Simulation

Simulationen verbessern das Design und die Konstruktion von Scheinwerfern

| Autor / Redakteur: Julie Dörr / Monika Zwettler

Mit zunehmender PS-Zahl und Geschwindigkeit von Fahrzeugen hat sich die Bedeutung von Scheinwerfern drastisch verändert.
Mit zunehmender PS-Zahl und Geschwindigkeit von Fahrzeugen hat sich die Bedeutung von Scheinwerfern drastisch verändert. (Bild: BMW)

Scheinwerfer müssen nicht nur unter dem Aspekt der Ästhetik entwickelt werden, sondern dienen natürlich auch der Sicherheit der Verkehrsteilnehmer. Was bei Design und Konstruktion von Scheinwerfern zu beachten ist.

Lange Zeit erhielt die Entwicklung von Scheinwerfern im Automobilbau nur wenig Aufmerksamkeit. Mit zunehmender PS-Zahl und Geschwindigkeit von Fahrzeugen hat sich die Bedeutung von Scheinwerfern jedoch drastisch verändert. Das gilt auch für das Design und die Konstruktion. Die technologischen Veränderungen bedeuten allerdings nicht nur Fortschritt, sondern bringen auch neue Herausforderungen mit sich.

Lichttechniker in der Automobilbranche sehen sich mit neuen Innovationen und technologischen Entwicklungen konfrontiert, die entscheidende Auswirkungen auf das Wärmemanagement und den Designzyklus von KFZ-Scheinwerfern haben. Grundsätzlich beeinflussen fünf wichtige Themen die Produktleistung, die Lebensdauer, die Kosten und die Zufriedenheit der Kunden.

1. Die Geometrie: Basis für Simulationen

Alles beginnt mit einer Idee – das gilt auch für die Entwicklung von KFZ-Scheinwerfern. Doch erst wenn eine Geometrie erstellt worden ist, können Simulationen und Prototypen erfolgen. Simulationen in einem frühen Stadium der Entwicklung helfen unter anderem dabei, die zu erwartenden Temperaturen im Scheinwerfer einzuschätzen. Diese Beurteilung ist wichtig, um später entsprechende hitzebeständige Materialien auswählen und deren Preise kalkulieren zu können. Die Anzahl an Teilen wie Schrauben, Kühlkörper, Leiterplatinen, Linsen, Kabel und anderen Komponenten nehmen im weiteren Verlauf der Entwicklung stark zu. Je komplexer allerdings das Design, desto höher sind die Anforderungen an schnelle und robuste Simulationen zwischen verschiedenen Design-Iterationen.

SEMINARTIPPDas Seminar „Systematische Werkstoffauswahl“ vermittelt die Beziehung zwischen Werkstoffherstellung, Werkstoffstruktur und den daraus resultierenden Materialeigenschaften. Ziel ist es, eine gesamtheitliche Darstellung des Werkstoffauswahlprozesses vorzustellen, ausgehend von der Erstellung eines Anforderungsprofils, der Vorauswahl bis hin zur Feinauswahl und Risikobetrachtung.
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Schnelles Vernetzen komplexer Geometrien

Mit herkömmlichen CFD-Tools dauert die Vernetzung (Meshing) von hochkomplexen Systemen wie einem Voll-LED-Scheinwerfer mit all seinen Komponenten deshalb oft mehrere Tage. Anders gestaltet sich die Situation mit der automatischen Meshing-Technologie der Software Simcenter FLOEFD. Hier erfolgt das Meshing von komplexen Geometrien automatisch und CPU-basiert.

Simcenter FLOEFD stützt sich auf ein kartesisches Mesh mit Octree-Verfeinerung und vielflächigen Zellen an der Schnittstelle Flüssig-Fest oder Fest-Fest. Das ermöglicht es Ingenieuren, an anderen Projekten zu arbeiten, während der Computer die aufwändigen Berechnungen übernimmt. Ein solcher Meshing-Prozess dauert in der Regel von wenigen Minuten bis zu mehreren Stunden – je nachdem, wie granular das Meshing eingestellt wurde und wie komplex die Geometrie selbst ist.

Für einen kleinen Nebelscheinwerfer beispielsweise benötigt Simcenter FLOEFD nur wenige Minuten. Ein Voll-LED-Scheinwerfer mit allen relevanten Komponenten indes kann mehrere Stunden in Anspruch nehmen, so dass das Meshing im schlimmsten Fall von einem Tag auf den anderen andauert, bevor schließlich der Startschuss für die Simulation erfolgen kann.

2. Wärmemanagement von LED, OLED und Laserdioden

In den letzten zehn Jahren hat sich die Lichtquellentechnologie in der Automobilbeleuchtung stark weiterentwickelt. Früher wurden hauptsächlich Halogen- oder HID-Glühlampen verwendet, die einen geringen Wirkungsgrad hatten, aber große Mengen an Abwärme erzeugten. Neue Technologien wie LED, OLED und Laserdioden strahlen deutlich weniger Wärme ab und benötigen somit ein anderes Wärmemanagement. Diese neuen Lichtquellen sind zudem wesentlich effizienter. Während LED einen Wirkungsgrad von rund 30 % oder mehr haben, liegen HID-Lampen bei rund fünf bis acht Prozent und Halogenlampen bei rund fünf Prozent.

