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Comsol Multiphysics: Spezialmodul für die Berechnung von Mikrofluidiks
Mikrosysteme sind eine der Säulen mit starkem Innovationspotenzial für
viele Produkte. Eine „Unterabteilung“ davon sind Mikrofluidiks. Um sie
künftig noch besser gestalten und optimieren zu können, hat Comsol ein
spezielles Zusatzmodul für sein FEM-System, Comsol Multiphysics,
entwickelt. Über Details dazu sprach der CAD.de/Newsletter mit Dr.
Bernhard Fluche, Geschäftsführer der Comsol Multiphysics GmbH in
Göttingen.
CAD.de/NL: Herr Dr. Fluche, für wen beziehungsweise für welche Branchen ist das neue Mikrofluidiks-Modul gedacht?
Dr. Bernhard Fluche: Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig: Sie
kommen bei Düsen vor, wie man sie beispielsweise von Inkjet-Druckern her
kennt, bei Flüssigkeitslinsen oder bei sogenannten „Labs on a chip“.
Microfluidics werden auch im Bereich der Brennstoffzellen gebraucht, bei
elektroosmotischen Mikropumpen, bei Mikromischern, bei Biosensoren und
bei vielem mehr. Die Simulation mikrofluider Komponenten erfordert
häufig die Berücksichtigung mehrerer physikalischer Effekte und genau
darin sind wir mit unserer Software stark.
Wie kommt das entsprechende Wissen an die Anwender?
Wir sind sehr aktiv mit unseren Workshops und zwar bundesweit. In diesen
kostenfreien Workshops findet ein sehr intensiver Informationsaustausch
statt. Außerdem geben wir hier den Teilnehmern die Möglichkeit, die
Software selbst auszuprobieren und intensiv zu testen.
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Wenn wir jetzt systematisch vorgehen, entlang der Prozesskette, dann findet die Modellierung der Mikrosysteme wohl doch in den verschiedenen bekannten CAD-Systemen statt?
So ist es. Die reine 3D-Geometrie wird auch in diesem Anwendungsgebiet im CAD-System modelliert. Dann erfolgt die Übertragung zu Comsol Multiphysics. Dazu bieten wir eine Reihe von Schnittstellen an und zwar Standardschnittstellen, zunehmend aber auch spezielle bidirektionale Schnittstellen zu einzelnen CAD-Systemen, bei uns „Livelinks“ genannt. Im Zusammenhang mit Solidworks ist die Kopplung besonders eng. Da kann der Anwender die CAE-Module unseres Systems direkt aus Solidworks heraus aufrufen und braucht die gewohnte Arbeitsumgebung gar nicht zu verlassen.
Welche Schnittstellen haben Sie im Einzelnen?
Wir unterstützen die Standardformate, wie SAT, STEP, IGES und Parasolid, sowie die originären Formate von Creo, Inventor, Solidworks, Spaceclaim, Autocad 3D und Catia V5. Komfortabler noch sind eben diese Livelinks, die zu Solidworks, Pro/E, Inventor, Autocad 3D, Spaceclaim und Creo bestehen.
 Dr. Bernhard Fluche, Geschäftsführer der Comsol Multiphysics GmbH.
Folgen wir dem Prozess weiter, dann kommt nach dem Geometrieinput das Pre-Processing. Welche Möglichkeiten bestehen nun für die Mikrofluidiks?
Es gibt verschiedene Punkte, die der Anwender durchlaufen muss. Dazu gehört die Festlegung der Physik. Rechnergestützt kann der Anwender seine physikalischen Bedingungen auswählen, beispielsweise eine Zweiphasenströmung. Dann wird der Analysetyp festgelegt, ob zum Beispiel stationär oder transient gelöst werden soll.
Weiter wichtig ist die Wahl der Materialparameter. Hier kann der Anwender auf eine vorhandene Material-Bibliothek zurückgreifen, die natürlich auch um spezifische Stoffe erweiterbar ist. Der Anwender legt damit die Eigenschaften seiner Stoffe fest, beispielsweise elektrochemische, elektromagnetische oder mechanische Eigenschaften.
