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Simulación Cloud multifísica para el diseño y desarrollo de microaltavoz MEMS
Nombre organización: USOUND GMBH
Otras organizaciones participantes

HLRS.

Sitio web otros participantes
Fuente de financiación:

Comisión Europea Horizonte 2020.

Tipo de problema / sector: Otro-Multifísica.

Aplicación: HPC-Simulación.

Empresa:

USOUND GMBH es una compañía de audio austríaca de rápido crecimiento, que desarrolla y produce los sistemas de audio más avanzados para aplicaciones personales basados en la tecnología MEMS (Micro Electro Mechanical System). Como empresa sin planta de fabricación, los procesos de I+D y operaciones de fabricación son externalizados a socios industriales de todo el mundo. HLRS es el centro HPC de la Universidad de Stuttgart (Alemania).

Reto:

USOUND GMBH desarrolla altavoces MEMS en miniatura únicos, basados en el efecto piezoeléctrico, para llevar a cabo el próximo avance en la tecnología de altavoces. Estos altavoces MEMS vienen con todas las ventajas de la tecnología MEMS, tales como la producción y ensamblaje automatizado, además de proveer mejoras adicionales como menor factor de forma, muy poca generación de calor y linearidad mejorada en comparación con el altavoz electrodinámico clásico. Sin embargo, la producción de un MEMS es costosa y lenta. Se necesitan herramientas de simulación multifísica muy potentes como alternativa a los prototipos físicos para predecir el rendimiento acústico del altavoz y para reducir el número de fases de producción necesarias..

Solución:

La simulación mutifísica propia de USOUND, implementada en la herramienta comercial COMSOL Multiphysics, se utilizó para predecir el nivel se presión acústica producido (SPL, por sus siglas en inglés). Esta aproximación sufrió algunas restricciones y simplificaciones debido a la limitada potencia de computación disponible. El tiempo de cálculo para este modelo es de 10 a 20 horas, lo que ralentiza el proceso de desarrollo y no permite estudios de desarrollo rápidos, tales como la variación de parámetros. La computación HPC ofrece la posibilidad de utilizar una geometría más detallada sin limitaciones, analizar y considerar pérdidas acústicas con métodos termoviscosos y acelarar los procesos de simulación y desarrollo. La capacidad de computación en clúster, permitida en la herramienta COMSOL Multiphysics, se adaptó para ser llevada a cabo en el sistema clúster del HLRS sobre la interfaz de usuario nativa.

Beneficio:

USOUND es pionero en altavoces MEMS. En el área de micrófonos, donde el tipo MEMS fue introducido en 2003, ya ha reemplazado a los micrófonos tradicionales por completo. USOUND espera que ocurra lo mismo con los mini-altavoces.
Para dirigirse al mercado de las comunicaciones móviles a gran escala, se necesita un mayor desarrollo de tecnología y de producto. El desarrollo de producto de altavoces móviles de próxima generación será un 50% más rápido utilizando los métodos de computación clúster desarrollados en este experimento. Por ello, permitirá a USOUND GMBH ganar participación en el mercado y reaccionar a las necesidades de los consumidores oportunamente.
En el sector creciente de los dispositivos MEMS, las simulaciones multifísicas son obligatorias ya que la evaluación experimental tiene un coste muy elevado. A medida que los dispositivos se hacen más complejos y necesitan rendir en aplicaciones exigentes tales como móviles y otros dispositivos portátiles (wearables), todo tipo de influencia mecánica, eléctrica y térmica deben ser consideradas. Esto conlleva unos modelos de simulación muy demandantes a nivel computacional. Los desarrolladores de MEMS se están acercando a los límites de una terminal de trabajo para simulación convencional. El experimento muestra que para un modelo FEM (Finite Element Method) para MEMS demandante, el clúster computacional COMSOL representa un paso hacia adelante en aumentar la complejidad y reducir los tiempos de computación.
Beneficios:
1. Capacidad de utilizar modelos muy detallados para obtener resultados fiables sin limitaciones.
2. Simulaciones rápidas, que permiten un proceso de desarrollo de producto eficiente.
3. Empleando modelos exactos, se pueden ahorrar 400.000 euros al reducir el número de fases de prototipado de 4 a 2 (una fase está en el orden de 200.000 euros).
4. Un plazo de comercialización típico utilizando prototipos físicos es 3.5 años. Utilizando simulaciones basadas en HPC este período se reduce a 1.5 años.

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