Werkzeugbau beschleunigt - Durchgängige CAD/CAM/PDM-Prozesskette

Energiesparen ist ‘in‘. Deshalb ist die LED-Technologie nicht nur in Shops und Büros auf dem Vormarsch, sondern auch bei der Fassaden- und Straßenbeleuchtung. Die Vossloh-Schwabe Optoelectronic GmbH & Co. KG in Kamp-Lintfort entwickelt für solche Anwendungen die erforderlichen LED-Module. MechatronikEntwicklung pur, bei der SolidWorks Premium jetzt für mehr Optimierungspotenzial sorgt.

Die spärliche Beleuchtung mancher Straßen mag zwar die kommunalen Kassen schonen, aber nicht unbedingt die Nerven nächtlicher SpaziergängerInnen. Dabei ginge es auch anders – intelligenter: Bei Annäherung eines Passanten wird das Schummerlicht zum Spotlight, das ihm heimleuchtet und wieder in den Sparmodus fällt, sobald er aus dem Lichtkegel tritt. Dank LED-Technologie ist das keine Zukunftsmusik, sondern technisch machbare Realität, die sich auch ökonomisch auszahlt: Straßenleuchten mit Leuchtdioden sparen nicht nur dadurch Energie, dass sie das Licht gezielter lenken und denselben Effekt mit weniger Lux erreichen, sondern reduzieren auch die Wartungskosten für die Gemeinden, weil sie länger halten als herkömmliche Leuchtmittel.

Bei LED-Modulen für den Hochleistungsbereich hängt die Lebensdauer ganz entscheidend von einem ausgefeilten Wärmemanagement ab. Das heißt, entscheidend ist die Ableitung der Wärme der Elektronik-Bauteile und Leuchtdioden über die Leiterplatte, die deshalb aus Aluminium oder Keramik besteht und darüber hinaus über entsprechende Kühlkörper verfügen muss. Das alles muss auf engstem Bauraum untergebracht werden: Zwischen Elektronik Bauteilen und Gehäuse sind oft nur wenige Hundertstel Millimeter Platz, so dass die Komponenten unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Wärmeausdehnung von Metall und Kunststoff präzise aufeinander abgestimmt sein müssen. Deshalb werden sowohl die elektronischen als auch die mechanischen Komponenten bei Vossloh-Schwabe in 3D modelliert. Vossloh-Schwabe entwickelt und fertigt ein umfassendes Standardprogramm von Komponenten, Modulen und Zubehör für die LEDLichttechnik, aber auch kundenspezifische Lösungen, beispielsweise für die Qualitätssicherung in der Glasherstellung. Die Firma, die als kleiner Familienbetrieb entstand, gehört seit 2002 zur japanischen Panasonic-Gruppe.

Innerhalb des Panasonic-Konzerns fungiert die Vossloh-Schwabe-Gruppe, die weltweit rund 1.000 Mitarbeiter beschäftigt, heute als Kompetenzzentrum für die Hi-Tech LED-Technologie. Neben dem LED-Kompetenzcenter in Kamp-Lintfort bestehen zwei weitere Standorte: Lüdenscheid mit einer Fertigung von Fassungen und Kunststoffteilen, und dem Hauptsitz der Vossloh-Schwabe Deutschland GmbH in Urbach mit der Elektronikfertigung – unter anderem für die LED-Module und der Fertigung magnetischer Vorschaltgeräte.

Zeiteinsparungen im Entwicklungsprozess 
Die Produktentwickler in Kamp-Lintfort arbeiten seit 2005 mit der 3D-CAD-Software SolidWorks, die auch bei der japanischen Mutter und anderen Schwestergesellschaften der Firmengruppe im Einsatz ist. Das vereinfacht den Datenaustausch und reduziert den Aufwand für die Zeichnungserstellung. So können die Konstrukteure 3D-Modelle von Kunststoffteilen direkt zu den Kollegen in Italien schicken, die mit SolidWorks die Spritzgieß-Werkzeuge konstruieren und die Teile spritzen.

„Wir brauchen für den Werkzeugbau keinen umfangreichen Satz von Fertigungszeichnungen mehr zu erzeugen, was enorm Zeit spart“, sagt Herfried Zimmer, der sich in der Entwicklung neben dem Layouten, der technischen Dokumentation und der 3D-Konstruktion auch um Auswahl und Support der Software-Werkzeuge kümmert.

