Rechnergestützte Entwicklung räumlicher optomechatronischer Baugruppen

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1 Rechnergestützte Entwicklung räumlicher optomechatronischer Baugruppen M.Sc. Jochen Zeitler Prof. Dr.-Ing. Jörg Franke Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

2 Das Teilprojekt soll die rechnergestützte Entwicklung räumlicher optomechatronischer Baugruppen ermöglichen. Stand der Technik und Forschungsbedarf 2D OCAD Systeme Integration von Mechanik, Elektrik, Optik Design und Raytracing Entwicklung eines 3D-OCAD Systems Funktionalitäten und Bedienoberflächen Herausforderungen und Datenaustausch Zusätzliche Anforderungen Bauelementbibliotheken Integration domänenspezifischer Funktionalitäten CAD als Bindeglied zur Fertigung und Simulation Zusammenfassung Seite 2

3 Die Untersuchung von optischen Datenmodellen und Software-Funktionalität ist für das Design und die Simulation der räumlichen Baugruppen notwendig. Stand der Technik Integrierte Design- und Layoutfunktionen für räumliche elektronische Baugruppen Bekannte Herstellungs- und Designregeln für die Layout-Gestaltung von räumlicher Elektronik Verfügbare Design- und Simulationswerkzeuge für 2D-opto-elektronische Baugruppen Notwendige Forschung optisches Modell für 3D-CAD mit Parametern wie z.b. Signal- und Kopplungswirkungsgrade, Brechungsindizes Simulationsmodell für räumliche optomechatronische Baugruppen Wissen zur Korrelation zwischen Designregeln von 3D-opto-MID, Simulation und Fertiungsprozessen Zusammenführung von 3D-Design und optischer Simulation Design von 3D-MID Berechnung der Strahlausbreitung Seite 3

4 Derzeit bieten herkömmliche OCAD Systeme nur die Funktionalität planare optoelektronische Schaltungen zu entwerfen. Funktionalität konventioneller OCAD Systeme Optische Bauteilbibliothek Bereitstellung von optoelektronischen Bauteilbibliotheken manuelles Routing zwischen den Komponenten Erstellen von optoelektronischen Netzlisten Wellenformanalyse Modellieren des thermischen Verhaltens der Schaltungen Funktionssimulation der optischen Schaltung Schaltplanentwicklung Wellenformanalyse DC Bragg-mirror source laser Source: optiwave.com 4

5 Eine neuartige Systematik ist notwendig um die vielfältigen Funktionalitäten aus Konstruktion und Entwicklung zu vereinen. O-CAE 3D-MCAD Logische Entwicklung Komponentenbibliothek Funktionssimulation Gehäusekonstruktion Produktmodellierung FEM Simulation Materialdefinition NC Programmierung Teileplatzierung Geometrische Gestaltung Raumdefinition Nicht-sequentielles Raytracing Dämpfungsberechnung Monte-Carlo Streuungsanalyse O-CAD DRC / MRC Seite 5

6 Eine neuartige Systematik ist notwendig um die vielfältigen Funktionalitäten aus Konstruktion und Entwicklung zu vereinen. O-CAE 3D-MCAD Logische Entwicklung Komponentenbibliothek Funktionssimulation Gehäusekonstruktion Produktmodellierung FEM Simulation Materialdefinition NC Programmierung Opto-mechatronisches CAD Integriertes opto-mid- System Opto-MID spezifische Parameterdefinition 3D Platzierung und Routing 3D opto-mid-spezifische Design-Rule Checks Schnittstelle für CAE/CAM Werkzeuge Ableitung von Fertiungsrelevanten Informationen Teileplatzierung Geometrische Gestaltung Raumdefinition Nicht-sequentielles Raytracing Dämpfungsberechnung Monte-Carlo Streuungsanalyse O-CAD DRC / MRC Seite 6

7 Das Teilprojekt gliedert sich in Konstruktion und Validierung mittels Raytracing Simulation. Spezifikation Layout Schaltplan Platzierung Verbinden Design-Regel Prüfung Logisches Design Physikalisches Design Teilprojekt - Design Physikalische Analyse Export optisches Modell Optische Simulation Re-Import des Simulationsmodells in 3D-CAD Teilprojekt - Simulation Darstellung der Ergebnisse Ausleitung von CAM-Daten Seite 7

