesen, wie auch die gesamte Solidworksinstallation, die von der Coffee GmbH betreut wird.
Und der Herr sprach: „Es werde Licht.“
Diesen Satz kennt vermutlich jeder. Licht ist etwas Essentielles für alles Leben - ohne geht’s nicht.
Der Mensch wollte schon früh mehr Licht, als die Sonne, von morgens bis abends, geben konnte. Die erste „Lampe“ war das Feuer.
Der moderne Mensch braucht fast rund um die Uhr Licht. Zuhause, am Arbeitsplatz, in den Dörfern und Städten.
 3D-Modellder Leuchte, PS Clara, die als besonders wirtschaftlich eingestuft wird.
Ein ganz besonderer „Lichtmacher“ sprich Leuchtenhersteller ist die Firma Pfeifer und Seibel GmbH im mittelhessischen Breidenbach. Das Unternehmen wurde 1959 von Friedrich Pfeifer und seinem Sohn Hubert, zunächst als Firma „Fridema“ gegründet. Erste Produkte waren Kerzenständer, Schirmständer, Leuchten aus Holz und Metall u. ä.
Im Jahr 1970 entstand die Pfeifer und Seibel GmbH, mit Hubert Pfeifer und Kurt Seibel an der Spitze. 1983 erfolgte die Firmenverlegung an den heutigen Standort Breidenbach.
„Etwa ab der Jahrtausendwende begannen wir mit der Entwicklung von Elektronikbausteinen für die Leuchten, die fortan immer wichtiger wurden“, so der Entwicklungsleiter Lichttechnik, Sandor Albert. Dieser konsequente Weg in die Elektronik fand seit 2010 seine Entsprechung in einer eigenen, hochautomatisierten Elektronikfertigung. Diese Maßnahme hat zugleich auch den Weg in die LED-Technik geebnet. „Alle unsere Neuentwicklungen, seit etwa 10 Jahren, basieren auf LEDs als Lichtquelle“, sagt S. Albert.
Pfeifer und Seibel baut mit rund 70 Mitarbeitern Industrieleuchten mit einem Schwerpunkt bei Schaltschrankleuchten, ist seit kurzem aber auch bei Arbeitsplatzleuchten und Büroleuchten eingestiegen.
Das Wissen und die langjährige Erfahrung der Spezialisten in Breidenbach ist auch die Basis für individuelle Lichtlösungen, die für einzelne Kunden entwickelt werden.
Pfeifer und Seibel hat nahezu alle Stufen der Entwicklung und Produktion selbst in der Hand: Von der Gestaltung, Konstruktion (mechanisch und elektrisch) über die Elektronikfertigung, bis zur Montage und der Qualitätskontrolle. Lediglich die Fertigung der mechanischen Komponenten geschieht bei Partnerunternehmen.
 Vernetztes Leuchtenmodell im Querschnitt.
So kann man seine Vorstellungen bezüglich Design, Ergonomie, Qualität und Langlebigkeit direkt und sicher umsetzen. Jährlich verlassen rund 300.000 bis 400.000 Leuchten das Werk.
Bei CAD und CAE gut aufgestellt
Die allgemeine IT-Situation bei P+S ist geprägt durch ein ERP-System von Bäurer, sowie eine CAD- und Simulations-Umgebung von Solidworks. „Im Jahr 2005 kam die erste Solidworks-Lizenz ins Haus.
Mittlerweile haben wir vier Lizenzen im Betrieb. Von der Ausstattung her reicht es bis hin zu Solidworks Premium und Professional.“ (Albert)
Partner war von Anfang an die Coffee GmbH (siehe Kasten), die ihre Hauptniederlassung ganz in der Nähe, in Angelburg, betreibt.
Bereits 2011 stieg man in das Thema Wärmesimulation ein und hat dafür das Paket „Solidworks Flow Simulation“ eingeführt. Bevor nun die Installation näher erläutert wird, zunächst ein Blick auf das System selbst.
 Temperaturdarstellung nach der Berechnung.
Leistungsstarke Simulation, nicht nur für Berechner
Solidworks Flow Simulation gibt auch Konstrukteuren leistungsstarke Analysefunktionen für die numerische Strömungsmechanik (CFD) an die Hand. Diese komplett in Solidworks integrierte Lösung stellt frühzeitig fest, ob ein Entwurf funktioniert und wie er ggf. optimiert werden kann.
Die Software erlaubt es gleich nach dem 3D-Entwurf, Strömungsfelder, Vermischungsprozesse und Wärmeübergänge vorherzusagen, sowie Druckverluste, Strömungskräfte und Fluid-Interaktionen mit der Struktur zu bestimmen:
* Untersuchung mit Hilfe der parametrischen Analyse von Strömungen, selbst durch komplexe Komponenten.
* Veränderung der Strömungsbedingungen, wenn die Konstruktionsziele nicht erreicht werden.
* Erkennung von Turbolenzen und Verwirbelungen.
* Auch nicht-newtonscher Flüssigkeiten wie z. B. Blut oder Kunststoffschmelzen können simuliert werden.
* Die Einbeziehung komplexer Effekte wie z. B. Porosität, Kavitation und Luftfeuchtigkeit ist möglich.
 Temperaturverlauf mit Anzeige der höchsten Temperaturen.
