Cluster Mikrosystemtechnik
Energieeffizienz – Einsparpotenziale erkennen – CO2-Emissionen erfassen und reduzieren zu können. Das war bereits 2015 Anlass und Initiative der Beteiligten, für die Hochschule Landshut (HAW) ein gebäudebezogenes Energiedatenmanagementsystem (EnMS) zur Erfassung verbrauchsrelevanter Daten auf dem Campus zu planen und mit der Umsetzung zu beginnen. Einer der wichtigsten Anforderungen für ein EnMS war, die unterschiedlichen Energiearten und ihre jeweiligen Verbräuche in den einzelnen Gebäuden der Hochschule zu erfassen. Bis dahin konnte nur der gesamte Energieverbrauch der Hochschule auf Basis der Abrechnungen des Energieversorgers beziffert werden. Die Daten des Campus wurden bis dahin meist noch händisch erfasst, vereinzelt gab es eine eingeschränkte automatische Erfassung. Insgesamt führte das zu einer asynchronen zeit- und personalintensiven Datenerfassung an den bis dahin existierenden Messstellen. Um die Daten analysieren und bewerten zu können, müssten sie zusammengefasst und abgespeichert werden können. Mit dem Team ist es gelungen, eine automatisierte und synchrone Erfassung der an der Hochschule anfallenden Energie- und anderer für Energieverbräuche relevanten Daten wie Wasserverbräuche und Wetterdaten aufzubauen.
In dem mittlerweile existierenden Reallabor werden gebäudeweise sämtliche verbrauchsrelevanten Daten, mit rund 100 Messstellen auf dem Hauptcampus, erfasst. Die Messwerte werden im Viertelstundentakt ausgelesen. Ziel unseres Projektes ist der Aufbau eines herstellerunabhängigen EnMS, das sowohl für den technischen Dienst als auch für die Lehre, Forschung und Entwicklung genutzt werden kann. Als eine der ersten Hochschulen – wenn nicht sogar als erste Hochschule – in Bayern wird hier ein derartiges EnMS in dieser umfassenden Ausbaustufe und Projektkonstellation betrieben.
In Verpackungs- und Abfüllanlagen im Lebensmittel- und Pharmabereich spielt der Verwiegeprozess eine exponierte Rolle: Er ist unverzichtbar und stellt bezüglich der Taktzeiten häufig den Flaschenhals dar. Gerade im Pharmabereich sind jedoch auch die Anforderungen bezüglich Auflösung und Reproduzierbarkeit so streng, dass als mögliches Wägemodul häufig nur EMK-Waagen (Elektromagnetisch kraftkompensierte Waagen) infrage kommen. Den Anforderungen nach Auflösung und Reproduzierbarkeit werden diese Waagen spielend gerecht, jedoch zu Lasten der Messzeit.
Um dieses Spannungsfeld zu überwinden, genügt es im Entwicklungsprozess nicht, die einzelnen Komponenten dieses hochgradig mechatronischen Systems zu optimieren – die Komponenten müssen aufeinander abgestimmt und das Gesamtsystem als solches optimiert werden. Hierzu liefert eine Systemsimulation ein wertvolles Hilfsmittel. Sie erlaubt es, unterschiedliche Modelltypen mit verschiedenen Abstraktionsgraden miteinander zu verknüpfen und so für jede Komponente die Detailtiefe zur Verfügung zu stellen, die für die Optimierung benötigt wird und trotzdem schnell laufende Modelle zu erzeugen. Hier wird die Vorgehensweise zur Modellerstellung und Optimierung anhand des oben skizzierten Beispiels einer EMK-Waage beleuchtet.
Die stetig steigenden Anforderungen in Bezug auf die Leistungsdichte und Zuverlässigkeit von leistungselektronischen Modulen macht das Packaging zu einer immer größer werdenden Herausforderung. Durch den Einsatz von anorganischen Materialien (Zement) und das Erschließen neuer thermischer Pfade lassen sich völlig neuartige Modulkonzepte realisieren. In einer grundlegenden Untersuchung wird das leistungselektronische System und die geometrische Auslegung des Moduls diskutiert und analysiert. Das Ergebnis ist ein dreidimensionaler, flächenzentrierter Modulkörper mit implementierter Wasserkühlung. Dieses dreiseitige Modul ist so ausgelegt, dass es das thermische Potenzial des Zements optimal nutzen kann. Eine Reduzierung des Rth,ja um 25 % ist via thermischer Simulationen ermittelt worden. Das Simulationsmodell wurde anhand einer Rth-Messung verifiziert. Durch die effizientere Kühlung kann eine deutlich höhere Leistungsdichte erzielt werden, ohne die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Moduls zu reduzieren.