8 Die Raytracing Simulation erlaubt die Berechnung nicht-sequenzieller Strahlausbreitung. RAYTRACE Definition von Oberflächen: Ebene, Sphären, Zylinder, Polynome, benutzerdefinierte Schnittstellen Auswahl Materialien / Zuweisung Brechungsindizes Verfolgen diffraktiver optischer Elemente und Anordnungen sequentielles oder nicht-sequentielles Raytracing Berechnung und Visualisierung von Punktdiagrammen, Wellenaberrationen,Modulationsübertragungsfunktionen, Point-Spread-Funktionen Sequentielles Raytracing Nicht-sequentielles Raytracing Oberfläche Profilflächen lateral surface Material Optische Achse Parameter Strahlausbreitung Querschnitt Rauhigkeitsfaktor Aktuelle Position Strahlverteilung 8

9 Über das Design der optomechatronischen Baugruppe werden alle Teilbereiche der Produktionskette abgebildet. Cladding Wellenleiter Räumlicher Schaltungsträger Wellenleiter Konditionierte Folien Optischer Transisto r Koppler Flexible Verbindung Hoch integriertes optisches Netzwerk optische und mechanische Bauteile Gedrucktes optisches Netzwerk 9

10 Durch spezielle Benutzeroberflächen können optische Notwendigkeiten abgedeckt werden. Allgemeine Funktionalitäten Schnittstelle zu Raytrace Import Netzlisten Keep-Out Flächen Datenbank Angepasster Browser Informationen über Komponenten 10

11 Durch Anpassungen in bestehenden CAD Systemen können bewährte Funktionalitäten genutzt und neue Anwendungslösungen geschaffen werden. 11

12 Durch Parametrisierung der Wellenleiter wird das Raytracing vorbereitet. Seite 12

13 Zur Kommunikation zwischen optischer Simulation und mechatronischer Konstruktion müssen Schnittstellen geschaffen werden. Räumliches und optisches Design XML Schnittstellenebene Lichtquelle Cladding Segment Geometrie (z.b. Länge) Profil Geometrie Schaltungsträger Foliensubstrat Layout der optischen Schaltung Schaltung Wellenleiter Optische Komponenten Objektorientiertes C++ Modell optische Parameter Lichtquelle Einfallwinkel Medium Mechanische Parameter Segmentgeometrien Profilgeometri en 13

14 die beispielsweise auf der Beschreibungssprache XML basieren um notwendige Daten aus dem CAD in die optische Simulation zu überführen. XML Schnittstellenebene RAYTRACE Simulation Objektorientiertes C++ Modell 14

15 Abzubildende Teilbereiche, welche für die Entwicklung eines optomechatronischen CAD Programms wichtig sind. Sendedioden Empfangsdioden Transceiver Stecker Filter Schalter Abschwächer Phasenwandler optische / elektrische Komponenten Physikalische Aspekte Optische Einflüsse Fertigung und Produktion Physikalische Grundlagen Grundlagen der Signalausbreitung im Lichtwellenleiter Grundlagen der optischen Datenübertragung Verschiedene Herstellverfahren Strukturerzeugung auf einer Leiterplatte Industrielle Herstellung Vorhandene CAD Programme Faserleiter Integriert optische Wellenleiter Kopplung Verzweigungen Zulässiger Kurvenradius Verbindung/ Routing Analyse und Simulation Dämpfungsauslegung Leistungsbilanzrechnung Simulation der Übertragungsstrecke Simulation der Lichtausbreitung 15

16 Durch das Teilprojekt Design werden wesentliche Anforderungen für die anderen Teilprojekte abgedeckt. TP 1: Druckschablonen TP 2: NC Datengenierung TP 4: Simulation TP 3: Optische Parameter Seite 16

17 Die Entwicklung einer ganzheitlichen Engineering- Kette ermöglicht die Erstellung von 3D-gedruckten optischen Wellenleitern. Entwicklung von CAM Schnittstellen Integration von Hilfsfunktionen für die Prozessplanung Rückkopplung der Simulationsergebnisse Aktueller Stand Entwicklung einer CAE Schnittstelle Integration optischer Parameter 3D Konstruktion 17

18 Vielen Dank! Seite 18