Technológiai folyamatmodellezés

A tantárgy angol neve: Modelling of Technology Processes

Adatlap utolsó módosítása: 2019. január 8.

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Villamosmérnöki és Informatikai Kar

Villamosmérnök Szak MSc képzés
Mikroelektronika és Elektronikai Technológia főspecializáció

Tantárgykód Szemeszter Követelmények Kredit Tantárgyfélév
VIETMA01 2 2/1/0/v 4  
3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Dr. Illés Balázs György,
4. A tantárgy előadója

Név:

Beosztás:

Tanszék, Int.:

Dr. Illés Balázs

egyetemi docens

Elektronikai Technológia Tsz

Hurtony Tamás

adjunktus

Elektronikai Technológia Tsz

5. A tantárgy az alábbi témakörök ismeretére épít Matematika, Fizika, Elektronikai technológia és Anyagtudomány
6. Előtanulmányi rend
Kötelező:
NEM ( TárgyEredmény( "BMEVIETM241" , "jegy" , _ ) >= 2
VAGY
TárgyEredmény("BMEVIETM241", "FELVETEL", AktualisFelev()) > 0)

A fenti forma a Neptun sajátja, ezen technikai okokból nem változtattunk.

A kötelező előtanulmányi rendek grafikus formában itt láthatók.

Ajánlott:
-
7. A tantárgy célkitűzése

A tantárgy célja használható, kreatív tudás átadása a hallgatóknak az elektronikai technológiában leggyakrabban előforduló fizikai, kémiai, fizikai-kémiai, elektrokémiai jelenségek modellezésének és szimulációjának területén. Megismerteti a hallgatókkal a hasonlóságelmélet, a modellezés, valamint a modellezés és szimuláció matematikai alapjait, történetét és kapcsolatát a természetes emberi gondolkodással, ezáltal jelentős mértékben fejleszti a modellalkotási, elvonatkoztatási készséget. Betekintést ad a különböző hatékony számítógépes szimulációs módszerekbe, beleértve a soft-computing módszereket is. Részletesen – a matematikai alapok részletezésével és az elektroniakai technológia gyártási folyamataiból vett szemléltető példák segítségével – bemutatja a különböző természeti jelenségek megjelenését a technológiában, ezáltal a korábban elsajátított elméleti tudás jobb megértését, elmélyítését segíti elő. A tantárgy további célja a hallgatók modellezési készségének és a modellezés és szimuláció segítségével történő probléma-megoldási készségének fejlesztése valós modellezési problémák bemutatásának segítségével. A hallgatók ilyen módon elsajátítják az elektronikai gyártásban előforduló – méréssel vagy más gyakorlati úton nem felderíthető – problémák megoldását, kezelését.

A tantárgy követelményeit eredményesen teljesítő hallgatóktól elvárható, hogy:

  • legyenek tisztában a modellezés és szimuláció alapvető fogalmaival, céljaival,
  • legyenek tisztában a hasonlóságelmélet alapjaival,
  • áttekintésük legyen a modellek csoportosításáról, a szimulációk fajtáiról, a hatékony szimulációs eszközökről,
  • képesek legyenek az elektronikai technológiában előforduló egyes fizikai, kémiai jelenségek modelljét felállítani,
  • legyenek tisztában a tárgyalt természeti jelenségek leírásához szükséges matematikai alapokkal,
  • ismerjék a tárgyalt jelenségek fizikai alapjait,
  • ismerjék és alkalmazni tudják a tárgyalt numerikus módszereket,
  • áttekintésük legyen a modern és hatékony célszoftverekről,
  • legyenek tisztában a modellezés és szimuláció céljaival és szerepével az elektronikai technológia területén,
  • legyenek képesek modell készítésére egyszerűbb – az elektronikai gyártásból vett –  valós problémákról, valamint legyenek képesek a szimulációs eredmények felhasználására a problémamegoldásban és paraméterek optimalizálásában.

