Technik
Licht 8 | 2020

Der ganzheitliche Blick auf Lichtlösungen

Lichtsimulation unter Einbindung von Multiphysik

Die Realität bei der Erstellung von virtuellen Prototypen exakt abzubilden, ist die zentrale Herausforderung für die Lichtsimulation. Ihre Ergebnisse müssen aussagekräftig für die spätere reale Produktion sein. Um dieser Herausforderung gerecht zu werden, muss die Simulationssoftware zwingend auf grundlegenden physikalischen Gesetzen basieren. Bei Lichtlösungen sind es in erster Linie die Gesetze der Ausbreitung von Licht und der Interaktion von Licht und Materie. Allerdings erfordert ein kompletter Simulationsansatz auch die Einbeziehung anderer Phänomene, beispielsweise des Einflusses der vorherrschenden Temperatur. Diese Vervollständigung der optischen Simulation auf benachbarte Physikdomänen, kurz Multiphysik genannt, schärft den Blick auf die tatsächlichen Eigenschaften des virtuell abgebildeten Systems.

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Die ermittelten Ergebnisse sind verlässlich, solange dieselben geometrischen Formen und Eigenschaften von Quellen und Materialien, die man auch im realen System vorfinden würde, in die Rechnung einfließen. Es kann allerdings aus mehreren Gründen Abweichungen von dieser Annahme geben. So kann sich eine LED erwärmen und dadurch ein anderes Abstrahlungsspektrum haben als im initialen Zustand. Somit würde sich auch der wahrgenommene Charakter des Lichts verändern. Es könnte beispielsweise im Sinne der Farbtemperatur wärmer oder kälter als erwartet werden. Darüber hinaus können sich die entworfenen geometrischen Körper aufgrund von Erwärmung oder auch strukturmechanischen Spannungen verformen und somit anders als erwartet auf die Strahlenwege einwirken. Das kann wiederum zu Veränderungen in der Lichtverteilung führen. Solche komplexen Aspekte der physikalischen Simulation können heute ganzheitlich kombiniert werden. Das war noch vor wenigen Jahren in dieser Weise nicht möglich.

Verbindung verschiedener Simulationen

Für die korrekte Abbildung dieser teils folgenreichen Veränderungen in der Simulation ist eine Vorgehensweise erforderlich, die eine Verbindung zwischen der rein optischen Simulation und beispielsweise der thermo- oder strukturmechanischen Simulation herstellt. Im ersten Schritt ermittelt man die initialen Ergebnisse für die Lichtverteilung und -zusammensetzung. Diese Ergebnisse, konkret die Stärke der Bestrahlung von betroffenen Körpern und Oberflächen, fließen dann in die thermomechanische Simulation ein. Zusätzlich wird auch die Information über vorhandene konventionelle Wärmequellen, beispielsweise in der angeschlossenen Elektronik, berücksichtigt. Bei der thermomechanischen Simulation wird die räumliche Temperaturverteilung, genannt Temperaturfeld, mit einem für solche Aufgaben dezidiert entwickelten Simulationstool berechnet. Damit kann bereits die erste Anpassung der Material- oder Quelleneigenschaften erfolgen.

Zusätzlich ist aber das Temperaturfeld auch als Grundlage einer Simulation mit einem strukturmechanischen Löser einsetzbar. Dadurch ermittelt man dann die Verformung der beteiligten Körper. Berücksichtigt man nun das Temperaturfeld und die Verformung bei einer wiederholten optischen Simulation, so ist Optik, Thermo- und Strukturmechanik einbezogen. Somit wird die optische Simulation mit der Multiphysikmethode vervollständigt.

