Beleuchtungshersteller verwendet Simcenter STAR-CCM+, um die Schweinwerferkonstruktion zu verbessern und Nacharbeiten zu vermeiden

Der spezialisierte Hersteller von Bühnenbeleuchtung Marumo Electric Co., Ltd. (Marumo Electric) entwickelt, produziert und installiert Leuchten und Dimmsysteme als Hersteller von Beleuchtungsgeräten für Bühnen- und Fernsehstudios. Das Unternehmen hat einen großen Marktanteil in Japan und war für die Bühnenbeleuchtung führender Theater und Auditorien verantwortlich, darunter das Kabukiza-Theater und das neue Nationaltheater in Tokio, sowie Hotels, Schulen und andere Einrichtungen.

Marumo Electric wurde 1919 in Tokio gegründet und feierte 2019 sein 100-jähriges Bestehen. Das Unternehmen wurde ursprünglich gegründet, um Dinge wie Hochspannungsschalttafeln, Netzwiderstände und Suchscheinwerfer herzustellen, aber als das große Kanto-Erdbeben 1923 zuschlug und in der gesamten Region enorme Schäden anrichtete, diente dies als Wendepunkt für das Unternehmen, da es sich zu einem spezialisierten Hersteller von Bühnenbeleuchtung entwickelte. Das Kabukiza-Theater, das sich der Aufführung von Kabuki, einer der traditionellen Theaterkünste Japans, widmet, befand sich noch im Wiederaufbau, nachdem es 1921 durch einen durch einen Kurzschluss verursachten Brand zerstört worden war und durch das Erdbeben erneut beschädigt wurde.

Dimmvorrichtungen für die Bühnenbeleuchtung gab es zum Zeitpunkt des Umbaus des Kabukiza-Theaters noch nicht, vergleichbare Produkte wurden nur im Ausland von Siemens und General Electric (GE) hergestellt. Es gab jedoch eine starke Nachfrage nach in Japan hergestellten Artikeln, und der Gründer von Marumo Electric, Tomijiro Marumo, übernahm alles, von der Lichtkonstruktion bis zur Systementwicklung. Marumo Electric wurde zu einem Pionier in der Fertigung von in Japan hergestellter Bühnenbeleuchtung, und die Produktmodellnamen des Unternehmens wurden zum Synonym für häufig verwendete Branchenartikel.

Was versteht man unter Bühnenbeleuchtung?

Beleuchtung wird verwendet, um Bilder wie das durch Bäume, Wellen, Wolken und den Mond filternde Sonnenlicht auf die Bühne zu projizieren. Alternativ weckt die Beleuchtung auf einer Bühne mit begrenztem Raum ein Gefühl von dreidimensionalen Raumdarstellungen und wird auch zur Choreografie von Effekten wie der wechselnden Tageszeit genutzt. Es beeinflusst auch, wie das Publikum die Darsteller sieht. Bühnenbeleuchtungsgeräte werden grob in drei Typen unterteilt.

• Strahler: Hervorhebung bestimmter Bereiche
• Fluter: Gleichmäßige Ausleuchtung der gesamten Bühne
• Spezialeffektgeräte: Verwendung von Anlagen, um Bilder von Wind, Wellen und Flammen zu erzeugen

Etwa 1.000 dieser Arten von Leuchten sind in einem Theater über der Bühne aufgehängt. Auf der Bühne ist eine flache Beleuchtung mit Scheinwerfern auf verschiedenen Ständern in den Bühnenflügeln aufgebaut, die von einem Dimmer mit Strom versorgt werden. Alles wird an einem Ort mit einer Dimmerkonsole gesteuert.

Es gibt zwei Arten von Scheinwerfern: einlinsige und abbildende optische Systeme. Ein optisches System mit einer Linse besteht aus einer einzigen Lichtquelle und einer einzelnen Linse, während ein optisches System mit einer abbildenden Linse einen Strahl projiziert, der von einer Lichtquelle auf eine Linse vor der Linse abgegeben wird. Das Ziel dieses Projekts war die Konstruktion und Entwicklung eines einlinsigen optischen Systemscheinwerfers.

