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SimulationAuf kleinstem Raum

Ultrakurzpuls-Lasersysteme – Laserstrahlquellen, die gepulstes Laserlicht mit Pulsdauern im Bereich von Piko- und Femtosekunden aussenden – sind die Spezialität von High Q Laser. Als OEM-Zulieferer muss das Unternehmen Kundenwünsche schnell umsetzen. Gefordert werden kompaktere Lasersysteme, auch hinsichtlich Ansteuerelektronik und Wasserkühlung. Um trotz dieser Miniaturisierung sowohl die thermische als auch mechanische Stabilität sicherzustellen, setzt man CAD- und Simulationssoftware von SolidWorks ein.
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Simulation: Auf kleinstem Raum

Carola von Wendland, München


Als 3D-Konstruktionslösung nutzt High Q Laser SolidWorks bereits seit vielen Jahren. Die Ingenieure und Konstrukteure konnten damit deutliche Verkürzungen der Entwicklungszeiten, eine Reduzierung der Prototypenzahl und der Entwicklungsiterationen erreichen. Lukas Spohn, Konstrukteur bei High Q Laser, erinnert sich: „Ich hatte bereits während meines Studiums mit der Software gearbeitet und gute Erfahrungen gemacht. Auch bei High Q Laser hat sich das CAD-System bewährt. Es bietet auch integrierte PDM-Funktionalitäten, mit denen wir unsere Daten zuverlässig verwalten können.“ Das österreichische Unternehmen nutzt die Software auch, um aus den Modellen 3D-Renderings in hoher Qualität für Produktdatenblätter zu erstellen. „Da wir als Zulieferer arbeiten, ist es für uns darüber hinaus wichtig, verschiedene 3D-Formate aus unseren Daten generieren zu können.“ Ebenso wichtig sei die Möglichkeit, 2D-Zeichnungen aus Modellen abzuleiten oder die Montagefreundlichkeit im 3D-Design zu verifizieren.

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Als Ansprechpartner für Fragen rund um Konstruktion und Produktentwicklung steht High Q Laser planetsoftware zur Seite, ein SolidWorks-Partner in Österreich. Aufgrund dessen Beratung zum Thema konstruktionsbegleitende Analyse hat der Laserspezialist zusätzlich zur CAD-Software SolidWorks Simulation und Flow Simulation angeschafft, um die Produktentwicklung zu optimieren. Roland Huber, Leiter Konstruktion bei High Q Laser, ergänzt: „Die nahtlose Einbindung der Simulationssoftware in das bestehende 3D-System ist ein eindeutiger Vorteil. Wichtig für unsere Arbeit ist zum Beispiel, dass sich Laserstrahlengänge aus den Simulationen entnehmen lassen. Früher haben wir viele Tests mit externen Analyseanbietern durchgeführt, das können wir jetzt selbst erledigen. Zudem ist die Simulationslösung so intuitiv zu bedienen, dass die Aufgaben mit FEM-Wissen leicht zu meistern sind.“ Für die Flow-Simulation-Software will man noch eine hausinterne Schulung mit dem Vertriebspartner planetsoftware durchführen.

CAD und Simulation sind nahtlos integriert

Die Entwicklung bei High Q Laser nutzt die Simulationssoftware überwiegend für Festigkeitsprüfungen, um Materialeinsparungen und die Miniaturisierung zu realisieren und gleichzeitig die Stabilität der Lasersysteme zu gewährleisten. So werden etwa auf den Gehäusen Optikhalter montiert, die nicht verkippen sollen. Es darf zu keinerlei Winkeländerungen zwischen der Ebene, auf der die Halterung montiert ist, und der Oberfläche der Optik kommen. Das heißt, empfindliche Teile müssen dort platziert werden, wo keine Verschiebungen im Material stattfinden. Hierzu berechnen die Entwickler mit SolidWorks Simulation die thermische Wirkung des Lasers, die unmittelbar auch mit der Mechanik verknüpft ist. Dabei wird die vorab berechnete Temperaturverteilung in die Festigkeitsberechnung eingebunden.

Anschaulicher wird das anhand eines Oszillators, der fs-Pulse erzeugt. Ein Kunde hatte den Verdacht, dass die Wärmeausdehnung, verursacht durch den Laser, zu Stabilitätsproblemen des Moduls führte. Roland Huber beschrieb und löste die Probleme mithilfe von Flow Simulation und anschließender statischer Analyse. Das wassergekühlte Modul besteht zum Großteil aus Aluminium und hat eine Größe von 202 x 150 Millimeter. Huber simulierte mit Flow Simulation die Strömung und untersuchte per transienter Analyse die Durchwärmung des Gehäuses, um die Verformung über der Zeit zu ermitteln. Sobald der statische Zustand der Erwärmung erreicht war, führte er in 60-Sekunden-Schritten statische Analysen durch. Die Ergebnisse der Simulation zeigten, dass das Modul stabil war und keinerlei Verformungen auftraten.

Interessant sind die Simulationsmöglichkeiten für viele Kunden von High Q Laser auch als Unterstützung, um gesetzliche Richtlinien einzuhalten. Präsentiert werden die Simulationsresultate anhand des von SolidWorks Simulation und Flow Simulation ausgegebenen und an die Kundenwünsche anpassbaren Standardreports im PowerPoint-Format. Zudem werden Bilder und Videos der transienten Analyse geliefert. „Durch die enge Integration zwischen CAD und Analyse können wir die zu untersuchenden Teile direkt aus dem Tresor des PDM-Systems in die Simulationssoftware laden. Eine zusätzliche Schnittstelle ist nicht nötig“, so Lukas Spohn. „Über die API können wir zudem aus Matlab-Simulationen Skizzen als Laserstrahlengang erzeugen, damit die Physiker ihre Laserlayouts hinsichtlich der Analyseergebnisse aktualisieren können.“

Laut Lukas Spohn werden seit dem Einsatz von SolidWorks Simulation und Flow Simulation mehr alternative Varianten eines Systems durchgerechnet, um das optimale Design zu erhalten. Damit wird High Q Laser den Anforderungen des Marktes nach kompakteren und gleichzeitig stabilen Systemen gerecht – und kann so seine wettbewerbsfähige Position ausbauen.

High Q Laser, A-Rankweil Tel. 0043/5522-82646, www.highqlaser.at
SolidWorks Deutschland GmbH, Haar Tel. 089/6129560, http://www.solidworks.de

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