Workbench erleichtert den Workflow

In der Simulationswelt von ANSYS wird der oben beschriebene Workflow durch die Nutzung einer Simulationsplattform, genannt ANSYS Workbench, erleichtert. Diese ermöglicht es, die unterschiedlichen Tools aus einzelnen Physikbereichen miteinander zu verbinden. Die so definierten Verbindungen schaffen direkte Schnittstellen für den Informationsaustausch zwischen den Simulationswerkzeugen. Als Beispiel kann man für die optische Simulation den Knoten ANSYS SPEOS einsetzen und dann mit einem Knoten für Thermomechanik (ANSYS Mechanical) verbinden. Im Anschluss ist es möglich, eine weitere Verbindung zum strukturmechanischen Löser einzubauen (wiederum ANSYS Mechanical). Danach kann man dann die erhaltenen Ergebnisse für eine erneute optische Simulation wieder zum ANSYS SPEOS überführen.

Abb.: Der komplette Ablauf einer Lichtsimulation unter Hinzunahme von Multiphysikbausteinen. Cadfem

Neben der thermomechanischen und strukturmechanischen Simulation können auch andere Simulationswerkzeuge eine wichtige Ergänzung der optischen Simulation bilden. So ist es beispielsweise für große Leuchten von Bedeutung, die Temperaturveränderungen nicht nur zu berücksichtigen, sondern auch gezielt gering zu halten. Dafür ist die passive oder aktive Entwärmung sehr wichtig. Im Rahmen der Simulation wird für solche Teilaufgaben die strömungsmechanische Berechnung (beispielsweise mit ANSYS CFD) eingesetzt. In dieser Disziplin wird die Dynamik von Gasen oder Flüssigkeiten modelliert und der daraus resultierende Wärmeaustausch mit den jeweiligen Körpern und Oberflächen ermittelt. Durch die Kopplung zur Strömungsmechanik gewinnt man in solchen Fällen weitere wertvolle Erkenntnisse für die Lichtsimulation.

Auch die Simulation wellenoptischer Effekte kann eine wichtige Ergänzung zur strahlenbasierten optischen Simulation sein. Aus einer Berechnung mit ANSYS Lumerical lassen sich beispielsweise die Reflexionseigenschaften einer Oberfläche ohne Messung oder analytische Modellierung ermitteln. Solche Daten können dann als Grundlage für eine genauere Simulation der Strahlenwege sein. Insgesamt wird bei dieser Vorgehensweise das Licht ganzheitlich als Strahl und Welle betrachtet.

Abb.: Bei der wiederholten optischen Simulation einer Wandleuchte mit einem thermisch verformten Reflektor ist die Multiphysikmethode im Einsatz. Cadfem

Multiphysikansatz für umfassende Lichtsimulation

Der oben beschriebene Multiphysikansatz ermöglicht die Vervollständigung einer optischen Simulation hin zu einer umfassenden Lichtsimulation durch die Einbindung aller relevanten Physikdomänen. Diese Vorgehensweise stellt einen wesentlichen Mehrwert für die Aussagekraft der Simulationsergebnisse dar. So kann man beispielsweise berücksichtigen, bei welcher Temperatur die Materialeigenschaften tatsächlich modelliert werden müssen oder wie sich Körper verformen, auf die das Licht auf seinem Weg trifft. Zusammen mit der Weiterentwicklung der Interaktivität und den Werkzeugen der Automatisierung, die bereits in den vorangegangenen Teilen dieser Serie thematisiert wurden, bildet der Multiphysikansatz eine wichtige Weiterentwicklung der simulationsbasierten Methode des virtuellen Prototyping. Deshalb können wir heute virtuell mit dem Licht so effizient, detailliert und realitätsgetreu wie nie zuvor arbeiten. Das sind glänzende Aussichten für die Entwicklung von Lichtlösungen von morgen.

Weitere Informationen:

Autor: Dr. rer. nat. Ervand Kandelaki, Business Development Manager Optics, CADFEM GmbH, Grafing, www.cadfem.net

Grafik/Foto: shutterstock.de, CADFEM GmbH

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Licht 8 | 2020

Erschienen am 26. Oktober 2020