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Circuitworks: Schnelle Verbindung zwischen Elektronik und Mechanik
Elektronik und Mechanik rücken immer näher zusammen – jedenfalls in der realen Welt. In der CAD-Welt gibt es aber noch wenige Lösungen, die diesem Umstand Rechnung tragen. Eine davon ist Circuitworks, welche bei dem Hersteller von Leistungselektronik, Semikron, Nürnberg, erfolgreich eingesetzt wird.
Leistungshalbleiter sind in der Öffentlichkeit zwar wenig bekannt, sie sind in unserem modernen Leben aber überall präsent. Sie sind in der Leistungselektronik für das Schalten und Steuern hoher Ströme und Spannungen eingesetzt, die von 1 Ampere und 24 Volt, bis hin zu mehreren Tausend Ampere und Volt reichen. Nicht zuletzt durch die alternativen Energien, Sonne und Wind, wie auch durch Elektroautos, stehen sie vor einer neuen Karriere.
Einer der führenden Anbieter in diesem Bereich ist das Nürnberger Unternehmen Semikron. Gegründet wurde Semikron bereits 1951 von Friedrich Josef Martin, der damals mit wenigen Mitarbeitern Selenumrichter vertrieb.
Schon 1954 startete er eine eigene Fertigung, die Selengleichrichterplatten und Selenüberspannungsbegrenzer umfasste.
Aus diesen Anfängen heraus hat das fränkische Unternehmen eine steile Entwicklung erlebt: Mit 3900 Mitarbeitern und 36 Gesellschaften ist Semikron heute weltweit vertreten. „Die schon vom Firmengründer aufgestellte Strategie, ‚nahe am Kunden‘, drückt sich unter anderem auch darin aus“, so Peter Mauer, Leiter PCB-Design, bei Semikron, dass internationale Kunden in ihrer eigenen Währung bezahlen können und kein Devisenkonto benötigen.
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Semikron ist Hersteller von Leistungselektronikprodukten wie Chips, diskreten Halbleitern, sowie Transistor-, Dioden und Thyristor-Modulen und Leistungselektronischen Aufbauten und Systemen für Anwendungen in Industriebetrieben, Wind- und Solarindustrie, Hybrid- und Elektrofahrzeugen sowie Schienenfahrzeugen.
Zur Produktpalette, die von 1 KW bis zu 10 MW reicht, zählen mehr als 11000 Leistungshalbleiter.
Ein großer Absatzmarkt sind Windkraftanlagen. Laut einer Untersuchung von BTM Consult APS, rüstet das Unternehmen rund 50 Prozent aller Anlagen aus.
Auch bei Elektroautos können die Nürnberger deutlich punkten, hat man doch bei anderen Elektrofahrzeugen, wie zum Beispiel Gabelstaplern, schon seit mehr als 15 Jahren Erfahrungen sammeln können.
Die Semikron GmbH & Co. KG befindet sich nach wie vor in der Hand der Gründerfamilie.
Die CAD/PDM-Situation
Die CAD-Situation hat sich lange Zeit durch Produkte von Mentor in der Elektrokonstruktion und durch Autocad auf der mechanischen Seite dargestellt.
Später hat man auf Allegro von Cadence als ECAD-System und Solidworks als 3D-Konstruktionssystem umgestellt.
 Die Benutzeroberfläche von Circuitworks als Bestandteil von Solidworks Premium.
Alle Arbeitsplätze in Deutschland sind in Smarteam als PDM-System integriert. Zukünftig sollen weltweit, alle Entwicklungsstandorte angebunden werden. „So können alle Entwickler an allen Standorten stets auf die gleichen Daten zugreifen“, wie Birgit Fuhrmann, die verantwortliche Systembetreuerin bei Semikron berichtet. Über Smarteam wird auch die Integration zum ERP-System (Navision) realisiert.
Systempartner ist die Solidline AG, die in Nürnberg eine eigene Niederlassung unterhält und „somit bei Service und Support kurze Wege garantiert“, so Fuhrmann.
Die Entscheidung für Circuitworks fiel laut Peter Mauer schon, „als wir uns für das ECAD-System von Cadenas entschieden. Wir wollten die Kopplung von ECAD und MCAD realisieren und sahen zu Circuitworks keine Alternative.“
Ein performanter Kopplungsbaustein
Der Austausch zwischen PCB-Layout-Systemen und Solidworks erfolgt über Standard-formate: IDF, PADS oder ProStep EDMD.
In dieser Datei sind die Beschreibung der Leiterkarte und die Benennung aller Komponenten enthalten. Sie kann von beiden Systemwelten entsprechend interpretiert werden.
Die Bauteile selbst sind in den Bibliotheken des PCB-Layout-Systems und des CAD-Systems enthalten – auf der mechanischen Seite mit ihrer wahren Gestalt. Bei der Übertragung nach Solidworks erkennt das System automatisch, welche Teile der E-Konstrukteur verbaut hat und generiert sie in 3D.
Sollte der Elektrokonstrukteur Teile ver-wendet haben, die auf der mechanischen Seite nicht vorhanden sind, werden sie auf Grund der Daten in der Elektronikdatei aufgebaut. Darin enthalten sind die Grundfläche und meist auch die Höhe in Form eines Attributs. Falls auch dieses Attribut fehlt, erscheinen die Bauteile mit einem Fragezeichen in der Liste. Jetzt muss der Solidworks-Anwender eingreifen und die fehlenden Daten hinzufügen.