Warum Simulationen nötig waren

Unregelmäßigkeiten sind bei der Bühnenbeleuchtung inakzeptabel, daher können Lichtquellen wie Leuchtstoffröhren oder Entladungslampen nicht verwendet werden. Deshalb kam die Halogenlampe als Lichtquelle zum Einsatz. Im Vergleich zu gewöhnlichen Lampen wie Glühbirnen haben diese Halogenlampen eine Leistung zwischen 500 und 10.000 Watt und erzeugen eine große Menge an Wärme. Halogenlampen werden heute in 90 Prozent der Bühnen und Studios verwendet

Die Anzahl der Leuchten, die Leuchtdioden (LEDs) verwenden, hat jedoch auch mit den jüngsten Fortschritten, die als Chip-on-Board-LED (COB) bekannt sind, zugenommen, und die Zahl der Studios, die vollständig auf LED umgestiegen sind, ist größer geworden. Diese COB-LED, die in hohen Dichten montiert sind, haben zudem eine hohe Lichtausbeute und leiten Wärme gut ab. LED haben eine Lichtausbeute von 120 Lumen/Watt (Lm/W), das ist etwa das Sechsfache der Effizienz von Halogenlampen mit 20 Lm/W. Die Lichtintensität einer etwa 1.000-Watt-Halogenbirne kann mit etwa 160 Watt erreicht werden. Es gibt jedoch ein Problem mit hohem Wärmestrom, da COB-Leuchten mit LED in hoher Dichte montiert sind und LED in der Regel hitzeempfindlich sind. Die von LED erzeugte Wärme verringert ihre Leistung und verkürzt ihre Lebensdauer und führt manchmal zu Ausfällen.

Da die Bühnenbeleuchtung für die Beleuchtung von Theatern und Studios gedacht ist, darf das Licht nicht in unbeabsichtigte Richtungen austreten. Daher müssen die Konstruktionen Gehäuse mit Belüftungsöffnungen und Kühlkanälen vorsehen, die dies berücksichtigen.

Außerdem wird die Beleuchtung über der Bühne aufgehängt, sodass sie leicht sein muss. Früher wurden Lamellen größer als nötig konstruiert, um Spielraum für die Wärmeableitung zu schaffen. Durch die Verdoppelung des Gewichts halbiert sich jedoch die Anzahl der Lichter, die aufgehängt werden können, was bedeutet, dass möglicherweise nicht genug Licht vorhanden ist.

Das bedeutet, dass ausgeklügelte thermische Konstruktionen zur Kühlung und ein geringeres Gewicht erforderlich sind. Marumo Electric nahm die Herausforderung an, ein modellbasiertes Entwicklungsschema unter Verwendung einer gekoppelten Analyse von Flüssigkeit und Festkörper für Scheinwerfer mit LED zu entwickeln.

Warum Simulation verwenden?

Die jüngsten Innovationen im Bereich LED haben zur Entwicklung vieler verschiedener Arten von Leuchten geführt, um der Marktnachfrage gerecht zu werden. Um LED als Lichtquellen zu verwenden, sind drei Arten von Konstruktionen erforderlich: optische Konstruktionen, Konstruktionen zur Wärmeableitung und Konstruktionen für Dimmschaltungen, um eine attraktive Beleuchtung zu schaffen. Um dies gleichzeitig zu erreichen, war die Einführung von Simulationen unerlässlich.

Vor der Einführung der Software Simcenter STAR-CCM+™ von Siemens Digital Industries Software, die Teil des Simcenter™-Portfolios ist, wurde eine Software für die Konstruktion von Optik und ein Paket verwendet, das die Strukturanalyse nach der Finite-Elemente-Methode (FEM) für die thermische Konstruktion und die Analyse des elektrischen Feldes und der Wärmeübertragung kombiniert. Dank dieses Tools zur Analyse der Wärmeübertragung brauchten sie weniger Konstruktionen für die Anbringung von Lamellen, die größer waren als für die Wärmeableitung erforderlich. Mangels Funktion zur Flüssigkeitsanalyse gelang es jedoch nicht, die Wärmeübertragung zwischen Flüssigkeiten und Festkörpern zu analysieren.