An dieser Stelle „denkt“ unser System mittlerweile mit: Vergisst der Anwender eine notwendige Festlegung, erscheint eine Stoppzeichen am Bildschirm. So wird dafür gesorgt, dass wirklich alle notwendigen Eingaben auch getätigt werden.
Nun hat man die Materialeigenschaften definiert und dann…
… müssen dem Modell noch die physikalischen Eigenschaften zugewiesen werden, also beispielweise Randbedingungen oder Gebietsbedingungen. So muss zum Beispiel festgelegt werden, wo sich Einlass und Auslass und wo sich reibungsbehaftete Wände für das Fluid befinden, welche viskosen Kräfte in einem bestimmten Gebiet wirken etc. Auch dazu gibt das Programm verschiedene Vorgaben, die jeweils selektiert werden können.
Eines möchte ich an dieser Stelle noch erwähnen: Alle vordefinierten Auswahlmöglichkeiten findet man durch Betätigung der rechten Maustaste. Das erleichtert die Arbeit, auch bei komplexen Aufgaben.
Der nächste größere Schritt ist dann die Vernetzung.
Hierbei bietet unser Programm einige Möglichkeiten, so dass das Netz flexibel an die vorherrschende Physik angepasst werden kann.
 Simulation einer Flüssigkeitslinse mit variablem Fokus für eine Miniaturkamera.
Das Bild zeigt die Situation während einer Brennweitenveränderung.
Wir denken, dass gerade bei solchen Systemen die Randschichten besonders wichtig sind?
Ja, deswegen bieten wir an der Stelle auch einen speziellen Randschichten-Vernetzer an, der den Anwender eine optimale Unterstützung gibt.
Also nicht nur kartesische Netze, wo alles in kleinste Würfelflächen unterteilt werden müsste?
So ist es, wir bieten alle möglichen Elementtypen- für 3D sind es Tetraeder-, Hexaeder- und Prismen Elemente- an, um eine vorherrschende Geometrie bestmöglich abbilden zu können. Natürlich sind adaptive Netzverfeinerungen möglich, an den Stellen, wo im Modell wirklich etwas passiert. Ich möchte ferner darauf hinweisen, dass es mit Comsol Multiphysics möglich ist, in einer Baugruppe unterschiedliche unabhängig voneinander zu vernetzen – wiederum ein Stück Flexibilität für den Anwender. Zudem können wir nun mit unserer neuesten Version, Comsol Multiphysics 4.2, auch die gewünschten Koordinaten einstellen, zum Beispiel zylindrische Koordinaten, statt kartesischer Koordinaten, so dass die Eingabe, beispielsweise von Materialparametern, erleichtert wird.
Dann kommt das Solving, der eigentliche Berechnungsvorgang?
Auch dabei bieten wir dem Anwender Komfort und Flexibilität. Wir haben dafür jeden Solver für jede Applikation bereits voreingestellt. Das bedeutet, im Idealfall braucht der Berechnungsingenieur an dieser Stelle nichts weiter zu tun, als die Berechnung zu starten. Wenn er also ein microfluidisches System zu lösen hat, kommt automatisch der richtige Solver zum Einsatz. Also nochmals: Unser System bringt mehrere Solver mit, die problemorientiert eingesetzt werden und zwar ohne großen Aufwand.
 Der Comsol Model Wizard ermöglicht den Anwendern des Microfluidics Moduls die Auswahl
aus einer großen Bandbreite an Funktionen, um Strömungen
und andere gekoppelte Phänomene zu beschreiben.
Welche Hardware wird unterstützt?
Alles, von einem singulären PC bis hin zu Rechnerclustern. Dabei kann es sich um die Vernetzung kompletter Einzelrechner handeln oder auch um die Nutzung von mehreren CPU-Boards in einem Gehäuse. Die Software ist entsprechend parallelisiert.
