Technik
Licht 6 | 2020

Realität voraussehen

Virtuelles Prototyping der neuen Generation

In Zeiten außergewöhnlich kurzer Produktentwicklungszyklen und ständig steigender Produktanforderungen nimmt der Einfluss von optischen Simulationen auf Lichtlösungen stetig zu. Im Workflow des sogenannten virtuellen Prototyping werden solche Simulationen mittels spezialisierter Software dazu verwendet, reale Prototypen durch ihre digitalen Pendants zu ersetzen. Der große Vorteil der virtuellen Produktentwicklung – die Unabhängigkeit von der physischen Produktion – ist gerade im Zuge der Corona-Krise sehr deutlich geworden.

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Virtuelles Prototyping bei Lichtanwendungen ist viel mehr als nur Rendering. Die simulationsbasierte Visualisierung liefert tatsächlich eine objektive Aufnahme der Realität. Im Gegensatz dazu verbildlichen die teils sehr schön wirkenden Renderingbilder vor allem die kreative Vorstellung eines Menschen. Darüber hinaus besteht das Ergebnis der Simulation aus physik-basierten, charakteristischen Größen, wie beispielsweise Beleuchtungsstärke, die als solche einen technischen Einblick in die Lichtverteilung und -zusammensetzung erlauben – im Voraus.

Die einzelnen Vorteile des simulationsbasierten virtuellen Prototyping wie Innovationsförderung sowie Zeit- und Kostenersparnis, hängen stark von der Effizienz des Arbeitsablaufs und seiner Präzision bei der Abbildung der Realität ab. Für diese Präzision ist die hohe Qualität der optischen Simulationsmethoden die Grundvoraussetzung. So ist die detaillierte Modellierung optischer Effekte wie Reflexion, Brechung, Streuung und Dispersion sowie die physikalische Bewertung photometrischer Eigenschaften (Leuchtdichte, Lichtstärke, Beleuchtungsstärke) entscheidend, um die Vorhersagekraft der Simulationsergebnisse zu gewährleisten. Aus heutiger Sicht lehrt uns aber die Erfahrung mit Simulation, dass es nicht minder unerlässlich ist, die Aspekte einzubeziehen, die über optische Algorithmen hinausgehen: Interaktivität, Automatisierung und ein ganzheitlicher multiphysikalischer Ansatz. In der vorliegenden Beitragsserie (Teile 2 und 3 folgen) wird jeweils gezielt erläutert, wie diese drei Aspekte im Zuge jüngster Softwareentwicklungen im Beleuchtungsentwicklungsprozess berücksichtigt werden können.

Schnelle Entscheidungsfindung

Effiziente Arbeitsabläufe benötigen Wege zur schnellen Entscheidungsfindung. Daher ist es wichtig, die Interaktivität der optischen Simulation zu verbessern. Ein genaues Ergebnis kann eine beträchtliche Laufzeit der Simulation erfordern. Dennoch ist es oft sehr hilfreich, möglichst schnell einen Einblick in die Folgen einer spezifischen Variation des betrachteten Designs zu erhalten. Als Beispiel: Wenn dieser oder jener Abstand verdoppelt wird, wie verändert sich dann die Lichtverteilung? Was, wenn wir diese Frage in Sekundenschnelle grob beantworten könnten? Die genauen Folgen dieser Änderung könnte man danach mit vollwertiger Simulation untersuchen.

Abb.: Die Echtzeit-Visualisierung von Lichtstrahlengängen im Geometrie-Modell hilft beim Verständnis von Ungleichmäßigkeiten der Lichtverteilung. Die Geometrie lässt sich dazu interaktiv verändern. Cadfem

Die dazu nötigen Funktionalitäten sind nun für die Simulation verfügbar. Zum einen ist es die Echtzeit-Visualisierung der Lichtstrahlengänge im Geometrie-Modell, die beim Verständnis von Ungleichmäßigkeiten der Lichtverteilung hilft. Das Bemerkenswerte dabei ist, dass man die Geometrie interaktiv verändern kann – Flächen verschieben, Abstände variieren oder Winkel anpassen. Die dadurch veränderte Interaktion zwischen Licht und Körper oder Oberfläche wirkt sich dann direkt auf die Strahlengänge aus. Ermöglicht wird es durch einen begrenzten Satz an Strahlen, deren Laufwege in kürzester Zeit errechnet werden. Diese Strahlenwege werden dann direkt im 3D-Modell angezeigt. Dadurch gewinnt man nicht nur Erkenntnisse darüber, warum Licht an bestimmter Stelle verstärkt ankommt, sondern auch, wo welches wider Erwarten verloren geht. Somit werden also reale Lichtstrahlen unmittelbar und unverfälscht sichtbar gemacht.

