Die automatisierte Schwingungsanalyse der Leiterplatte reduziert Fehler und sorgt für einen Prozess, der 100-mal schneller ist

Ingenieure helfen Ingenieuren

Design Automation Associates Inc. (DAA) wurde 1995 von drei United Technologies-Ingenieuren gegründet und bietet eine Vielzahl von Engineering-Beratungsdienstleistungen. Der Schwerpunkt liegt in der Unterstützung von Unternehmen bei der Automatisierung der Entwicklungs- und Konfigurationsprozesse ihrer Produkte. Das Unternehmen besteht jetzt aus 20 Mitarbeitern und bedient eine Vielzahl von Branchen wie rotierende Maschinen, Elektronik-Verkapselung, Industriemaschinen sowie Luft- und Raumfahrt, Militär und Automotive.

DAA verfügt über umfangreiche Erfahrungen bei der Entscheidung, welche Aktivitäten für Automatisierung geeignet sind. Eine der vielversprechendsten Aktivtäten ist die Konstruktion und Analyse von Engineer-to-Order (ETO) und Configured-to-Order (CTO) Produkten. „In allen Bereichen der Konstruktion und der Analyse gibt es wiederkehrende Probleme, insbesondere bei Unternehmen, die mit Engineer-to-Order (ETO) und Configured-to-Order (CTO) Produkten arbeiten. Hier werden bestimmte Teile so häufig konstruiert, dass die Automatisierung für sehr große Zeiteinsparungen sorgen kann,“ erläutert John Lambert, President und CEO von DAA.

Als konkretes Beispiel im Zusammenhang mit der Elektronik-Verkapselung nennt Lambert die Finite-Elemente-Analyse (FEA), die bei ETO Leiterplatten (Printed Circuit Boards, PCBs) erforderlich ist. „Diese Unternehmen müssen ihre Leiterplatten für jeden Auftrag neu entwickeln. Selbst wenn Unternehmen gute Analysetechniken einsetzen, gibt es noch viele Tätigkeiten, die manuell durchgeführt werden müssen“, erklärt Lambert. In vielen Fällen sind manuelle Berechnungen erforderlich, beispielsweise um Lasten festzulegen und die Ergebnisse einer Analyse zu bewerten. „Viele dieser Berechnungen, wie jene, die zur Interpretation der Ergebnisse herangezogen werden, erfordern spezielle Verfahren, die Teil des geistigen Eigentums des Unternehmens sind, und die es einzigartig und wettbewerbsfähig machen“, ergänzt Lambert. „Es gibt einen ganzen Bereich der Analyse und Logik, der keiner Analysesoftware als Standardfunktion hinzugefügt werden kann, da er unternehmensspezifisch ist.“

DAA hat Situationen erlebt, in denen der Analyseprozess für ein einzelnes Engineer-to-Order-Produkt (ETO) nicht weniger als 40 Stunden gedauert hat. „Und dieses Unternehmen führt denselben Analyseprozess vielleicht 100-200 Mal pro Jahr durch“, erläutert Lambert. „Zusätzlich zu den Kosten und dem Zeitaufwand steigt mit einer Vielzahl manueller Berechnungen auch die Wahrscheinlichkeit von Fehlern.“ Wenn DAA erlebt, dass Automatisierung angestrebt wird, geschieht dies fast immer in Form von Makros, wie Lambert anführt, „Technologie, die 20 Jahre alt ist.“

Mehr als Makros

Die Ingenieure von DAA verwenden bei ihrer Arbeit eine Reihe fortschrittlicher Konstruktions- und Analyselösungen, aber wenn es um die Automatisierung komplexer, iterativer Analysen und Konstruktions-Analyse-Schleifen geht, verlässt sich das Unternehmen auf Simcenter und NX von Siemens Digital Industries Software. DAA nutzt Simcenter 3D und Simcenter Nastran, die beide Teil des Simcenter-Portfolios von Siemens sind, für komplexe Analysen. „Das Toolset von Simcenter und NX ist eine Weltklasse-Funktionalität“, so Lambert. „Mit Simcenter 3D und NX verfügen wir über integrierte Modellierungs- und Analysefunktionen und NX Open.“ NX Open ist die Anwendungsprogrammierschnittstelle (API), die sowohl in Simcenter 3D als auch in NX integriert ist. DAA nutzt NX Open zusammen mit angepasster Codierung für komplexere Automatisierungen. „Die Probleme, auf die wir uns konzentrieren, sind von einer höheren Komplexität und erfordern eine stärkere Automatisierung als Standardfunktionen sie bieten können“, so Lambert. „Aus diesem Grund nutzen wir NX Open.“

Als Beispiel für eine Automatisierung, die von DAA durchgeführt wurde, nennt Lambert eine Finite-Elemente-Analyse einer Leiterplatte, die für eine Anwendung für der Luft- und Raumfahrt vorgesehen war. „Dies ist ein hervorragendes Beispiel für eine Aufgabe, die wiederholt durchgeführt werden muss. Das liegt zum Teil daran, dass es so viele Konstruktionsvariablen gibt, wie beispielsweise die Komponenten auf der Platine und die Befestigungen, die ausgetauscht werden können“, erläutert Lambert. „Zudem unterliegen die Leiterplatten regellosen Schwingungen, und je nach Spektrum kann es einen oder mehrere Sperrbereiche geben. Sie müssen wiederholt Frequenzen ändern, um sie von den „Sperrbereichen“ zu entfernen und in Bereiche mit weniger Schwingungen einzubringen. Dies ist aber nicht so einfach, da sich dadurch Lasten und Spannungen erhöhen können. Wenn Sie Frequenzen ändern, müssen Sie die Lasten neu überprüfen. Häufig gibt es bei der Elektronik-Verkapselung auch Komponenten mit nahe beieinander liegenden Frequenzen, sodass sie sich gegenseitig verstärken. Ein ausgewogenes Verhältnis zwischen der richtigen Frequenzplatzierung und der strukturellen Integrität der Platine zu erzielen, wird zu einer mühsamen Aufgabe.