Unterstützen Sie auch die Tesla-Boards von Nvidia? Oder, anders gefragt, ist Ihre Software Cuda-fähig?
Nein, das ist sie noch nicht.
Wenn das System fertig gerechnet hat,…
…kommt die Ergebnisdarstellung, für die es auch wieder verschiedene Optionen gibt. Es können z.B. mehrere Plots in einer Darstellung kombiniert oder auch abgeleitete Größen berechnet werden.
Speziell hinweisen möchte ich auf ein neues Zusatzmodul im Postprozessing, das Particle Tracing Modul. Es erlaubt unter anderem in den berechneten Strömungsfeldern Partikeltrajektorien genau darzustellen.
Also optimal geeignet für Microfluids?
Ja, gerade für Strömungsdarstellungen jeglicher Art ist dieses Modul bestens geeignet.
Gibt es denn schon erste Anwender für den Mikrofluidiks-Modul?
Ich kann beispielsweise das IMM, das Institut für Mikrotechnik in Mainz nennen, darüber hinaus haben es zahlreiche Forschungseinrichtungen, Hochschulen und Unternehmen im Einsatz.
Herr Dr. Fluche, gestatten Sie uns am Ende des Interviews noch zwei Fragen zum Unternehmen selbst. Da wir jetzt, zum Zeitpunkt des Interviews gerade erst Februar haben, wie ist denn das letzte Geschäftsjahr gelaufen?
Das letzte Geschäftsjahr ist sehr gut gelaufen. Wir hatten ein Wachstum von 44 Prozent – mit Abstand das beste Wachstum aller Comsol-Büros weltweit.
Das hat natürlich Folgen für das Unternehmen. Zum einen ist die Zahl der Mitarbeiter gestiegen auf jetzt 24 in Deutschland, zum anderen gibt es ab April 2012 eine zweite Niederlassung und zwar in Berlin. Berlin deshalb, weil unsere Hauptstadt auch gleichzeitig die größte Wissenschaftsstadt Deutschlands ist und weil von dort aus auch ein recht interessantes Umfeld bearbeitet werden kann.
 Elektrisches Potenzial (links), Strömungslinien und Konzentrationsprofil (rechts) eines elektroosmotischen Mischers während des Betriebs.
Wird Berlin auch die neue Zentrale?
Nein, die Zentrale bleibt in Göttingen. Berlin ist unsere erste Zweigniederlassung. Im nächsten Jahr werden wir übrigens auch Göttingen erweitern. Wir haben 2013 die Möglichkeit, in ein komplett neues Gebäude umzuziehen und werden dort eine ganze Etage mit 700qm belegen. Dann können wir uns personell noch weiter verstärken. Die bisherigen Räumlichkeiten werden wir zudem noch für Trainings und Workshops behalten.
Wo wird in diesem Jahr die User-Konferenz stattfinden?
In diesem Jahr wird die User-Konferenz wieder in Mailand sein, wie schon 2009.
Herr Dr. Fluche, vielen Dank für das Gespräch.
Highlights des Microfluidics Moduls
- Modellierung einphasiger und mehrphasiger Strömungen sowie Strömungen in porösen Medien mit darauf zugeschnittenen Eingabemasken.
- Mehrphasenströmungen können mit Level Set, Phase Field und beweglichen Netzen modelliert werden.
- Verbindung grundlegender mikrofluider Effekte, wie z. B. Elektrophorese, Magnetophorese, Dielektrophorese, Elektroosmose und Electrowetting.
- Modellierung der chemischen Diffusion bei multiplen verdünnten Spezies. Diffusion und Reaktion in einer Phase einer zweiphasigen Strömung mit dem beweglichen Netzinterface der Zweiphasenströmung
- Lösen von stationären, stark verdünnten Gasströmungen wie z. B. Strömungen in Vakuumsystemen unter Verwendung des Anwendungsmodus für molekulare Strömungen.
www.comsol.de
Karl Obermann
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