Brückenschlag von der Optik zur Mechanik

OPTO MECHANIK-DESIGN EFFIZIENT ORGANISIEREN MIT EINER ADD-IN-SOFTWARE FÜR ›SOLIDWORKS‹

Der Entwurf optisch-mechanischer Baugruppen bestand bisher in einer Zeit raubenden, iterativen Annäherung der Raytracing- an die CAD-Welt. Eine Brückensoftware überträgt nun Modelleigenschaften von ›TracePro‹ nach ›SolidWorks‹. Das soll den Design-Prozess merklich beschleunigen.

LEO R. GARDNER PATRICK LE HOUILLIER

Design, Toleranzeintragung und Dokumentation optischer Systeme erfordern ein hohes Maß an Zusammenarbeit zwischen den Ingenieuren der Optik und der Mechanik. Designteams werden mit immer kürzeren Produktentwicklungszyklen und niedrigeren F&E-Budgets konfrontiert und müssen daher den kooperativen Arbeitsablauf und die technischen Designzyklen effektiv organisieren. Neue Tools kommen auf den Markt, die nicht nur optische und mechanische Designaufgaben, sondern auch den Gesamtentwicklungsprozess vereinfachen, indem sie die optischen und mechanischen Modelle kombinieren und das Ergebnis effizient in den Arbeitsablauf des Designteams integrieren.

Kompatibilität von Designsoftware

Eine typische Anwendung, die den iterativen Austausch zwischen optischer Software und Mechanik-CAD erfordert, ist der Entwurf spezialisierter oder technischer B eleuchtung. Ein gutes Beispiel für eine solche Beleuchtung in der Medizin ist ein experimenteller medizinischer Retraktor mit eingebettetem modularen Illuminator (Bild 1), bei dem die optischen und mechanischen Aspekte des Designs zusammen berücksichtigt werden müssen. Der Illuminator besteht aus einem ausbaubaren batteriebetriebenen LED-Einsteckmodul mit veränderlicher Farbe, das über einen integrierten Lichtleiter mit dem Retraktor verbunden ist. Der Designablauf beginnt mit einer Entwurfsanordnung des LED-Moduls, der Montagehardware, des Retraktors, des integrierten Lichtleiters und des medizinischen Modells, die mit CAD-Software erzeugt werden. Dieses Modell wird dann einer Strahlverfolgung in der optischen Software (mit dem LED-Modul als Quelle) unterzogen, um das resultierende Beleuchtungsmuster und die ausgestrahlte Lichtintensität zu analysieren und damit die Durchführbarkeit und Effizienz des Designkonzepts zu bestätigen. Wenn sich herausstellt, dass der Lichtleiter anders geformt oder eventuell ein alternatives LED-Modul entwickelt werden muss, werden solche Änderungen am besten in der CAD-Software durchgeführt, um dann das Modell wieder in die optische Software einzuführen, wo es einer weiteren Strahlverfolgung und optischen Analyse unterzogen wird. Aufgrund der iterativen Art des Designprozesses hat die Kompatibilität der optischen und der CADSoftware einen signifikanten Einfluss auf den Ablauf des Designprozesses und die Dauer der Produktentwicklung. In Abhängigkeit von den Funktionen der CAD-Software und der optischen Software könnte das Design eines medizinischen Retraktors vier verschiedenen Arbeitsabläufen folgen:

Zunächst könnte das Modell unter Verwendu ng exter ner Dateien zwischen der optischen Software und der CAD-Software wiederholt ausgetauscht werden. Dies würde ent w e der ein gemeinsames Dateifo rmat oder einen Import/Export-Übersetzer erfordern, der die Datei von einem Dat eiformat in ein ande res Format umw a ndelt. Die Verwendu ng eines gemeinsamen Dateiformats wäre ideal, sofern die optische Software die Integrität der CAD-Daten in der Datei respektiert und umgekehrt. Allerdings verwenden die meisten Progra m me herstellerspezifische Dateiforma te. Die Verwendung von Umsetzern zum Importieren/Exportie ren von Körpermodellen hat einen großen Nachteil in der Umge bungeines iterativen Arbeitsablaufs: Optische Eige nschaften (wie reflektierende Beschichtungen) müssten jedes Mal, wenn das Modell wieder in die optische Software importiert wird, neu aufgetragen werden, und mechanische Designeigenschaften (wie Toleranzen und Parameterabhäng igkeiten) müssten jedes Mal, wenn das Modell wieder in die CAD-Software importiert wird, neu angewendet werden.

