Kühlen Kopf bewahren: Simulation der Wärmeübertragung schon während der Konstruktion

Lange neigte man in der Produktentwicklung dazu, „zur Sicherheit“ alles einfach etwas kräftiger zu dimensionieren.Dem stehen heute mehrere Argumente entgegen: Je enger die Bauräume werden, desto weniger Platz bleibt für Überdimensionierung. Zudem ist Überdimensionierung eine Verschwendung – sowohl aus betriebswirtschaftlichen wie auch aus umwelttechnischen Gesichtspunkten. Der Konstrukteur muss also immer mehr an die Grenzen des Materials gehen, zudem sorgt die zunehmende Miniaturisierung dafür, dass der Wärmeabfuhr steigende Bedeutung zukommt – je kleiner die Gehäuse, desto schneller entsteht ein Hitzestau. Je kompakter und je komplexer Produkte werden, desto wichtiger wird also die Simulation – nicht nur von Festigkeiten, sondern auch der Wärmeverteilung.

Dabei nutzt es wenig, wenn die Simulation erst am Ende des Entwicklungsprozesses steht. Dass die Simulation erst sehr spät im Produktentwicklungsprozess zum Tragen kommt, hat eher historische Gründe: Die Simulationspakete waren sehr komplex zu bedienen und die Vorbereitung der Daten war arbeitsintensiv. Da die Rechenleistung der vorhandenen Computer weit geringer war als heute, musste die zu berechnende Geometrie möglichst stark vereinfacht werden, zusätzlich wurde oft die Physik durch Annahmen vereinfacht. Diese Vorbereitungen und die eigentliche Simulation waren zeitaufwändig und erforderten Spezialisten, so dass es sich nicht lohnte, mit Zwischenständen der Geometrie zu simulieren.

Rechenpower im Überfluss ist vorhanden

Diese Situation hat sich grundlegend geändert: Aktuelle Rechner bieten genug Rechenpower, um „mal schnell“ eine Berechnung zu starten. Und durch die Integration von Simulationssoftware ins CAD-System fällt ein großer Teil der Vorbereitung weg – die Simulation arbeitet direkt auf den CAD-Daten, schlaue Algorithmen ermöglichen es, die Physik bei annehmbarem Rechenaufwand sehr detailgetreu zu berechnen.

So kann der Konstrukteur in SOLIDWORKS sein Modell auch schon sehr früh im Prozess analysieren. Gerade wenn es um die Wärmeableitung geht, kann es viel Sinn machen, schon in einem erst grob festgelegten Gehäuse die wichtigsten Wärmequellen, Einlässe und Auslässe zu definieren und erste Simulationen zu starten. So zeigt sich beispielsweise schnell, ob das verfügbare Luftvolumen überhaupt ausreicht, um die entstehende Wärme abzutransportieren. Die gewonnenen Erkenntnisse sind dann eine gute Grundlage für die weitere Entwicklung.

Kühlleistung verbessern, Zeit und Kosten sparen

Ein typisches Beispiel für solche Simulationen findet sich bei der POLYRACK Tech Group, einem führenden Anbieter von integrierten Aufbaulösungen für die Elektronikbranche. Für effektive Verpackungen von elektronischen Rack-Systemen mit mehreren Leiterplatten, die komplexe Herausforderungen hinsichtlich der Wärmeübertragung mit sich bringen, nutzt POLYRACK SOLIDWORKS Flow Simulation. Damit hat das Unternehmen die Möglichkeit, schnelle Simulationen in Bezug auf das Verhalten bei der Wärmeübertragung in Gehäusekonstruktionen zu erstellen, die zu 90 Prozent für spezifische Anwendungen angepasst sind. Durch diese Erkenntnisse sind die Konstrukteure von POLYRACK in der Lage, die Kühlleistung zu verbessern und gleichzeitig Zeit und Kosten einzusparen. Die Strömungssimulationen haben beispielsweise ergeben, dass bei einem Gehäuse mit zehn verschiedenen Hauptplatinen der Einsatz von acht kleinen Ventilatoren für die Kühlung des Systems wesentlich effektiver ist als die in der ursprünglichen Konstruktion vorgesehene Verwendung von vier großen Ventilatoren.

„Es kommt darauf an, die ideale Luftströmung über den elektronischen Komponenten zu erreichen“, so Entwicklungsmanager Bernd Knab. „Bei Rack-Systemen ist es oft der Fall, dass die Platine, die in der Nähe des Ventilators platziert ist, den Hauptteil des Luftstroms abbekommt, während eine andere, die sich etwas darunter befindet, nicht ausreichend gekühlt wird. Mithilfe von SOLIDWORKS Flow Simulation konnten wir feststellen, dass durch die Platzierung von perforierten Metallplatten vor den Ventilatoren und der Neupositionierung von Leiterplatten der Luftstrom besser verteilt und somit eine homogene Kühlung des gesamten Systems gewährleistet werden kann. Zusätzlich zur Optimierung des Kühlungssystems hilft uns SOLIDWORKS Flow Simulation dabei, durchschnittlich zwei Prototypen bei jedem Projekt einzusparen.“

Von drei Monaten auf zwei Wochen

Durch die Einführung von SOLIDWORKS Flow Simulation und des dazugehörigen elektronischen Kühlmoduls konnte POLYRACK seine Entwicklungszeit von drei Monaten auf zwei Wochen reduzieren, zwei Prototypenbauzyklen einsparen, ein neues Beratungsgeschäft für Strömungssimulationen aufbauen sowie effektive Ansätze bei der Konstruktion von Kühlsystemen entwickeln.

Ähnliche Einsatzgebiete finden sich in vielen Bereichen, von der Auslegung und Optimierung von Klimasystemen über Prozesssysteme in der Chemie, die genau definierte Wärmeverteilungen einhalten sollen, bis hin zu Konsumgütern und medizinischen Geräten. Wenn die Simulation wie bei SOLIDWORKS in die Konstruktion eingebunden ist, entstehen schneller ausgereiftere Produkte. Fehlentwicklungen wie ein zu geringes Gehäusevolumen werden sehr früh im Prozess erkannt und die Entwicklung geht von Anfang an in die richtige Richtung.

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