Außerdem darf kein Licht aus einem Beleuchtungskörper austreten. Daher sind die Lüftungsöffnungen des Gehäuses wie ein Labyrinth konstruiert. Der Schlüssel liegt darin, ein Gleichgewicht zwischen Abschirmung und Kühlung zu finden. Fluidströme lassen sich nicht allein mit einer Wärmeübertragungsanalyse analysieren. Bei leichten Konstruktionen, die als unproblematisch galten, traten Probleme auf, bis die Innentemperatur schließlich deutlich anstieg. Dies gab den Anstoß, über die Einführung von High-End-Tools für die Flüssigkeitsanalyse nachzudenken.

Marumo Electric entschied sich für Simcenter STAR-CCM+, weil es über eine japanischsprachige grafische Benutzeroberfläche (GUI) verfügt, benutzerfreundlich ist und die Visualisierung der Analyseergebnisse erleichtert.

Simulationsmethoden und -ergebnisse

Marumo Electric erstellt die Geometrie für Analysemodelle mit der Parasolid-Software® für computergestützte Konstruktion (CAD). Die Modelle bestehen aus den Kühlkörperkomponenten (Abbildung 6, die die Heizfläche, die Lamellen und die Heatpipe zeigt) und den Lichtquellenkomponenten (Abbildung 7, die die Substrate, LED-Chips und den Leuchtstoff zeigt). Zahlreiche LED-Chips sind in Reihen auf dem Gerät angeordnet (siehe Abbildung 7), aber der LED-Chip wurde vereinfacht, um die Anzahl der Netze und Arbeitsstunden für die Erstellung von Netzen für die Analysemodelle zu reduzieren.

Darüber hinaus verwendete Marumo Electric das Design Manager-Add-on-Tool (früher bekannt als Optimate+), um die Konstruktion der Position zu untersuchen, an der die Heatpipe des Kühlkörpers angebracht werden sollte.

Marumo Electric schuf Kugeln um die festen Teile des atmosphärischen Bereichs. Abbildung 8 zeigt ein Netz für die Volumenteile, das den Kühlkörper und die Lichtquelle kombiniert. Das Unternehmen verwendet ein polyedrisches Netz für den Netztyp und erstellt ein Schichtnetz für die Wandflächen, um eine gute Genauigkeit in der Grenzschicht zu gewährleisten. Marumo Electric erstellte zudem Netze für die festen Teile, um die Wärmeübertragungen zwischen ihnen zu analysieren. Das Unternehmen verwendete hauptsächlich polyedrische Netze für die massiven Teile und ein dünnes Netz für die Herstellung von geschichteten Netzen, um die Anzahl der Netze für Lamellenkomponenten zu reduzieren.

Marumo Electric spezifizierte Luft als Flüssigkeit und verwendete eine ideale Gaszustandsgleichung für die Dichte. Das Unternehmen verwendete Aluminium für die festen Eigenschaften des Kühlkörpers und des Substrats, Galliumnitrid (GaN) für die LED-Chips und eine Yttrium-, Aluminium- und Granatlegierung namens „YAG“ für den Leuchtstoff. Die Randbedingung wurde als Druckauslassgrenze um das Fluid herum definiert, wobei für die Analyse vollständige 3D-Modelle verwendet wurden. Für das Turbulenzmodell wurde ein realisierbares K-ε-Modell verwendet, das eine Steady-State-Analyse verwendet.