Zweitens könnten die CAD- und die optische Software Modellveränderungen mit Datenaustauschprotokollen direkt übertragen. DDE- oder COM-Protokolle kommen häufig zum Einsatz, um Daten zwischen Windows-Programmen auszutauschen. Dieser Ansatz erfordert in der Regel eine spezialisierte Makroprogrammierung, um sicherzustellen, dass die erwünschten Daten übertragen und auf der Empfängerseite angewendet werden.

Drittens könnte die optische Software als Unterprogramm vollständig innerhalb der CAD-Software laufen (oder umgekehrt). Dieser Ansatz beschränkt normalerweise die Funktionen des Unterprogramms aufgrund von Beschränkungen des ›Mutterprogramms‹ bei Anwenderschnittstelle, Datenmanipulation und Speicherverwaltung.

Die letzte Option liegt in einem Ansatz, bei dem Designarbeit primär in Programm ›A‹ durchgeführt wird und ein ›Brückenprogramm‹ zum Einsatz kommt, um spezialisierte Eigenschaften für Programm ›B‹ anzuwenden. Die Modellübertragung erfolgt lediglich in einer Richtung (von A nach B), wobei aber Programm A (in Kombination mit seinem Brückenprogramm) alle Eigenschaften für beide Programme, A und B, verwaltet.

Die ›TracePro Bridge for SolidWorks‹

Lambda Research hat eine Implementierung dieses letzten Ansatzes durch die Entwicklung der ›TracePro Bridge for SolidWorks‹ realisiert. Die TracePro Bridge ist ein Add-in, das es einem Mechanikentwickler ermöglicht, optische Eigenschaften über den ›TracePro System Tree‹ in SolidWorks unmittelbar auf das Solid-Works-Modell anzuwenden und diese zu speichern. Beispiele für die optischen Eigenschaften von Oberflächen und Materialien, die in SolidWorks zur Verfügung stehen, sind Materialabsorption, Brechzahl, Lichtquellenstrom, Winkelverteilung und die Anzahl der zu verfolgenden Strahlen. Das komplette optomechanische Modell kann als SolidWorks-Datei, für die zukünftige Arbeit und Analyse in SolidWorks, und als TracePro Datei, für die optische Strahlverfolgung und Analyse in TracePro, gespeichert werden (Bild 2).

Wenn das Design im Rahmen des iterativen Entwurfsprozesses geändert werden muss, wird das Modell innerhalb der von der B r idge aktivierten SolidWorks-Schnitts t e lle aktualisiert und dann wieder als TracePro-Datei gespeichert. Optische Eigenschaften, die auf das mechanische Modell angewendet wurden, bleiben erhalten und müssen daher nicht erneut angewendet werden. Die Bridge ermöglicht die Verwendung eines einzelnen Modells durch TracePro und SolidWorks und verbessert daher die Datenintegrität.

Designbeispiel: Medizinischer Retraktor

Ein kundenspezifischer medizinischer Retraktor mit eingebettetem Lichtleiter und LED-Einsteckmodul liefert ein gutes Beis piel für den iterativen Designarbeitsablauf, mit TracePro Bridge. Chirurgen verwenden einen solchen Retraktor dort, wo die minimale Anzahl und Größe von Schnitten und die maximale Sichtbarmachung des Operationsbereichs höchste Priorität haben. Der Operationsbereich muss ausreichend ausgeleuchtet werden, leicht zu erkennen sein und den Zugang durch andere chirurgische Instrumente ermöglichen. Das Licht wird im Idealfall über einen Lichtleiter auf den Operationsbereich gerichtet. Das Design und die Leistung dieses Lichtleiters werden mittels optischer Analyse und Strahlverfolgung bestätigt, bevor man einen Prototypen herstellt.