Im Rahmen des geförderten Forschungsprojektes moZat wurde in Kooperation mit der Hochschule Landshut ein Messsystem entwickelt, das Strukturschädigungen in CFK-Felgen detektiert und klassifiziert. Dazu werden die Eigenschaften von Lamb-Wellen genutzt, die durch reversibel angekoppelten Piezoelemente in die CFK-Struktur eingeleitet und gemessen werden. Lamb-Wellen breiten sich in plattenförmigen Strukturen aus und interagieren mit Fehlstellen, z.B. Delaminationen, in Form von Modenkonversionen. Durch Auswertung der Signale im Sensornetzwerk ist es möglich, auf Modenkonversionen bzw. Schädigungen zurückzuschließen und diese genauer zu spezifizieren. Hierzu werden aus den gefilterten und transformierten Sensorsignalen schadensrelevante Merkmale extrahiert und kombiniert mittels Neuronaler Netze klassifiziert.
Glatte, geschlossene Schaltoberflächen, flexibel und frei verformbar, werden in modernen Bedienoberflächen in Fahrzeugen, aber auch in Maschinenbedienelementen mit hohen Hygieneansprüchen gefordert. Touchpads erfüllen nur einen Teil dieser Anforderungen, insbesondere da sie kaum haptisches Feedback bieten können. Multifunktionale Sensoren auf Basis von neuartigen intelligenten Materialien erlauben es, „unsichtbare“ Schalter und Drucksensoren, die auf Näherung und Berührung reagieren, zu kombinieren.
Je nach Oberflächenanforderung gibt es zwei mögliche Arten der Realisierung. Dielektrische Elastomersensoren (DES) sind kapazitive Sensoren auf Basis von Silikon. Sie bestehen aus stark dehnbaren Sensorfolien, die als kombinierte Druck-, Dehnungs- und Näherungssensoren zur Integration in flexible, gedehnte und weiche Strukturen (z.B. Sitzflächen, Roboterbezüge) eingesetzt werden können. Schaltflächen, die hohen mechanischen und chemischen Einflüssen ausgesetzt sind, können durch piezoelektrische Dünnschichten auf Edelstahlsubstraten als Näherungsund hochempfindliche Drucksensoren realisiert werden. Sie sind extrem flexibel, dünn (0,02 - 0,2 mm), korrosionsstabil und lassen sich direkt als Edelstahlblenden (z.B. Maschinenbedienelemente) mit Sensorfunktion verwenden. Durch die Ergänzung der sensorischen Funktionen mit einer integrierbaren Aktorik kann ein haptisches Feedback erreicht werden. Magnetorheologische Elastomere bestehen aus mit ferromagnetischen Partikeln gefüllten Silikonen, die auf ein äußeres Magnetfeld durch Formänderung oder Änderung der Steifigkeit reagieren. Durch Kombination von kapazitiver Näherungssensorik mit Druckschaltern und krafterzeugenden Elementen lassen sich mit intelligenten Materialien neuartige multifunktionale Schaltelemente sehr dünn, flexibel, elastisch, weitgehend frei formbar und kostengünstig herstellen.
Für e-textiles Anwendungen wie z.B. für Heizflächen, zur Vitaldatenerfassung, zum Ergonomiemonitoring, Beleuchtungen oder für innovative Bedienkonzepte sind textilintegrierte Sensoren und textilkonforme elektronische Bauteile essentiell. Daraus entstehen große Anforderungen bzgl. Tragekomfort, Waschbarkeit, Designfreiheit, Signalstabilität und kostengünstiger Herstellprozesse.
Silicon bietet eine hohe Dehnbarkeit, extrem hohe chemische und mechanische Robustheit und ist damit ideal geeignet zur Integration in dehnbare Textilien. Druck-/Dehnungssensoren, Heizflächen oder Elektroden, die am Fraunhofer ISC hergestellt wurden, lassen sich mittels etablierten Textil-Drucktechniken oder mit Klebeverfahren in unterschiedlichste Bekleidungen und technische Textilien einarbeiten.