Die ermittelten Ergebnisse sagten eine Feststofftemperatur von 98,8 Celsius (ºC) in der Mitte der LED-Komponente, 74,8 ºC an den Unterseiten der Kühlkörperlamellen und 86,5 ºC an den Rändern der Heizfläche voraus. Dadurch konnte Marumo Electric bestätigen, dass die Anforderungen an die Wärmeverteilung erfüllt wurden. Die Richtung der Schwerkraft ist in der Abbildung 9 nach unten gerichtet, sodass die Temperatur zum Boden der Lamellen hin niedriger wird. Abbildung 10 zeigt einen Querschnitt der Lamellen mit der Temperaturverteilung. Der Temperaturgradient an jeder Lamelle ist ebenfalls gering und das Ergebnis ist heterogen. Abbildung 11 zeigt das Strömungsfeld bei natürlicher Konvektion, und Marumo Electric konnte bestätigen, dass es keine Probleme mit der Lamellenneigung gab, da die Strömung zwischen den Lamellen ebenfalls glatt war.

Für dieses Projekt wurden auch Experimente zur Überprüfung der Genauigkeit durchgeführt. Abbildung 12 zeigt das Testgerät. Zu Beginn des Projekts gab es ein Problem, bei dem die Analysewerte für Temperaturen höher als die Messwerte waren. Marumo Electric konnte feststellen, dass der Wärmewiderstand zwischen den Festkörpern aufgrund der Auswirkungen von Fett auf die Geräte und der Unterschiede in der Leistung und Leuchtkraft der Komponenten unterschiedlich ist.

Durch den Einsatz von Kalibrierung ist Marumo Electric nun in der Lage, genauere Ergebnisse zu erzielen, die nahezu den Messwerten entsprechen.

Während der normalen einjährigen Entwicklungszeit für Leuchten, die einen Zyklus von Konstruktionen, Tests, Überarbeitungen und Prüfungen umfasst, hätte Marumo Electric zwei Geräte fertig getestet. Aus diesem Grund opferte Marumo Electric bei seinen Konstruktionen Gewicht und entwickelte große Lamellen. Der Einsatz von Simcenter STAR-CCM+ hat jedoch die Art und Weise, wie Produkte bei Marumo Electric entwickelt werden, erheblich verändert, was zu einer Reduzierung der Entwicklungszeiten und der Anzahl der hergestellten Testgeräte um 35 Prozent geführt hat. Ryosuke Wakabayashi, ein CFD-Ingenieur (Computational Fluid Dynamics) in der Marumo Equipment Development Division, sagt: „Die Implementierung von CFD bedeutet, dass die Nacharbeit entfällt. Vor der Einführung von Simcenter STAR-CCM+ haben wir die Produktion von realen Geräten erneut durchgeführt und getestet. Simcenter STAR-CCM+ hat eine effiziente Entwicklung ermöglicht.“

Darüber hinaus ist Marumo Electric in der Lage, die Kühlleistung genau vorherzusagen, was auch dazu beigetragen hat, das Gewicht der Wärmeableitungsgeräte der Leuchten um 50 Prozent zu reduzieren.

„Bisher haben wir in der Konstruktionsphase große Lamellen entworfen, um Spielraum für die Wärmeverteilung zu lassen“, sagt Hisashi Asakawa, Senior Manager der Entwicklungsabteilung. „Simcenter STAR-CCM+ hat Simulationen der Kühlleistung ermöglicht, wodurch optimale Konstruktionen möglich wurden, und das hat auch dazu beigetragen, dass die Leuchten leichter geworden sind.“

Neue Wege gehen

Marumo Electric ist nun in der Lage, komplexere Simulationen mit erzwungener Konvektionskühlung mit Lüftern durchzuführen, und der Einsatz von Simcenter STAR-CCM+ beeinflusst zunehmend den Produktentwicklungsprozess. „Durch die Installation von Simcenter STAR-CCM+ können wir Dinge tun, die wir bisher nicht tun konnten“, sagt Asakawa. „Dabei sind die Kosten der wichtigste Faktor.“

Siemens Digital Industries Software wird Marumo Electric weiterhin mit seinem Simcenter-Portfolio und Simcenter STAR-CCM+ beliefern, um vorausschauende Engineering-Analysen in der Produktentwicklung mit digitalen Zwillingen zu fördern und zur Weiterentwicklung der japanischen Bühnenbeleuchtungstechnik beizutragen.