Unser Produktdesign beginnt mit der Montage eines medizinischen Standardretraktors, den wir verändern, indem wir ein brechendes Medium einführen, das wiederholten Zyklen im Autoklaven zwecks Sterilisation standhält (Bild 3). Ein Steckplatz wird ebenfalls einbezogen, um mehrere Lichtquellen aufzunehmen, einschließlich selbstständiger, aufladbarer RGB-LED-Module, um die Farbe und Intensität des Lichts verändern zu können.

In Abhängigkeit von der Auswahl der LEDs können Bibliotheken innerhalb der CAD-Software oder der optischen Software Modelle von verschiedenen LED-Herstellern oder Drittlieferanten enthalten. Ein spezielles LED-Modell lässt sich auch auf der Basis der Spezifikationen des Herstellers in CAD bauen. Das LED-Modul, das wir verwendeten, ist ein Osram-›MultiLED‹ LED-Paket, das wir im Modell unter Solid-Works als einzelne LEDs dargestellt haben (Bild 4). Details zur LED-Linse, zu den Chips und zum Reflektor sind den entsprechenden Osram-Datenblättern zu entnehmen. Die Mehrchip-RGB-LED kann in einem LED-Modul untergebracht werden, aber das Design der Elektronik im LED-Modul wird hier nicht berücksichtigt.

Während der Retraktor in SolidWorks gebaut wird, verfolgt der ›Feature Manager‹ unter SolidWorks jede Eigenschaft (wie Dicke, Radius, Ausrundung), sodass Änderungen an einzelnen Komponenten zu einem späteren Zeitpunkt möglich sind. Dies erfordert jedoch, dass jede einzelne Retraktorbaugruppe als eine Baugruppe aus Komponenten konstruiert wird, wobei jede Komponente separate Materialeigenschaften aufweist.

Sobald das Basisdesign des Retraktors fertig gestellt ist, rufen wir TracePro Bridge auf, indem wir die Registerkarte TracePro Bridge im SolidWorks System Manager wählen. Von hier aus können wir optische Eigenschaften (wie Lichtquellendefinition, Glas- oder Kunststoffmaterialien, Anstriche, Oberflächenrauheit, reflektiere nde Beschic ht u ngen) auf jede Ko m p one nte anwenden. Die Datenbank mit Eige nschaften, auf die TracePro Bridge - zugreift, wird ge meinsam mit TracePro verwendet, um zu gewährleisten, dass die Eige nschaftsdefinitionen übereinstimmen. Sobald die Eige nschaften auf die gesamte Retraktorbaugruppe ange w e ndet wurden (einschließlich der Anzahl und Verteilung der Strahlen, die die LED-Quelle aussendet), wird das Modell als TracePro Datei ges peic hert. Daraufhin öffnen wir das Modell unter TracePro und führen eine Strahlverfolgung durch, um zu bestätigen, dass die Leistung der Retraktorbaugruppe den Designspezifikationen, wie Lichtleistung und erwünschte Winkelverteilung, entspricht. Dann integrieren wir den Retraktor in eine Modellsimulation des menschlichen Körpers, der als Körperhöhle und Biomasse dargestellt wird. Wir verwenden vier Retraktoren, die jeweils an einem Ring befestigt sind.

Mehrere optische Eigenschaften können auf die Biomasse angewendet werden, einschließlich volumetrischer Streueigenschaften und Absorptionseigenschaften, um die Lichtausbreitung durch menschliches Gewebe nachzuempfinden. Die hier verwendeten Darstellungen zeigen die vollständig absorbierenden Eigenschaften auf der Biomasse (Bild 1).