Der Einsatz von SolidWorks hat den Entwicklungsprozess bei Vossloh-Schwabe verkürzt, wobei die meiste Zeit interessanterweise in den vor- und nachgelagerten Prozessschritten gespart wird. Beispielsweise bei der Herstellung der Handmuster: „Wir haben am Standort Lüdenscheid einen 3D-Drucker, auf dem wir von den SolidWorks-Modellen Musterteile mit einer Genauigkeit von wenigen Hundertstel Millimetern ausdrucken, so dass wir den zeitaufwendigen Modellbau umgehen“, erläutert Zimmer. Zeit spart die Firma auch beim Übergang vom Musterbau zur Vorserie, weil die 3DVisualisierung der Produktmodelle die Abstimmung zwischen Entwicklung und Geschäftsleitung oder direkt mit dem Kunden beschleunigt. Vossloh-Schwabe nutzt für die externe Kommunikation die Viewing-Software eDrawing, die es unter anderem erlaubt, für den Knowhow-Schutz relevante Details auszublenden. Die SolidWorks-Modelle werden außerdem für die Simulation von Lichtstärke und Abstrahlcharakteristik beziehungsweise für die Berechnung der Wärmeentwicklung weiter verwendet, was den Aufwand für die Datenaufbereitung reduziert.

Die 3D-Daten lassen sich problemlos in die Berechnungsprogramme importieren, um dort Bauteiltemperaturen, Hotspots und andere Randbedingungen zu definieren. Voraussetzung dafür ist natürlich ein 3D-Modell der Leiterplatte, wie Zimmer betont: „Wir benötigen aufgrund des geringen Abstands zur Gehäuseabdeckung immer die genaue Bauteilhöhe, um die Wärmeabstrahlung korrekt berechnen zu können.“ ein 3D-Modell hoch zu ziehen. Zimmer hat eine umfangreiche 3D-Bibliothek mit häufig verwendeten SMD-Komponenten (Widerständen, Transistoren etc.) und eigenen Optiken angelegt, um die Modellierung der Leiterplatten zu beschleunigen. Änderungen an Bauteilen oder Bauteilpositionen (zum Beispiel als Ergebnis von thermischen Berechnungen) müssen allerdings manuell in den jeweiligen Systemen nachgezogen werden, was zeitaufwendig und fehleranfällig ist. Hinsichtlich der Integration von Elektronik- und Mechanik-Entwicklung sieht Zimmer einiges an Rationalisierungspotenzial, das mit SolidWorks Premium erschlossen werden soll.

 

 

Umstieg auf SolidWorks Premium
Die Anforderungen auf dem Gebiet der Produktentwicklung sind im Zuge der internationalen Ausrichtung der Firma anspruchsvoller geworden, wie Zimmer erläutert: „Die Firma ist in den letzten Jahren schnell gewachsen. Früher haben wir individuelle Produkte entwickelt, deren Anforderungen direkt mit den Kunden abgestimmt wurden. Heute liefern wir mehr Standardprodukte für den freien Markt, bei denen wir gemäß den internationalen Normen von vorneherein die Gewährleistung durch entsprechende Lebensdauer- und Qualitätstests nachweisen müssen.“

Der 3D-Einsatz ist unter diesen Umständen eine notwendige, aber nicht hinreichende Voraussetzung, um die LED-Module schneller zur Marktreife zu entwickeln. Sie müssen auch frühzeitig abgesichert werden, was zusätzliche Werkzeuge erfordert. Aus diesem Grund hat die Firma ihre CAD-Installation vor kurzem auf SolidWorks Premium umgestellt. Dank der Aktualisierung haben die Anwender jetzt Zugang zu den in der Premium-Version enthaltenen Zusatzmodulen für Toleranzstapelanalysen (TolAnalyst) und die 3D-Konstruktion von Kabelverbindungen (SolidWorks Routing) sowie der Schnittstelle CircuitWorks. Sie erlaubt es, Bauteildaten aus ECAD- oder PCB-Programmen (Printed Circuit Board) in SolidWorks zu importieren und für die 3D-Modellierung der Leiterplatten zu nutzen

„Wir versprechen uns vor allem von TolAnalyst erhebliche Zeiteinsparungen, weil wir direkt bei der Konstruktion der Bauteile ihre Passgenauigkeit untersuchen können und hinterher weniger ändern müssen“, sagt Zimmer, der die Software schon mal ausprobiert hat. TolAnalyst analysiert ausgehend vom Bemaßungsschema der Einzelteile und der Reihenfolge, in der sie zusammengebaut werden, die Auswirkungen der Fertigungstoleranzen auf Zusammenbau und Funktionsfähigkeit der Baugruppe, insbesondere wenn bestimmte Teile am Rande des Toleranzbereichs liegen. Dadurch ist es möglich, Teile mit kritischen Toleranzen zu identifizieren, die gegebenenfalls enger ausgelegt werden müssen, damit am Ende alles zusammenpasst. SolidWorks Routing ist für Vossloh-Schwabe deshalb eine wichtige Erweiterung, weil die Firma ihre LED-Module oft in fertige Leuchtengehäuse von Kunden einbaut und dabei auch die Führung der elektrischen Kabel berücksichtigen muss, damit sie beispielsweise nicht zu nahe an Komponenten mit hoher Wärmeabstrahlung vorbeigeführt werden. „Die Kabel über Hilfskurven in SolidWorks zu verlegen, kann Stunden dauern“, erläutert Zimmer. „Mit dem Routing-Modul brauche ich nur noch die Steckverbindungen und Kabelhalter aus der Bibliothek einzufügen und das System definiert mir automatisch die Kabelführung – eine Sache von wenigen Minuten.“