Der Trend geht zu Matrix- und Pixel-LED

Zum nächsten großen LED-Trend in Sachen Automobilbeleuchtung gehören Matrix- und Pixel-LED, die ein blendfreies Fernlicht ermöglichen. Es deaktiviert LED-Elemente, die das Licht auf den Gegenverkehr oder das vorausfahrende Fahrzeug projizieren, automatisch. Während es sich bei LEDs um eine Punktlichtquelle handelt, bieten OLED eine neue Möglichkeit, eine Oberflächenlichtquelle für Innen- und Außenbeleuchtungen zu verwenden.

Zukünftig kommen zudem immer häufiger auch Laserdioden zum Einsatz. In Autoscheinwerfern werden sie für die weit entfernte Spot-Beleuchtung bei einer Sichtbarkeit von rund 600 m eingesetzt. Die Funktionsweise basiert auf dem Konzept des Laser Activated Remote Phosphor (LARP), bei dem blaue Laserdioden ein kleines Phosphorelement mitbringen, das auf das Laserlicht reagiert und das blaue Licht des Phosphors zu Weißlicht macht. Der Vorteil ist ein noch höherer Wirkungsgrad als bei LED mit mehr Lichtleistung sowie ein geringerer Bauraumbedarf.

3. Simulation von Strahlung und Sonneneinstrahlung

Es hängt stark von der verwendeten Lichtquelle ab, ob und wie Strahlung in der Simulation eine Rolle spielt und welche Bedingungen berücksichtigt werden müssen.

Bei Glühlampen-Lichtquellen sind die Strahlung und die Konvektion die wichtigsten Formen der Wärmeabfuhr. Hier können Reflektoren und Linsen schnell ihre Grenztemperatur erreichen, und das Styling wird stark beeinflusst. Bei LED benötigen in der Regel nur Hochleistungs-LED ein fortschrittlicheres Strahlungsmodell. In der Nähe von optischen Elementen wie Lichtleitern kann ein großer Teil der von der LED abgegebenen optischen Leistung absorbiert werden. Auch bei LARP-Systemen trägt der Laserstrahl die gesamte optische Leistung. Die Wahl des Strahlungsmodells hängt jedoch von den zu berücksichtigenden Strahlungsmechanismen ab. Das fortschrittlichste Strahlungsmodell, das eine Simulationssoftware für alle Anwendungen der Automobilbeleuchtung unterstützen sollte, ist das Monte-Carlo-Modell. Aber auch innerhalb dieses Modells kommen unterschiedliche Möglichkeiten in Frage, wenn es um Effekte wie die spektrale Definition geht.

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4. Simulation von Kondensation, Verdampfung und Vereisung

In einer thermischen Simulation von Scheinwerfern geht es allerdings nicht nur um die Wärmeübertragung allein oder maximale Temperaturen, um eine hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Komponenten zu erreichen. Weil das Design neuerdings verstärkt auch Scheinwerfer und Rückleuchten betrifft, werden Effekte wie Kondensation im Inneren dieser Lampen für jeden Lichttechniker zur Herausforderung. Dabei ist die Kondensation für das System selbst oft kein großes Problem.

Wassergehalt reduzieren

Der Fokus der Ingenieure liegt vielmehr auf der Frontlinse der Lampe und den Komponenten direkt dahinter: Autolampen sind keine geschlossenen Systeme und die Diffusionsgesetze wie das Fick'sche Gesetz definieren die Diffusion von Massenkonzentrationen. Selbst bei Membranen, die die Feuchtigkeit aus einer Lampe fernhalten sollen, lässt die Diffusion mit der Zeit etwas Feuchtigkeit in die Lampe. Aufgabe der Ingenieure ist es also, den Wassergehalt im Scheinwerfer zu reduzieren und die Zeit für die Verdampfung zu verkürzen, sobald die Lampen eingeschaltet werden.

5. Entwurfszyklusgeschwindigkeit

Einer der wichtigsten limitierenden Faktoren für jeden Ingenieur ist die Zeit, in der das Design die Marktreife erreichen soll. Ein Lichtexperte entscheidet dabei, welche Simulationen und insbesondere welche Physik er für das gesuchte Ergebnis berücksichtigen muss. Hinzu kommt eine schnelle Vorbereitung für Modelle. Zeigt beispielsweise eine Kondensationssimulation, dass die Verdampfung zu langsam erfolgt, und der Ingenieur empfindet den Luftstrom in der Nähe der Innenfläche der Frontlinse als zu gering, könnte eine Änderung des Luftstrompfades das Problem lösen. Eine solche Änderung lässt sich in modernen CAD-Werkzeugen innerhalb einer Stunde erledigen.

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Effizientes Vernetzen

Ein CAD-gestützter CFD-Ansatz mit einem automatischen Mesher, der in der Lage ist, die komplexesten Geometrien zu verarbeiten, eignet sich ideal für solche Aufgaben. Er ermöglicht es, Geometrien zu ändern und den Meshing-Prozess zu starten, ohne das Modell erneut vorbereiten zu müssen. Sobald die CPU das Meshing beendet hat, kann der Solver gestartet werden. Damit lässt sich der gesamte Prozess der Vorbereitung eines Modells für die Erstellung des Meshs auf wenige Klicks und etwas CPU-Zeit reduzieren, unabhängig von der Komplexität der Geometrie.

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* Julie Dörr, freie Journalistin aus München

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