Optische Analyse

Wenn das endgültige Modell in TracePro geö ffnet wird und die Strahlverfolgungsoptionen aufgerufen werden (etwa Wellenlängen zur Strahlverfolgung, Strahlaufspaltung aktiviert oder deaktiviert, Grenzwerte), können wir die optische Leistung unseres Designs bestätigen, indem wir die Winke lv erteilung des Lichts und die Bestrahlung ss tärke auf unser beabsichtigtes Ziel (Körperhöhle und Biomasse) beurteilen. Die Eff izienz des Designs lässt sich beurteilen, indem man einen Retraktor oder alle Ret raktoren im Betrieb beobachtet.

Wir haben in dem Modell eine geringe Anzahl (60 000) Strahlen verfolgt, um eine ungefähre Vorstellung von der Leistung zu erhalten, und dann eine Reihe visueller und numerischer Outputs erzeugt. Bild 2 zeigt, dass die Mehrzahl der Strahlen nach unten in die Körperhöhle gesendet wird. Dies bestätigt das ›Candela-Diagramm‹ aus Bild 5, an dem wir ablesen können, dass die Intensität über den zentralen horizontalen Winkel von 80° bis 90° für einen einzelnen Retraktor relativ gleichmäßig ist.

Wenn alle vier Retraktoren mit unregelmäßigem Abstand verwendet werden, wie in Bild 1 dargestellt, zeigt eine Bestrahlungsstärkenkarte eine akzeptable Varianz der resultierenden Beleuchtung (Bild 6). Die Überprüfung des resultierenden Lichtstroms ergibt jedoch, dass lediglich 20 Prozent des erzeugten Lichts die Körperhöhle erreichen. Der Lichtleiterbereich de s Modells könnte von einem Redesign prof it ieren, seine Effizienz erhöhen und mehr L ic ht in die Körperhöhle kanalisieren.

An diesem Punkt im Arbeitsablauf kann das Design unter SolidWorks angepasst werden, um bestimmte Eigenschaften, wie die Anzahl oder den Typ der LED-Module und die Form des Lichtleiters sowie die Art des brechenden Materials, aus dem er hergestellt wurde, zu ändern (Bild 7). Solche Modifikationen können das Beleuchtungsmuster, das in der Körperhöhle erzeugt wird, beeinflussen und zu zahlreichen Designiterationen zwischen SolidWorks und TracePro führen. Diese Änderungen können durch optische oder mechanische Anforderungen veranlasst werden, etwa ein Strahlmuster oder die erforderliche Widerstandsfähigkeit der Anwendung. Durch Nutzung der Add-in-Software können Designer diesen iterativen Designprozess erheblich beschleunigen, ohne Zugeständnisse an Softwareleistung oder Funktionen machen zu müssen.

Fazit: Add-in spart Entwicklerzeit

Ein Optikdesign-Programm, das über eine Add-in-Brückensoftware mit Solid-Works verknüpft wird, verkürzt die Zeit, die der Designer mit dem ständigen Wechsel zwischen der mechanischen und der optischen Designumgebung in einem iterativen Prozess verbringt. Das Ergebnis ist ein komprimierter Zeitplan für die Entwicklung und eine schnellere Markteinführung optomechanischer Produkte.

AUTOREN

Dr. LEO R. GARDNER ist Technical Marketing Director, und PATRICK LE HOUILLIER ist Applications Engineer, Lighting Market Specialist, bei Lambda Research.

1. Beleuchtung medizinischer Retraktoren, die auf einem Haltering befestigt sind
2. Einzelner Retraktor, mit Strahlen in TracePro simuliert
3. Retraktordesign mit integriertem Lichtleiter in SolidWorks mit zugewiesenen optischen Eigenschaften
4. Osram-›MultiLED‹ in SolidWorks
5. Ein Candela-Diagramm zeigt die Winkelintensitätsleistung eines einzelnen Retraktors
6. Beleuchtungsmuster von vier Retraktoren mit ungleichmäßigem Abstand
7. Modifizieren des Designs in SolidWorks

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