Im Bereich der Wärmesimulation hat die Software weitere Funktionen zu bieten wie z. B.
* Visualisierung der Temperaturverteilung
* Kopplung von strömungs- und thermischen Analysen: Gleichzeitige Simulation von Konvektion, Wärmeleitung und Wärmestrahlung
* Simulation einer erweiterten Strahlung mit semitransparentem Material (mit Hilfe des HVAL-Moduls)
* Ermittlung von Wärmequellen und Layerdefinitionen bei Leiterplatten anhand der thermischen Eigenschaften.
So viel in Kürze zu den wichtigsten Funktionsbereichen. Das Modul für die Elektronik-Kühlung bietet zusätzlich einen umfassenden Satz an intelligenten Modellen, um die schnelle Realisierung einer breiten Palette von möglichen Elektronik-Kühlungen zu verwirklichen.
Natürlich hat Solidworks Flow Simulation auch starke Postprozessor-Funktionen, um alle möglichen Ergebnisdarstellungen und Auswertungen zu ermöglichen.
Wärmesimulation sicher im Griff
„Bei LED-Leuchten ist einer der wichtigsten Betriebsparameter die Temperatur“, sagt Sandor Albert. Davon hängt die Lebensdauer ab, die Lichtfarbe, der Lichtstrom, die Effizienz usw.
Daher muss die Konstruktion dafür sorgen, dass eine Leuchte bezüglich der Temperatur optimal ausgelegt wird. Früher wurden dafür Prototypen gebaut, im Labor vermessen, verworfen, geändert und neu gebaut, wieder getestet und vermessen usw., bis eben die Messergebnisse gestimmt haben. Das waren Vorgänge, die wochenlang bis zu zwei Monaten gedauert haben. Entsprechend sind die Kosten.
Albert: „Durch Gespräche mit Coffee sind wir auf Flow Simulation gekommen und setzen die Software seitdem ein.“
 Die Solidworks Flow Simulation arbeitet voll integriert in Solidworks.
Im Entwicklungsprozess wird die Simulation direkt nach dem 3D-Entwurf und vor der Teiledetaillierung eingesetzt:
* Zunächst wird die Geometrie vereinfacht, um nicht zuletzt Berechnungszeiten zu sparen.
* Im nächsten Schritt erfolgt die Definition der Materialien, die Festlegung der Vernetzungsparameter etc.
* Dann wird das Netz weitgehend automatisiert erstellt. Es können hierbei durchaus einige hunderttausend bis zu 3 Million Netzknoten entstehen.
* Hierauf kann der Solver-Lauf, die eigentliche Berechnung, gestartet werden. Er kann durchaus einige Stunden dauern, „meist sind wir aber über Nacht fertig“, konkretisiert Albert.
* Im letzten Schritt erfolgt die Ergebnisdarstellung und -interpretation.
Was wollen die Entwickler sehen?
Albert: „Bei uns geht es im Wesentlichen um die Temperaturverteilung und darum festzustellen, wo die maximale Temperatur auftritt.“
Wie genau geht das?
Weil das Simulationsmodell im Laufe der Jahre immer weiter verfeinert wurde, aufgrund der realen Messungen, „erreichen wir jetzt in der Spitze eine Abweichung der Vorhersage von den späteren Messwerten von nur 1 Grad“, wie Albert versichert.
Für Pfeifer und Seibel bringt das eine starke Verkürzung der Meß- und Optimierungszyklen von bis zu zwei Monaten auf eine Woche! Zudem entfallen die Aufwände für die meisten Prototypen. Nur ganz am Ende des Engineeringprozesses wird noch einer gebaut, zur Kontrolle.
 Sandor Albert, Leiter Entwicklung Lichttechnik, bei der Pfeifer und Seibel GmbH.
Nachdem auf diesem Feld nun gesicherte positive Erfahrungen vorliegen, können sich Sandor Albert und seine Kollegen gut vorstellen, auch in weitere Analysen einzusteigen, z. B. Festigkeitsberechnung in der Mechanik. Auch die neuen Impulse, die Solidworks in Sachen Elektro- und sogar PCB-Design gesetzt hat, finden die Entwickler hier sehr interessant.
Auch bei weiteren Schritten in die Zukunft fühlen sie sich bei Coffee gut aufgehoben und bezeichnen die Zusammenarbeit als „rundherum gut“.
Über Coffee
Die Coffee GMBH, Partner von Solidworks, SolidCAM und Marktforged, vertreibt deutschlandweit das gesamte Portfolio der drei Marken. Die Produkte und Lösungen des Unternehmens decken den gesamten Produktentstehungsprozess ab - von der Idee, dem Design, über die Konzeption/Planung, die mechanische Konstruktion, Simulation, elektrische Konstruktion, Daten- und Dokumentenverwaltung, technische Kommunikation, Erstellung von Prototypen, additive Fertigung (3D-Druck) und Fertigung.
Das Unternehmen lies in der letzten Zeit aufhorchen, durch die Übernahme des operativen Geschäfts (Mitarbeiter, Lizenzen und Niederlassungen) von Cadmes Deutschland. Damit steigt die Zahl der Mitarbeiter auf 50 und die der Niederlassungen auf 6.
www.ps-leuchten.de
www.coffee.de
- Karl Obermann -
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