Anwendungsbeispiel Solidworks Professional und Solidworks Flow Simulation: Entwicklung eines Messsystems zur wärmetechnischen Untersuchung von neuartigen Materialien für die Elektromobilität

Denn: Die Steigerung der systemspezifischen Energiedichte ist zum Must-do der Elektromobilitätsanbieter geworden. Dies stellt besondere Anforderungen an das zugrundeliegende Wärmemanagement, im Speziellen an die konstruktiv und wärmetechnisch "ideale" Integration von Wärmequelle und erforderlichem Kühlsystem. Insbesondere leistungsfähige Materialkombinationen zur mechanischen und gleichzeitig thermisch geeigneten Anbindung sind hier gefordert.

Messsystem für die Charakterisierung neuartiger Materialien

Initiiert durch industriellen Wunsch und in enger Kooperation mit dem Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung (WSA) der RWTH Aachen University, wurde hierzu durch das Ingenieur-Unternehmen en2Aix – energy engineering Aachen GmbH ein Messsystem für die Charakterisierung neuartiger Materialien entwickelt (siehe Abbildung 1). In Anlehnung an die durch die American Society for Testing and Materials (ASTM) veröffentlichte Norm ASTM-D5470 ermöglicht dieses Messsystem die Ermittlung des thermischen Widerstandes, beispielsweise von pastösen Gapfillern, sowie von inhomogenen und strukturierten Materialien unter realitätsnahen Bedingungen.

In der gesamten Konzeptionierungsphase des Messsystems, welche sowohl konstruktive als auch komplexe wärmetechnische und strömungsmechanische Problemstellungen umfasste, führte der kombinierte Einsatz von Solidworks Professional und Solidworks Flow Simulation zu einer signifikanten Beschleunigung der Entwicklung von individuellen und innovativen Lösungen.

Spezifische Problematik

Eine besondere Herausforderung war die Entwicklung eines Kühlsystems mit der Zielstellung, hohe Wärmeströme von einer Oberfläche abzuführen und gleichzeitig eine möglichst homogene Temperaturverteilung zu erzielen.

Diese Problemstellung umfasste sowohl die Modellierung als auch die konstruktive Auslegung des Kühlsystems unter Berücksichtigung der wärmetechnischen und strömungsmechanischen Eigenschaften des Systems.

Um dies zu erreichen, haben die Fachleute in Aachen das Softwaresystem Solidworks Flow Simulation eingesetzt, betreut von DPS Software. Dazu Wolfgang Müller, Leiter Competence Center Simulation bei DPS Software GmbH: "Um bei minimalem Bauraum eine optimale Temperaturverteilung zu erzielen, hat für en2Aix die CAD-integrierte Solidworks Flow Simulation Lösung für die Konzeptfindung und -optimierung perfekt gepasst."

Abbildung 2 zeigt zwei Varianten des Kühlsystems während der Konzeptionierungsphase. Im ersten Fall wird ein Flüssigkeitsstrahl mittig auf die zu kühlende Oberfläche gerichtet. Im zweiten Fall wird die Kühlflüssigkeit gezielt in Strömungskanälen parallel zur Oberfläche geführt. Unterschiedliche Varianten konnten mit den eingesetzten Softwarewerkzeugen schnell und zielgerichtet auf die geforderten Eigenschaften hin optimiert werden.

Die final konzipierte Messeinheit wird aktuell im Gesamtmesssystem integriert betrieben. Volle Kundenzufriedenheit, ein übertroffenes Lastenheft und die erfolgreiche Prototypen-entwicklung legen den Grundstein für zukünftige Entwicklungsprojekte. Dr.-Ing. Manuel Rietz, Projektingenieur bei en2Aix fasst zusammen: "Schlussendlich können wir sagen, an der engen Zusammenarbeit mit DPS schätzen wir die jederzeit sehr persönliche und individuelle Beratung."

Über en2Aix – energy engineering Aachen GmbH

Das Unternehmen en2Aix – energy engineering Aachen GmbH wurde im August 2006 von den beiden Ingenieuren Dr. Bernd Hillemacher und Univ.-Prof. Dr. Reinhold Kneer auf verstärkte industrielle Nachfrage hin als Spin-off des Lehrstuhls für Wärme- und Stoffübertragung (WSA) der RWTH Aachen University gegründet.

"Seither offerieren wir unseren Kunden kompetente, innovative und problemorientierte Dienstleistungen für unterschiedliche Aufgabenstellungen auf vielfältigen Gebieten der Energie- und Verfahrenstechnik", so Geschäftsführer Dr.-Ing. B. Hillemacher. "Ein sich stetig erweiterndes Tätigkeitsspektrum reicht von der grundlagennahen experimentellen Modell-Untersuchung über die Durchführung von analytischen und/oder theoretisch/numerischen CFD-Berechnungen bis hin zur anwendungsorientierten Bewertung und Optimierung unterschiedlicher wärme- und/oder verfahrenstechnischer Prozesse."