 

8. A tantárgy részletes tematikája

Bevezetés a modellezésbe:

A modellezés alapjainak bemutatása, története. Alapfogalmak. Bevezetés a modellezésbe: a modellezés fogalma, célja, kapcsolata a természetes emberi gondolkodással. A hasonlóság, hasonlósági reláció fogalma, szerepe a gondolkodásban. A modellezés fejlődése, betekintés a modern modellezésbe és szimulációba. Modellek csoportosítása több szempont szerint, a gyártási folyamatok modellezésének elhelyezése.

A modellalkotás folyamata:

A modellalkotás folyamata, annak részletei, nehézségei, buktatói. A modellalkotás folyamatának, lépéseinek részletes bemutatása. A probléma felismerése, megfogalmazása. A kiemelés és elvonatkoztatás fontosságának bemutatása. Szimulációk fajtái, elméleti leírásuk. A megoldás folyamatának részletei: direkt, indirekt, induktív megoldás. Példák az elektronikai technológia folyamataiból: egy valós probléma rendkívül komplex és összetett – a megfelelő részletek kiemelésének bemutatása, a hallgatók ezen elvonatkoztató képességének fejlesztése, a modellek felállításának bemutatása.

Matematikai és fizikai alapok:

Az elektronikai technológiában megjelenő természeti jelenségek matematikai és fizikai alapjai.

Matematikai alapok: a matematikai leírás és ennek részei. Numerikusszámítások (differenciálás, integrálás). Lineáris és nem lineáris egyenletek megoldása. A matematikai modell megoldásának folyamata analitikus, numerikus és kísérleti esetben. Differenciálegyenletek szerepe, fajtái, bemutatása (szemléletesen, a technológia folyamatianak gyakorlati példáin keresztül). Modellek csoportosítása a leíró differenciálegyenletek szerint.  A szimuláció gyakorlati lehetőségeinek bemutatása. Számítógépes szimuláció fogalma. Számítógépes modellezés típusai és azok matematikai alapjai: véges differencia, véges elem, neurális háló stb. A különböző módszerek előnyei és hátrányai. Számítógépes modell létrehozásának menete. Kapcsolat a numerikus leírás és a valóság között, az egyes megoldások hibái, stabilitása. Az egyes megoldások alkalmazhatósága a technológiai folyamatok modellezésre.

Fizikai alapok: fizikai, kémiai, fizikai-kémiai és elektrokémiai törvények, összefüggések megjelenése a technológiai folyamatokban. A fizikai törvények leírása differenciálegyenletekkel, szemléltető példák. Valós folyamatok, rendszerek: több jelenség egyidejű megjelenése, a törvények „egymásba kapcsolódása”. Gyakorlati példák kapcsolt folyamatokra a technológiai gyártásból: hőterjedés-termomechanika, hővezetés-diffúzió, gázok áramlása-hőterjedés, stb.

Modellezési példák magas szintű programozási nyelveken:

A már megismert elméleti alapok, numerikus módszerek elmélyítése saját programok írásával

Egyszerű modellek implementálásának folyamata (C nyelven, illetve Matlab környezetben), az elsajátított elméleti alapok gyakorlati felhasználása. Saját fejlesztésű programok implementálása azokra a speciális gyakorlati esetekre, amelyeknél a célszoftverek nem használhatóak. Szimulációk futtatása, szimulációs eredmények értelmezése, értékelése. A célszoftverek és a saját fejlesztésű programok összevetése gyakorlati példákon keresztül: a megfelelő megoldás kiválasztásának szempontjai.

Modellezés célszoftverek segítségével:

A  modern, hatékony modellező célszoftverek megismerése. A technológia folyamatainak vizsgálatára alkalmas modellek készítésének folyamata célszoftverek segítségével. Az egyes szoftverek előnyeinek, hátrányainak, alkalmazási körének bemutatása. Matlab PDE toolbox, Simulink, Femlab (Comsol Multiphysics), freeware szoftverek. A megfelelő modellezőeszköz kiválasztásáank szempontjai a valós gyártási problémák hatékony, gyors megoldásához. Szimulációk futtatása, az eredmények értelmezése, kiértékelése.