Draftsight als kostenlose Ergänzung
SolidWorks Premium ist in Kamp-Lintfort als Netzwerk-Lösung mit vier gleichzeitig nutzbaren Lizenzen implementiert, die nicht nur den Produktentwicklern, sondern auch ihren Kollegen in der Betriebsmittelkonstruktion zur Verfügung stehen. Bei den Rechnern handelt es sich um leistungsfähige PC-Workstations mit Intel Xeon E5620 Prozessoren, zwölf Gigabyte RAM Hauptspeicher und Grafikkarten vom Typ Nvidia Quadro 3000. Ergänzt wird die 3D-Installation durch die 2D-CAD-Software Draftsight von Dassault Systèmes, mit der man DWG-Dateien erzeugen, modifizieren und visualisieren kann. Sie hat praktisch die bestehende 2D-Anwendung abgelöst, wie Zimmer erläutert. „Wir haben gerade in der Werkstatt noch viele Anwender, die mit AutoCAD arbeiten, für sie ist Draftsight die ideale Alternative. Ein charmanter Vorteil sind hier auch die zusätzlich eingesparten Lizenzgebühren.“

Die kostenlose 2D-Software wird nicht nur in der Werkstatt, sondern auch in der Entwicklung genutzt, um kleinere Änderungen an bestehenden AutoCAD-Konstruktionen vorzunehmen, oder um 2D-Ansichten schnell zu fertigungsgerechten Zeichnungen weiter zu verarbeiten. „Der besondere Charme der Lösung ist, dass wir sie auch allen Elektronikentwicklern auf den Rechner spielen können, damit sie die Zeichnungssätze für die Leiterplattenfertigung und die technische Dokumentation künftig selbst erstellen können. „Das nimmt mir viel Arbeit ab“, sagt Zimmer. Die Konturen der Leiterplatten müssen zum Beispiel vervielfältigt und zu einem Panel zusammengeführt werden, um sie fertigen zu können, was sich mit Draftsight sehr einfach machen lässt. Implementiert wurde die neue SolidWorks Umgebung von der SolidLine AG, die sich auch um die (Um-)Schulung der Anwender kümmert.

De facto war das modulare Schulungskonzept des SolidWorks-Vertriebspartners, das sowohl den Anforderungen neuer Mitarbeiter als auch denen älterer Arbeitnehmer Rechnung trägt, neben der räumlichen Nähe der Niederlassung ein wesentlicher Grund für die Partnerwahl. Als Wartungskunde steht Vossloh Schwabe das webbasierte Service- und Supportportal MyCADServices offen, das den Anwendern nicht nur die Möglichkeit bietet, Supportanfragen zu stellen, sondern ihnen auch den Zugang zu Diskussionsforen und der kollektiven Wissensbasis der SolidLine-Community gewährt. Was Zimmer im Portal allerdings vermisst, ist die Möglichkeit einer direkten Kontaktaufnahme, beispielsweise über Chat-Funktionen, um dringende Fragen sofort klären zu können.

„Die Anwender haben mit den neuen Werkzeugen bereits erste Erfahrungen gesammelt und das Feedback sei sehr positiv.“, sagt Zimmer. Die Herausforderung besteht jetzt darin, die Werkzeuge im Entwicklungsprozess effektiv zu verankern. In einem nächsten Schritt sollen Elektronik- und Mechanik-Entwicklung mit Hilfe von CircuitWorks enger verzahnt

werden, wie Zimmer sagt. Voraussetzung sei

allerdings der Umstieg auf ein leistungsfähigeres

PCB-Programm, das die Ausgabe von

IDF-Daten (Intermediate Data Format) unterstützt.

IDF dient dazu, die Maße und Bohrungen

einer Leiterplatte sowie die Position und

Abmessungen der Bauteile zwischen Elektronik-

und Mechanik-CAD-Systemen hin- und

her zu spielen. Pläne für den Aufbau eines Produktdaten-Managements

gibt es auch, aber

das ist der Stoff für die nächste Erfolgsstory

vom Niederrhein. 

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