Die automatisierte Version dieses Prozesses von DAA, die für den Anwender nach einer reinen NX-Funktionalität aussieht, beinhaltet geometrische Modellierung, FEA-Vorbereitung, -Nachbereitung, und -Analyse unter Verwendung von Simcenter 3D und Simcenter Nastran®. Ausgehend vom NX Geometriemodell der Leiterplatte erstellt das Programm automatisch Finite-Elemente-Netze und wendet die entsprechenden Materialeigenschaften an. Dann wird wiederholt eine „Frequency Extraction Analysis“ (Simcenter Nastran Solution 103) durchgeführt. Benutzerdefinierter Code, der von DAA mit NX Open geschrieben wurde, vergleicht die Ergebnisse mit dem zufälligen Schwingungsspektrum und fährt dann mit den iterativen Schleifen und Modifizierungen an der Leiterplattengeometrie fort, bis die Schwingungsfrequenzen der Leiterplatte außerhalb der Sperrzonen der zufälligen Schwingungskurve liegen. Anschließend werden benutzerdefinierte Berechnungen durchgeführt, um Lasten festzulegen, gefolgt von der Berechnung der Spannungen und Verformungen (Simcenter Nastran Lösung SOL 101). Einige zusätzliche benutzerdefinierte Codes kombinieren diese Ergebnisse mit Branchen- und Prozesswissen, um Lebensdauervorhersagen zu treffen, Vergleiche mit zulässigen Materialwerten anzustellen und abschließend festzulegen, ob die Konstruktion akzeptabel ist. Ist dies nicht der Fall, startet der Prozess erneut und die Iterationen setzen sich fort, bis die Konstruktion eine angemessene strukturelle Integrität aufweist.

In diesem Beispiel, so Lambert, ist die thermische Berechnung nicht involviert, könnte es aber sein: „Normalerweise muss eine thermische Berechnung durchgeführt werden. Diese kann auch in die Automatisierung integriert werden.“

Große Zeiteinsparungen und weniger Fehler

Wie am Beispiel der Leiterplatte deutlich wird, ist die Zeitersparnis einer der deutlichsten Vorteile der Automatisierung. Lambert hat Situationen erlebt, in denen die Berechnung, für die zuvor 40 Stunden erforderlich waren, dank der Automatisierung auf 15 Minuten reduziert werden konnte.

Natürlich ist die Einrichtung der Automatisierung zeitaufwendig. DAA hat für das Berechnen dieser Zeit eine gute Faustregel: „Es dauert ungefähr 10-mal länger, eine einigermaßen robuste Automatisierungsroutine zu erstellen, als eine einzelne Iteration durchzuführen“, so Lambert. „Daher eignet sich nicht alles für die Automatisierung. Wenn es sich um eine Berechnung handelt, die ein Unternehmen nur ein paar Mal durchführen wird, lohnt es sich wahrscheinlich nicht. Handelt es sich hingegen um etwas, das wir 25-, 100- oder sogar 200-mal pro Jahr durchführen, macht es durchaus Sinn.“ Welche Kenntnisse und Fähigkeiten sind erforderlich, um eine Automatisierung wie beschrieben einzurichten? „Sie brauchen jemanden, der über ein angemessenes Maß an Programmierkenntnissen verfügt“, so Lambert. „Die Journaling-Funktion generiert sehr viele NX Open-Codes. Sie müssen wissen, wie Sie diese Codes öffnen, bearbeiten und erweitern, damit sie sich besser an die Anwendung anpassen, statt nur Tastenanschläge zu erfassen.“

Es gibt noch viele weitere Vorteile der Automatisierung iterativer Simulationsprozesse mit Simcenter 3D. Automatisierungen bewahren die Optik und Haptik von NX, sodass Anwender, die mit NX CAD vertraut sind, nur einen geringen Schulungsaufwand betreiben müssen. Zudem können die Prozesse, sobald sie von Berechnungsingenieuren automatisiert wurden, von Anwendern mit weniger Fachkenntnissen und Erfahrung ausgeführt werden, sodass sich die Berechnungsingenieure anderen Aufgaben zuwenden können. Die Automatisierung eines Prozesses bringt auch eine Standardisierung mit sich und eliminiert menschliche Fehler, wie sie zum Beispiel Analysten bei manuellen Berechnungen unterlaufen können.

Aufgrund der Bereicherung, die der Einsatz der Automatisierung für DAA darstellt, erstaunt es Lambert, dass nicht mehr Unternehmen die Vorteile der Programmierfunktionen der Software nutzen. „NX und Simcenter enthalten äußerst leistungsstarke Funktionen. Obwohl es einen großen Bedarf an einer derartigen Automatisierung von Kundenseite gibt, werden sie dennoch selten genutzt“, so Lambert. „In geeigneten Situationen kann es sehr lohnend sein, in die Automatisierung von Simulationsprozessen in der NX CAD-Umgebung zu investieren.“