Modellbildung und Simulation

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1 Modellbildung und Simulation Besuch Hochschule München Thomas Schreier-Alt Fraunhofer IZM Mikromechatronische Systeme IZM Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration

2 Miniaturisierung und Systemintegration Typische Fragestellungen am FhG: Produkt- und Prozessentwicklung (Innovation) Steigerung der Zuverlässigkeit Verringerung des Bauraums, Erhöhung der Komplexität (= Mikrointegration) Verringerung des Energiebedarfs (z.b. Engergy Harvesting) Senkung der Gesamtkosten Robert Bosch GmbH

3 Was erwartet mich bei Fraunhofer? Meine aktuellen Projekte: Glasfasersensoren in CFK-Strukturen (Luftfahrt: Clean Sky GRA ) Zuverlässigkeit e-id (neuer Personalausweis) Mobilfunk der 4. Generation (MEMS switches statt SAW) LED-Hochleistungsmodule (CFX Strömungssimulation) Dienstleistungen (v.a. FEM) Robert Bosch GmbH

4 Typisches Beispiel für Mikrointegration: das egrain Kühlkörper Wärme physikalische chemische biologische Parameter Sensor Interface Sensoren Actuatoren Energie Management Energie Signale ICs Passive Kommunikation (drahtlos) IO-Power Interface (drahtlose) Datenübertragung Antenne Beispiel egrain: Autarker, netzwerkfähiger Sensorknoten

5 Mechatronischer Entwicklungsablauf Anwender Kundenanforderungen Spezifikation Systemische Anforderungen Produktzuverlässigkeit Prozesstechnische Anforderungen Rapid Engineering Komponente System Submodelle Maschinenbau Elektrotechnik Informationstechnik Physics-of-Failure Physikalische Anforderungen

6 Modellbildung und Simulation 1. Modellbildung: Entwicklung Hirndruck-Ventil Besuch Hochschule München Simulation: Vom Getriebe zur Lotzuverlässigkeit 3. Messtechnik: Stressmessung mit CMOS Sensoren

7 Systemmodellierung am Beispiel Hirnshunt Was ist die Ursache für Hydrocephalus? Einfach gesagt: Eine Abflussbehinderung von Liquor cerebrospinalis die zu einem Flüssigkeitsstau führt. Daraus resultiert u. a.: - Übelkeit, Erbrechen - Kopfschmerzen - Verhaltensstörungen - Phänotypisches Erscheinungsbild des Wasserkopfes. Pharao Echnaton Regierungszeit: v.chr. Darstellung um 1850 Inzidenz an Neugeborenen mit Hydrocephalus: 2 / 1000 Geburten.

8 Systemmodellierung am Beispiel Hirnshunt Projektablauf (Okt 2005): - Modellierung der intrakraniellen Liquordynamik - Pflichtenheft: Ableitung fluidmechanischer Anforderungen an das Shuntventil - Design: Umsetzung der Anforderungen Pharao Echnaton Regierungszeit: v.chr. in Ventil-Funktionsprinzipien bis zur Geometrieerstellung - Lastenheft: Beurteilung der Funktionssicherheit (rechnerisch) - Prototypen Generativ auf Basis der Rechenmodellen - Test des Prototypen Darstellung um 1850

9 Mechatronischer Entwicklungsablauf: Drahtlos gesteuertes Ventil p Kennlinie R 1 R Ventil p 1 p 2 pin I1 I 2 R 2 p out Funktionsmodell F/A T K C 1 F Kugel /AErsatz Kennlinie dv Schlauch /dt P ic [mm Hg] Wirkung Geometrisches Funktionsmodell Zeit [s] Piezoweichheiten U m/2 m/2 p p m 1 m 2 Lagerweichheit Bauteilweichheit Lagerweichheit

10 Mechatronischer Entwicklungsablauf: Drahtlos gesteuertes Ventil Geometrisches Funktionsmodell Piezoweichheiten U m/2 m/2 p p Geometrisches Modell (CAD ) Lagerweichheit m 1 m 2 Bauteilweichheit Lagerweichheit Geometriebasierte Simulation Rapid Prototyping

11 Mechatronischer Entwicklungsablauf: Drahtlos gesteuertes Ventil Geometrie Kugelkraft [N] 5 Kennlinien Kugelposition [m] x 10 4 Tests Materialdaten 13.5 Störgröße 10.2 Wirkfunktion intrakranieller Druck [mm Hg] P ic [mm Hg] Zeit [s] Lumped Parameter Modell Zeit [s]