 

Előadások heti bontásban (14. db):

1. Bevezetés, modellezés elmélete 

2. Matematikai és fizikai alapok: Mechanika, termo mechanika

3. Matematikai és fizikai alapok: Hőterjedés, diffúzió

4. Matematikai és fizikai alapok: Áramkörök modellezése

5. Matematikai és fizikai alapok: Gázok áramlása 1. (Lamináris áramlás)

6. Matematikai és fizikai alapok: Gázok áramlása 2. (Turbulens áramlás, k-e modell)

7. Numerikus módszerek matematikai alapjai 1: Lineáris egyenletrendszerek

8. Numerikus módszerek matematikai alapjai 2: Numerikus deriválás 

9. Numerikus módszerek matematikai alapjai 3: Numerikus integrálás

10. Numerikus módszerek matematikai alapjai 4: Differenciálegyenletek megoldása 

11.  Numerikus módszerek matematikai alapjai 5: Parciális differenciál egyenletek 

12. Matematikai és fizikai alapok: Elektromágneses kompatibilitás.

13. Matematikai és fizikai alapok: Megbízhatósági modellezés 

14. Hatékony modellezőeszközök

   

Gyakorlatok heti bontásban (7 db gyakorlat):

A tantárgy jellegéből adódóan a gyakorlatok a félév végén kerülnek megtartásra. Az elektronikai technológiában megjelenő jelenségek modellezése, a modellezés céljainak bemutatása, esettanulmányok

1. gy. MATLAB program megismerése

2. gy. Újraömlesztéses forrasztás, gázok áramlása reflow kemencében

3. gy. Forrasztott kötés kialakulásának mechanizmusa, forrasz meniszkusz képződés

4. gy. Lézeres megmunkálás modellezése: abláció, forrasztás, hegesztés, vágás

5. gy. Anyagbeoldódás modellezése Kinetikus Monte Carlo szimulációval

6. gy. Gőzfázisú forrasztó kemence modellezése MATLAB környezetben 1

7. gy. Gőzfázisú forrasztó kemence modellezése MATLAB környezetben 2 

9. A tantárgy oktatásának módja (előadás, gyakorlat, laboratórium) előadás és gyakorlat
10. Követelmények

A szorgalmi időszakban:

Az aláírás megszerzésének feltétele a kiadott házi feladat sikeres elkészítése, valamint egy zárthelyi dolgozat sikeres teljesítése (8. héten).

A vizsgaidőszakban: A tantárgy szóbeli vizsgával zárul.

11. Pótlási lehetőségek A szorgalmi időszakban és a pótlási héten lehetőséget adunk a nagyzárthelyi egyszeri pótlására.  Pót-pót ZH főszabály szerint nincs.
12. Konzultációs lehetőségek

Igény szerint, az előadókkal és a feladatot kiadó konzulenssel egyeztetett időpontban folyamatosan.

13. Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom

A tantárgy jegyzete: Illés Balázs és Sinkovics Bálint: Technológiai Folyamatmodellezés, BME printer, sz.: 2014

 

További felhasználható irodalmak:

Bernard P. Zeigler, Tag Gon Kim Herbert Praehofer: Theory of modelling and simulation, Academic Press, 2000 (second edition)

Won Young Yang, Wenwu Cao, Tae-Sang Chung, John Morris: Applied Numerical Methods Using MATLAB, Wiley, 2005

Stanley J. Farlow: Partial Differential Equations for Scientists and Engineers, Dover, 1982

David S. Burnett: Finite element analysis, Addison-Wesley, 1988

14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka   

Kontakt óra

42

Készülés előadásokra

10

Készülés gyakorlatokra

8

Készülés laborra

0

Készülés zárthelyire

16

Házi feladat elkészítése

12

Önálló tananyag-feldolgozás

0

Vizsgafelkészülés

32

Összesen

120

15. A tantárgy tematikáját kidolgozta

Név:

Beosztás:

Tanszék, Int.:

Dr. Illés Balázs

egyetemi docens

Elektronikai Technológia Tsz