Als Student des Maschinenbaus habe ich mich schon immer für Simulation und Konstruktion interessiert, da Ingenieure dadurch bereits vor der Fertigung vorhersagen können, wie sich Produkte verhalten werden. Als ich dieses Praktikum annahm, hoffte ich, praktische Erfahrungen im Umgang mit branchenüblicher Software zu sammeln und zu lernen, wie Unternehmen zuverlässige Produkte entwickeln. Mir wurde schnell klar, dass dieses Projekt weit mehr als nur die Erstellung von Simulationen umfassen würde: Es erforderte ein Verständnis der wissenschaftlichen Grundlagen des Materials selbst.
Als ich mein Praktikum begann, wusste ich zwar, dass ich mit Lötmaterialien und der Finite-Elemente-Analyse (FEA) arbeiten würde, aber mir war nicht ganz bewusst, wie viel Ingenieurskunst dahintersteckt, um etwas so Kleines wie eine Lötstelle zu verstehen. In den letzten Monaten habe ich mich intensiv mit der Entwicklung der Materialeigenschaften der Lötlegierungen der Indium Corporation im Rahmen von FEA-Simulationen beschäftigt. Dabei habe ich auch gelernt, wie experimentelle Tests und Computersimulationen zusammenwirken, um die Zuverlässigkeit moderner Elektronik zu verbessern.
Zu Beginn des Praktikums ging ich davon aus, dass das Projekt, das ich übernehmen sollte, hauptsächlich aus der Durchführung von Simulationen in FEA-Software bestehen würde. Ich habe jedoch schnell gelernt, dass jede genaue Simulation mit guten experimentellen Daten beginnt. Bevor ein Computermodell vorhersagen kann, wie sich eine Lötstelle verhält, müssen Ingenieure genau verstehen, wie das Material unter verschiedenen Belastungsbedingungen reagiert. Diese Erkenntnis hat meine Sichtweise auf simulationsgestütztes Engineering völlig verändert.
Ein typischer Tag
Im Rahmen dieses Praktikums sieht mein Arbeitsalltag im Büro von Tag zu Tag anders aus. Mal stehen an einem einzigen Tag mehrere wichtige Besprechungen auf dem Programm, mal muss ich Simulationen durchführen und die Ergebnisse mit experimentellen Befunden vergleichen, und mal habe ich einen eher entspannten Tag, an dem ich mich ausschließlich der Recherche widme und meine Erkenntnisse dokumentiere.
Meine Forschungsarbeit basiert in der Regel auf der Finite-Elemente-Analyse, Materialeigenschaften und Zuverlässigkeitsparametern. Bei der Durchführung meiner Forschungsarbeit tausche ich mich in der Regel zwischen ChatGPT und einschlägigen Dokumenten renommierter Universitäten aus. Ich recherchiere Themen auf der Grundlage der Materialeigenschaften, die im Simulationsumfeld erforderlich sind. Diese Recherche erstreckt sich auch auf Themen, die auf den Eingabeparametern der Zuverlässigkeitssimulation und den gewünschten Ergebnissen basieren.
Die typischen Simulationen, die ich tagtäglich durchführte, bestanden darin, ein Grundmodell zu erstellen, das ein Zugversuchsmuster darstellt, mit dem die zu vergleichenden experimentellen Ergebnisse gewonnen wurden. Anschließend gab ich die erforderlichen spezifischen Eigenschaften sowie die Randbedingungen ein. Danach überprüfte ich die Ergebnisse der Simulationen und verglich sie mit den experimentellen Ergebnissen nach den Versuchen.
An manchen Tagen standen mehrere Besprechungen auf dem Programm, sei es mit anderen Praktikanten, meinem Betreuer oder anderen wichtigen Personen. Bei diesen Besprechungen ging es um relevante Themen im Zusammenhang mit meiner Forschung, um neue Technologien in der Branche, um Schulungen zu den erforderlichen Softwareprogrammen sowie um Treffen, bei denen ich die anderen Praktikanten kennenlernen konnte.
Was mir besonders gefallen hat, war, dass kein Tag wie der andere war. Manche Morgen begannen damit, dass ich die Simulationsergebnisse des Vortags durchging und die nächsten durchzuführenden Simulationen plante. An anderen Tagen beschäftigte ich mich mit der Recherche zu Konstitutionsmodellen oder las Fachartikel, um besser zu verstehen, wie sich Lote unter verschiedenen Bedingungen verhalten. Sobald ich genügend Informationen zu diesen Erkenntnissen hatte, suchte ich nach Möglichkeiten, sie in ANSYS umzusetzen, wo ich sie, sofern möglich, mit experimentellen Daten anreicherte und mit den Simulationsergebnissen verglich. Am Ende des Tages dokumentierte ich meine Erkenntnisse, damit zukünftige Arbeiten auf den von mir erzielten Fortschritten aufbauen konnten.
Herausforderungen auf dem Weg
Wie viele technische Projekte hat auch dieses Praktikum zahlreiche technische Herausforderungen mit sich gebracht.
Eine der ersten Herausforderungen bestand darin, den Umgang mit der Programmierumgebung Python zu erlernen. Das war eine Herausforderung, da ich diese Software zuvor noch nie verwendet hatte und sie für mich Neuland war – obwohl ich bereits mit anderen ähnlichen Programmen wie MATLAB und C++ gearbeitet hatte. Glücklicherweise konnte ich diese Herausforderung meistern, da ich Tutorials fand und ausführliche Gespräche mit ChatGPT führte, um meine Programmierkenntnisse zu verbessern.