Antennen und Signalleitungen in Textilien lassen sich durch Stick- und Stricktechniken realisieren. Schwieriger wird die Verbindung zwischen elektronischen Baugruppen. Konventionelle Kontaktierungsmethoden für e-textiles wie Druckknöpfe, Leitkleber, Crimpen, Löten, Sticken oder Nähen erzeugen oft Probleme wie verminderte Leitfähigkeit, geringe mechanische Zuverlässigkeit sowie ungenügende Waschbarkeit.
Die am Fraunhofer IZM entwickelte Klebetechnologie bietet große Vorteile textile Substrate und elektronische Module in einem Schritt mechanisch und elektrisch zuverlässig miteinander zu verbinden. Die gebondeten Kontakte zeigen sehr gute Zuverlässigkeit bei zyklischer Temperatur- und Feuchtigkeitsbelastung sowie nach der Waschreinigung. Während des non-conductive adhesive (NCA)-Bondprozesses schmelzen der nichtleitende Klebstoff und die optionale thermoplastische Drahtisolierung und werden von den Kontaktstellen weggedrückt. Nach dem Abkühlen härtet der Klebstoff aus und die Module werden in einem Schritt mechanisch und elektrisch verbunden. Im Gegensatz zum Flip-Chip-Lötverfahren ist das Hinzufügen eines Underfills nicht notwendig, da die bereits am Prozess beteiligten Klebstoffe auch diese Funktion übernehmen. Mit der Bonding-Technologie lassen sich verschiedenste textilintegrierte Schaltungen kontaktieren: gestickte, gewebte, gestrickte oder textilbasierte Schaltungen, auch mit (thermoplastischer) Isolierung.
Am Beispiel des BMBF-Projekts „TheraTex“ wird zur therapeutischen Unterstützung von Hemiparese-Patienten ein multisensorisches e-textiles Kleidungsstück entwickelt, das auf SmartIMU-Modulen (IMU = inertial measurement unit) und DES-Sensoren (DES = Dielektrische Elastomer Sensoren) basiert, die mittels NCA-Bonding auf einem textilen Leiterbus kontaktiert und somit in das Textil integriert wurden. Die (mikro-)elektronische Datenverarbeitung und Signalinterpretation erlaubt Aussagen über muskuläre Beanspruchungen und zur Haltung/Bewegung.
Auf dem Weg zu Industrie 4.0 entwickeln sich zunehmend Applikationen für Stromversorgungen mit digital konfigurierbarer Regelung und Betriebsdatenerfassung. Durch eine Analyse der Betriebsdaten kann eine Überwachung der Stromversorgung und eines angeschlossenen Verbrauchers realisiert werden. Dadurch können die Zuverlässigkeit des Systems und die Wartungsplanung optimiert werden. Des Weiteren erhöht die Einstellbarkeit der Stromversorgungen die Flexibilität, welche beispielsweise bei Batterieapplikationen benötigt wird. Bei einer Stromversorgung mit digital konfigurierbarer Regelung wird der Controller für den Wandler mit einem Mikrocontroller realisiert, der analoge Komponenten zur Regelung enthält. Hiermit kann eine Voltage-Mode Regelung sowie eine Current-Mode Regelung umgesetzt werden. Die Current-Mode Regelung ist für den Einsatz bei PoLWandler (Point of Load) aufgrund der Regeleigenschaften und des Überstromschutzes vorteilhafter. Die Schutzfunktionen können beim hybriden Konzept analog oder digital realisiert werden. Während der Kurzschlussschutz analog mit einem Komparator umgesetzt wird, können die weniger kritische Über- und Unterspannungsabschaltung auch softwareseitig ausgelöst werden.
Bei Stromversorgungen wird zur Auslegung und Verifikation der Regelung üblicherweise das Frequenzkennlinienverfahren angewendet. Hierbei kann das mathematische Modell für die Regelstrecke durch eine Messung an der realen Schaltung ersetzt werden. Durch die Verwendung der Messung werden sämtliche parasitären Effekte berücksichtigt, weshalb die Regeleigenschaften exakt eingestellt werden können. Dies ist notwendig, um bei der Versorgung von taktenden Lasten über den gesamten Arbeitsbereich eine ausreichende Regelgeschwindigkeit und Stabilität sicherzustellen.