Interaktive Simulationen

Eine gute Möglichkeit, Fragestellungen der Lichtsimulation zu adressieren, bietet das vielseitige Simulationstool ANSYS SPEOS. In diesem Tool ist die oben beschriebene Analysemethode als eine separate Simulationsart – interaktive Simulation – implementiert. Diese Art ergänzt die üblichen Methoden der direkten Simulation (Strahlen werden bei der Quelle generiert und am Sensor registriert) oder inversen Simulation (Strahlen werden am Sensor erzeugt und rückwärts hin zur Quelle gerechnet). Bei der interaktiven Simulation kann man ebenso wie bei den anderen beiden Methoden die Geometrien, Quellen und Sensoren auswählen, die berücksichtigt werden sollen. Startet man nun diese Simulation, werden Strahlenwege im 3D-Modell angezeigt. Bei Änderung der einbezogenen Geometrie aktualisieren sich diese Strahlenwege entsprechend der neuen Konstellation. Alternativ kann man diese Funktionalität auch per Knopfdruck über die Funktion »Live Trace« starten. Dadurch wird im Hintergrund eine interaktive Simulation in Gang gesetzt, die alle vorliegenden Elemente (Geometrien, Quellen, Sensoren) einschließt. Man sieht und variiert die Strahlenwege dann sogar, ohne eine Simulation im Vorfeld aufzusetzen zu müssen.

Es ist von großer Bedeutung, im Rahmen einer Simulationsumgebung die Möglichkeit zu haben, etwas unkompliziert auszuprobieren. Dabei geht es nicht immer darum, sofort ein belastbares Ergebnis zu bekommen, sondern zunächst, die grobe Tendenz frühzeitig zu erkennen. Wurden beispielsweise bei der Definition eines Sensors oder einer Simulation Ungenauigkeiten gemacht, so sind die Ergebnisse einer Simulation oft unverwertbar. Anwender fragen oft, ob es möglich wäre, zu dieser Feststellung auch ohne längere detaillierte Simulation zu kommen. Bei dieser Frage sucht man nach einer Möglichkeit, zeitsparend eine aussagekräftige Vorschau des Ergebnisses zu erhalten.

Um dies zu verwirklichen, wird in ANSYS SPEOS die besonders schnelle Graphic Processor Unit (GPU) Technik benutzt. Eine bereits definierte Simulation, die sonst auf der Central Processor Unit (CPU) laufen und ein Ergebnis zur Auswertung ausgeben würde, kann über einen separaten Button als »Live Preview« gestartet werden. Dies eröffnet ein Zusatzfenster, in welchem ein vorläufiges Ergebnis der Simulation erscheint. Bei fortschreitender Zeit konvergiert dieses Ergebnis sogar, d.h. wird immer genauer. Somit hat man eine gute Grundlage, um frühzeitig vorauszublicken und irreführende Entscheidungen zu vermeiden. Gerade bei der Visualisierung, die normalerweise eine relativ große Strahlenstatistik erfordert, spart man dadurch eine Menge Zeit.

Abb.: Eine bereits definierte Simulation, die sonst auf der CPU laufen und ein Ergebnis zur Auswertung ausgeben würde, kann über einen separaten Button als »Live Preview« gestartet werden und bildet ein vorläufiges Ergebnis der Simulation ab. Cadfem

Zusammenfassend gibt es in der Lichtsimulation sehr nützliche Methoden, um interaktiv und gleichzeitig physikalisch korrekt die optischen Eigenschaften eines Systems zu analysieren. Konkret kann man dafür die direkte Anzeige der Lichtstrahlen im 3D-Modell oder eine schnelle Vorschau des Simulationsergebnisses nutzen. In den nachfolgenden Beiträgen werden wir uns auf die Themen Automatisierung und Multiphysik fokussieren, die ebenso wie Interaktivität eine wichtige Rolle im Kontext der optischen Simulation spielen. Mit den Möglichkeiten, die die moderne Optiksimulationssoftware in Bezug auf diese Aspekte bietet, ist es heutzutage möglich, den Entwicklungsprozess mit der Hilfe der Simulation noch innovativer, effizienter und schneller zu gestalten.

Weitere Informationen:

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

Grafiken: shutterstock.de, CADFEM GmbH

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Licht 6 | 2020

Erschienen am 25. August 2020