12 Mechatronischer Entwicklungsablauf: Drahtlos gesteuertes Ventil Produktion (Okt 2010) Material Geometrie 13.5 Vorderes Gehäuse Hinteres Gehäuse DruckscheibeFeder Störgröße? 10.2 Wirkfunktion intrakranieller Druck [mm Hg] P ic [mm Hg] Zeit [s] Zeit [s]

13 Modellbildung und Simulation 1. Modellbildung: Entwicklung eines Hirnshunts Besuch Hochschule München Simulation: Vom Getriebe zur Lotzuverlässigkeit 3. Messtechnik: Stressmessung mit CMOS Sensoren

14 Getriebesteuerung (Elektromobilität noch unter Geheimhaltung) Situation: 1. Umgebungstemperaturen: Verstärkte Nutzung von Elektronik im harsh environment Kühlung durch Umgebungsluft zunehmend schwierig Lärmvermeidung Kompakte Bauweise Reduzierte Wirkungsgrade 2. Verlustleistung / Volumen: Bauteilminiaturisierung MCM, COB Verringerte Wärmespreizung Kombination von Leistungs- & Steuerungselektronik Ref: DaimlerChrysler Project PROnova - hotel

15 Mechatronische Optimierung Getriebesteuerung Thermisches Management unter mechatronischen Gesichtspunkten: Gearbox Antriebsregelung Montage direkt am Getriebe Sensoren Messung des Ölzustands Aktuatoren Automatikgetriebe, Ventilstellung Ref: ZF (AS-Tronic mid) Leistungs- & Steuerungselektronik werden räumlich integriert. Minimierte thermische Kopplung Optimiertes thermisches Management Zuverlässigkeit, Lebensdauer?

16 Von der Makro- Mechatronik zur Mikro-AVT

17 Mechatronischer Entwicklungsablauf: Vom Design zum Produkt Material Produktion Geometrie System- Zuverlässigkeit Lastspektrum Lebensdauerprognose Umwelt

18 Modellbildung und Simulation 1. Modellbildung: Entwicklung eines Hirnshunts Besuch Hochschule München Simulation: Vom Getriebe zur Lotzuverlässigkeit 3. Messtechnik: Stressmessung mit CMOS Sensoren

19 Die Bedeutung der Produktion für die Zuverlässigkeit Faser Bragg Gitter Produktion Prozessparameter Werkzeugwahl Rohmaterialien CMOS Stress-Messchip Modifizierte Farbfolien Charakterisierung Packaging-Prozess Zuverlässigkeit CFD Simulation

20 Stresschip: Fahrtenschreiber für die Produktion Ersetze das zu qualifizierende Bauteil durch den Stresssensor-Chip (4 unterschiedliche Kantenlängen, / Chipdicken / Aufbauvarianten) Monitoring aller in der Produktion auftretenden Belastungen Übertragung auf den dreidimensionalen Spannungszustand mit Hilfe der numerischen Simulation Prozessoptimierung

21 CMOS Stressmess-Chip: Stresssensierung Veränderlicher Widerstand von CMOS-Stromspiegel R i, j R0 1 i, j, k, l k k, l 2.83 mm, l 1.71 mm R / R f n,,,,,, xx yy zz xy ij Chip x-achse parallel zu [-110]

22 Übersicht: Einsatzbereiche in AVT-Prozessen AVT Prozesse Drahtbonden Diebonden (Materialauswahl, Schichtdicke des Kleberstoffs) Sinterprozesse Flip-Chip Montage, Underfilling etc. Verkapselung: Transfer Molding (Material und Prozessparameter), Spritzguss (Sekundärverkapselung), Glop Top Ausheilung von Spannungen im Postcuring (Verwölbung minimieren) Transfer Molding (Bosch, IZM)

23 Einsatz von Stress-Messchips Stress durch Materialschrumpf nach dem Transfer-Molding Experiment Simulation xx - yy MPa MPa xy MPa MPa BMBF Projekt iforcesens

24 Feuchtemigration: Resultierende Spannung Stress durch Feuchteaufnahme: 85% r.f. / 85 C Schwellungssimulation aufgrund von Feuchteaufnahme bei 85 % r.f. / 85 C im gesättigten Zustand (Messung nach 17 h) Messung nach 17h Simulation im gesättigten Zustand BMBF Projekt iforcesens

25 Fraunhofer IZM Mikro-Mechatronikzentrum Entwicklungskette Systemdesign System- Simulation Rapid Prototyping Prozess- Simulation Zuverlässigkeit concurrent engineering Dymola Nextra Matlab-Simulink Multiphysik : Strömung (CFD) Mechanik Temperatur Elektromagnetik Generative Verfahren Vakuumguss Transfer Molding Spritzguss Hotmelt CT Röntgen Ultraschallmikroskopie Stresschip