Ziel des Sens-o-Spheres-Projektes ist die Entwicklung eines Messsystems zur durchgängigen Erfassung verschiedener Prozessparameter in Bioreaktoren. Zur Prozessüberwachung, -regelung und -optimierung in Bioreaktoren sollen die Temperatur, der pH-Wert und der Gehalt an gelöstem Sauerstoff innerhalb des Reaktors ortsaufgelöst erfasst werden. Dazu werden miniaturisierte Sensoren verwendet, die im Bioreaktor verteilt sind und die erfassten Messdaten drahtlos an eine Basisstation übertragen. Die im Beitrag beschriebenen Sensoren befinden sich in kleinen Kunststoffkugeln (d < 9 mm), die neben den eigentlichen Sensoren auch noch jeweils einen Mikrocontroller zur Datenauswertung, einen Transceiver zur Datenübertragung sowie die Stromversorgung in Form eines Akkumulators plus Ladeelektronik beinhalten. Die Ladung des Akkus erfolgt (außerhalb des Bioreaktors) kontaktlos über eine Induktionsspule, die in die Kugel integriert ist. Diese Induktionsspule bildet zusammen mit einer zusätzlichen Kapazität einen Schwingkreis, der auf 13,56 MHz abgestimmt ist. Beim Einsatz im Bioreaktor dient dieser Schwingkreis der Erzeugung eines Backscatter-Signals, welches die Ortung der Kugel ermöglicht, wodurch jedem Messwert eine Ortsinformation innerhalb des Bioreaktors zugeordnet werden kann. Die Messwerte werden in regelmäßigen Zeitintervallen erfasst und drahtlos an eine Basisstation übertragen, wo sie dann dokumentiert und ausgewertet werden. Es sind 3 Typen von Sensorkugeln geplant:
- Sensorkugeln zur Temperaturmessung
- Sensorkugeln zur Temperatur- und pH-Wertmessung
- Sensorkugeln zur Temperaturmessung und Messung des gelösten Sauerstoffs
Besondere Herausforderungen bei der Entwicklung der Sensorkugeln stellen die Miniaturisierung der Elektronik sowie die Minimierung des Stromverbrauchs dar.
Aufgrund der immer weiter anwachsenden Vernetzung der Stromnetze wird die Kommunikation zwischen der Leitstelle des Energieversorgers und den Infrastrukturkomponenten innerhalb eines Umspannwerks immer bedeutsamer. Dabei werden sowohl Steuerbefehle als auch Daten für Überwachungsfunktionen übertragen. In den aktuellen Netzwerkarchitekturen findet diese Kommunikation ohne eine kryptografische Absicherung statt, was einen Angriffspunkt für gezielte Attacken und damit eine potenzielle Gefährdung der Energieversorgung darstellt. Um solchen Angriffen in Zukunft entgegenzuwirken, wird das ES³M-Sicherheitsmodul entwickelt. Dieses soll in das Netzwerk zwischen den beiden Kommunikationspartnern eingesetzt werden und so den Datenverkehr absichern. Mithilfe einer Bedrohungsanalyse wurden Anforderungen abgeleitet, die neben kryptografischen Maßnahmen auch Themen wie funktionale Sicherheit und Langlebigkeit umfassen. Um diese zu erfüllen, wurde eine spezielle Systemarchitektur auf Basis einer Aufgabenteilung entworfen. Diese Architektur und korrespondierende Designentscheidungen werden präsentiert.
The user interface of automation systems can sometimes be ambiguous and difficult to correlate with the right components of the system located in the real environment. In addition, inexperienced personnel is required to go through large documentation reports, to call an expert on site or even to require training in order to solve an issue. As such, this could be costly and inefficient for small and medium sized enterprises (SME). Here we show that an augmented reality (AR) based user interface can ease the interaction of a user/worker with a machine. In addition, by projecting virtual information on an image stream from a camera, the interaction between them can become more intuitive. Furthermore, we compare two kinds of devices which can be used with augmented reality – a head-mounted device and a hand-held device. Our results demonstrate that the user is able to understand faster the current system and interact with it without requiring any professional experience. Finally, we expect to expand our application to interact with more complex and large systems and enhanced features in respect with the user interface.