 Bauteildarstellung in der Circuitworks-Bibliothek.
Die so entstandenen Bauteile sind aber nur grob repräsentiert. Besser ist es, alle in der Elektrowelt eines Unternehmens existierenden Bauteile auch im mechanischen CAD-System mit ihrer wahren Gestalt abzulegen.
Semikron hat dazu die Geometrien von den Bauteillieferanten verwendet. Wo solche nicht zur Verfügung standen, mussten die Teile selbst in Solidworks generiert werden.
„Das war zwar am Anfang ein großer Aufwand“, berichtet Peter Mauer, „der sich aber dadurch, dass er nur einmal auftritt, relativiert.“
Später müssen dann nur noch die jeweils neuen Bauteile in beide Systemwelten eingepflegt werden.
Circuitworks ist mittlerweile ein Teil von Solidworks Premium, was die Installation und Wartung im Solidworks-Umfeld vereinfacht.
Der mechatronische Prozessablauf
Circuitworks ist heute bei Semikron eine funktionierende Brücke zwischen ECAD und MCAD, das heißt in Cadens Allegro entsteht eine Leiterkarte, die über Circuitworks an Solidworks übergeben wird. Dort wird daraus das 3D-Modell.
Dann erfolgt in Solidworks eine Kollisionsprüfung mit dem Gehäuse, mit Deckeln oder anderen mechanischen Teilen. Zum anderen nutzt Semikron Circuitworks auch, um Produktmanagern frühzeitig ein fotorealistischen Bild der neuen Baugruppe zur Verfügung stellen zu können, lang bevor diese gebaut ist und ein reales Foto gemacht werden kann.
„Der Prozess läuft also derzeit von der elektrischen zur mechanischen Seite, nicht umgekehrt“, erklärt Peter Mauer. Stellt der Mechanik-Konstrukteur bei seinen Prüfungen Kollisionspunkte fest, muss er sich mit seinen Kollegen in der Elektrokonstruktion abstimmen. Beide führen dann die Änderungen aus und der Prozess der Übergabe und 3D-Modellierung in Solidworks sowie die Kollisionsprüfung beginnen von neuem.
 Leistungshalbleiter-Baugruppe als fotorealistische Darstellung, die so bereits schon im
Produktmanagement genutzt werden kann, schon bevor die reale Baugruppe fertig ist.
Ist dieser Prozess abgeschlossen, entsteht aus der Leiterkarte eine ‚Blackbox‘, die als solche im Weiteren Konstruktionsablauf mitgeführt wird. Erst in der Montage wird die ‚Blackbox‘ durch die reale Leiterkarte ersetzt.
Erfahrungen und Zukunftsaspekte
Für Peter Mauer und seine Kollegen ist die Einführung von Circuitworks mittlerweile deutlich positiv und zwar aus zwei Gründen: „Zum einen sind die Bauräume im Lauf der Jahre immer enger geworden und zum anderen ist der Wert der Elektronik am Gesamtsystem deutlich gestiegen. Beides verlangt nach einem ‚verschmelzen‘ beider Entwicklungsseiten. Die klare Trennung früherer Zeiten gibt es nicht mehr!“
Davon abgesehen ist der Prozess, wie beschrieben, sehr schnell.
Sehr positiv beurteilt Semikron auch die Betreuung durch Solidline: „Die Anwender schätzen die schnellen Reaktionszeiten und Lösungsansätze des Supportteams und nutzen das Online Supportportal als Wissensplattform, so Birgit Fuhrmann. „Erfahrene Trainer schulen unsere neuen Mitarbeiter und gewährleisten durch firmeninterne Individualschulungen die langfristige und produktive Nutzung von Solidworks“.
In Zukunft wird sich die mechanische Integration weiter fortsetzen, da ist man sich bei Semikron absolut sicher. „Ob man darauf mit einem integrierten CAx-System oder weiter mit zwei abgekoppelten Systemen, die aber noch enger zusammenrücken werden, reagiert, ist offen“, meint Mauer.
Einen wichtigen Schritt in diese Richtung sieht er durch eine neue Schnittstelle in Solidworks 2012 ProStep EDMD.
Diese Schnittstelle wird mittlerweile auch von vielen ECAD-Anbietern unterstützt. Grundsätzlich können Circuitworks-Daten in ProStep EDMD-Daten exportiert und umgekehrt ProStep EDMD-Daten in Circuitworks importiert werden. Die Schnittstelle vermittelt der jeweiligen Seite (ECAD oder MCAD), wenn von der anderen Seite eine Änderung vorgenommen wurde. Diese Änderung kann angenommen oder abgelehnt werden. Im Falle der Annahme wird sie ausgeführt. Durch dieses Vorgehen können Detailänderungen von beiden Seiten her realisiert werden, ohne jedes Mal ein komplett neues Modell zu erzeugen. Es entsteht lediglich ein inkrementeller Datenaustausch.
 Die Gesprächsteilnehmer in Nürnberg: Birgit Fuhrmann und Peter Mauer.
Die Technik steht also bereit und funktioniert sicher, wie das Fallbeispiel Semikron zeigt. Jetzt kommt es darauf an, dass den Pionieren viele andere folgen.
www.semikron.com
www.solidline.de
www.solidworks.de
-Karl Obermann-
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