Eine weitere Herausforderung bestand darin, die Abweichungen zwischen den simulierten Spannungswerten und den experimentellen Messwerten zu verstehen. Ich hatte damit gerechnet, da ich nicht zum ersten Mal mit Simulationssoftware arbeitete. Allerdings hatte ich nicht erwartet, dass Parameter wie die Dehnungsgeschwindigkeit und die Anzahl der Schritte innerhalb der Simulation zu spürbaren Veränderungen der Ergebnisse führen würden.
Die letzte große Herausforderung, vor der ich stand, bestand darin, die Unterschiede zwischen den verschiedenen Dehnungsmessungen zu erkennen, die in der ANSYS-Software zur Verfügung stehen. Das Verständnis der Unterschiede zwischen Gesamtdehnung, elastischer Dehnung, plastischer Dehnung und äquivalenter plastischer Dehnung war für die korrekte Interpretation der Simulationsergebnisse von entscheidender Bedeutung. Ich habe dieses Problem schließlich gelöst, indem ich Spannungs-Dehnungs-Kurven unter Verwendung der verschiedenen Dehnungsarten erstellt habe, und stellte fest, dass die plastische Dehnung die realen Ergebnisse am besten widerspiegelt.
Außerdem habe ich gelernt, dass für die Ermittlung eines realistischen Spannungs-Dehnungs-Verhaltens das nichtlineare Materialverhalten sorgfältig berücksichtigt werden muss. Frühe Simulationen lieferten oft nur linear-elastische Ergebnisse, bis die entsprechenden Plastizitäts- und viskoplastischen Materialmodelle korrekt implementiert wurden.
Diese Erfahrungen haben eine wichtige Erkenntnis bestätigt: Die Genauigkeit von Konstruktionssoftware hängt ganz von den Annahmen und Eingaben des Konstrukteurs ab.
Was mir am Praktikum am besten gefallen hat
Einer meiner Lieblingsaspekte dieses Praktikums war es, zu sehen, wie sich experimentelle Tests und Computersimulationen gegenseitig ergänzen. Bevor ich dieses Projekt begann, betrachtete ich Simulationen als ein Werkzeug, das lediglich Antworten lieferte. Jetzt verstehe ich, dass sie nur dann zuverlässig sind, wenn die ihnen zugrunde liegenden Materialmodelle zuverlässig und ordnungsgemäß kalibriert sind. Zu beobachten, wie eine simulierte Spannungs-Dehnungs-Kurve nach der Verfeinerung bestimmter Materialparameter in etwa mit den experimentellen Daten übereinstimmte, war äußerst befriedigend, da dies zeigte, dass meine Arbeit am Materialmodell einen messbaren Einfluss auf die Genauigkeit des Modells hatte. Momente wie diese haben mir erneut verdeutlicht, warum Ingenieure so viel Zeit damit verbringen, Simulationen zu validieren, bevor sie diese im Produktdesign einsetzen.
Berufliche Weiterentwicklung
Über das erworbene Fachwissen hinaus hat dieses Praktikum meine technischen Fähigkeiten erheblich erweitert. Ich habe Erfahrungen in den Bereichen Finite-Elemente-Analyse, 3D-Modellierung, Auswertung von Spannungs-Dehnungs-Kurven, Optimierung von Materialparametern und technische Dokumentation gesammelt.
Am wichtigsten ist vielleicht, dass ich gelernt habe, wie sich experimentelle Technik und computergestützte Modellierung gegenseitig ergänzen. Weder Labortests noch Simulationen allein reichen aus, um das Materialverhalten vollständig zu verstehen. Stattdessen arbeiten die beiden Ansätze Hand in Hand, um präzise Vorhersagemodelle zu erstellen.
Diese Perspektive auf Systemebene hat meine Herangehensweise an technische Probleme verändert und mir ein tieferes Verständnis dafür vermittelt, wie viel Arbeit erforderlich ist, um Materialmodelle in Simulationen zu validieren, bevor man sich bei Konstruktionsentscheidungen in der Praxis darauf verlassen kann.
Ein Blick in die Zukunft
Im weiteren Verlauf meines Praktikums freue ich mich darauf, die für die Materialmodellierung erforderlichen Informationen weiter zu erforschen und die Übereinstimmung zwischen Simulations- und Versuchsergebnissen zu verbessern. Die fortgesetzte Erforschung der Materialparameter wird zunehmend genauere Vorhersagen zum Verhalten von Lötzinn unter realistischen Belastungsbedingungen ermöglichen.
Diese Erfahrung hat mein Interesse an simulationsgestütztem Engineering und computergestützter Materialwissenschaft bestätigt und verstärkt. Die Kombination von experimentellen Laborergebnissen mit der Finite-Elemente-Analyse hat mir gezeigt, wie Ingenieure Daten nutzen können, um komplexe Herausforderungen im Bereich der Zuverlässigkeit zu lösen und moderne Elektroprodukte zu verbessern, ohne dass umfangreiche Tests unter realen Bedingungen erforderlich sind.
Insgesamt bot mir dieses Praktikum eine unschätzbare Gelegenheit, mein im Studium erworbenes Wissen und meine persönlichen Kenntnisse auf reale ingenieurwissenschaftliche Probleme mit direkter Branchenrelevanz anzuwenden. Die Arbeit an der Charakterisierung von Loteigenschaften hat sowohl meine technischen als auch meine forschungsbezogenen Fähigkeiten gestärkt. Außerdem habe ich dadurch ein besseres Verständnis dafür gewonnen, wie experimentelle Mechanik, Materialwissenschaft und Finite-Elemente-Analyse zusammenwirken, um die Entwicklung sichererer und zuverlässigerer elektronischer Lote und Systeme zu unterstützen.
