Cluster Mikrosystemtechnik
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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.
Die zunehmende Digitalisierung nahezu aller Lebensbereiche erfordert die vernetzte Bereitstellung enormer Datenmengen. In diesem Zusammenhang nehmen die Anzahl lokal genutzter Sensoren und das zu übertragende Datenvolumen drastisch zu. Dabei spielen Themen wie die Sicherheit im Sinne der Integrität sowie der Verfügbarkeit der erfassten Daten eine entscheidende Rolle zur Gewährleistung der gewünschten Funktionalität in der geforderten Qualität. Ein oft unterschätzter, aber wesentlicher Teil dieser Entwicklung ist eine leistungsfähige und effiziente Datenvorverarbeitung. Häufig ist die Übertragung lokaler Sensorrohdaten an Steuerrechner bzw. „Big Data“-Infrastrukturen wenig sinnvoll. Vielmehr ist eine Reduktion der Daten auf die für die weitere Verarbeitung wesentliche Information bereits am Ort der Messung vorteilhaft. Dies schont Übertragungskapazitäten, ermöglicht die Aussortierung nicht valider Daten, die Anonymisierung der Daten bereits am Punkt der Aufnahme und birgt enorme Effizienzpotenziale. Entsprechende Lösungen sind sowohl in Soft- als auch in Hardware umsetzbar. Beides bietet komplementäre Vor- und Nachteile.
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.
Impedanzanalyse von Selbstentladung und Ladezustand an Superkondensatoren und Lithiumionen-Batterien
(2018)
Die frequenzabhängige Kapazität C(ω) zeigt den Ladezustand elektrochemischer Speicher (SoC) an. Die Selbstentladung von Superkondensatoren über 14 Monate folgt einer Exponentialfunktion in zwei Zeitdomänen. Von geringem diagnostischem Wert ist die vom Ladezustand abhängige Krümmung des hochfrequenten Ortskurvenbogens (Durchtrittswiderstand). Bei Lithiumionen-Batterien gilt: U ~ lg Q ~ C.
In der industriellen (Serien-)Fertigung ist der Einsatz optischer Sensoren durch ihre berührungslose, schnelle und flexible Messfähigkeit weit verbreitet. Besonders in harten Produktionsumgebungen, wie der Pressumformung, ist jedoch die Auswahl an geeigneten Messmethoden für eine Inline-Bauteilkontrolle stark begrenzt. Produktionsbedingte Störgrößen aus Sicht des Messsystems wie Schwingungen, Lagetoleranzen und Beölung der zu prüfenden Bauteile nehmen Einfluss auf die erreichbare Genauigkeit der Messung und schließen bestimmte (z.B. vibrationsempfindliche) Verfahren grundsätzlich aus. Am Anwendungsfall des Presswerks der BMW Group in Dingolfing sollen im Rahmen des Automobilbaus blechumgeformte Außenhautteile auf Oberflächen- und Geometrieabweichungen, wie beispielsweise Einschnürungen, inline im Serientakt geprüft werden. Die implementierte Messmethodik basiert dabei auf sog. inverser Streifenprojektion in Kombination mit Einseitenbanddemodulation als Auswertemethode. Dabei genügt eine einzelne Kameraaufnahme zur Auswertung, wodurch der Einfluss von Schwingungen deutlich reduziert wird. Neben der Entwicklung des Messverfahrens sind auch die Systemintegration in die Produktion bzw. Presse sowie die prozesstechnische Integration in die übergeordnete Qualitätsstrategie von zentraler Bedeutung. Erste Inline-Messungen zeigen die prinzipielle Funktionalität der Messmethodik im Fertigungs-Einsatz.
Miniaturisierte Funksensorik bietet ein enormes Potenzial zur Optimierung von Produktionsprozessen. Dabei ist für die Zukunft zu erwarten, dass insbesondere drahtlose Mikrosensorsysteme in verschiedenste Baugruppen eingebettet werden, um sich miteinander sowie mit der Produktions- und Anwendungsumgebung zu vernetzen. Mittlerweile existieren zahlreiche Technologien der 3D-Integration, die einen hohen Miniaturisierungsgrad von drahtloser Mikrosensorik ermöglichen. Das Projekt PCB 4.0 erschließt die Möglichkeiten der Einbetttechnologien für in Leiterplatten integrierte Funksensorschichten und macht neue Entwurfsmethoden für die gesteigerte Designkomplexität in der sicheren Vernetzung mit der peripheren Infrastruktur handhabbar.
Das Ziel des Forschungs- und Entwicklungsvorhabens besteht darin, eine hochintegrierte Funksensorik für die sichere Vernetzung zukünftiger Baugruppen zu entwickeln. Mit Hilfe der Einbetttechnik wird ein bisher noch nicht erreichter Miniaturisierungsgrad der Funksensorik ermöglicht. Durch Festlegung geeigneter Schnittstellen für eingebettete Funktionsschichten sollen Teilkomponenten bereits implementiert und vorgetestet werden, wodurch die Realisierung eingebetteter Funksensorik stark vereinfacht wird. Mit Hilfe eines neuen Entwurfswerkzeugs soll die Auslegung von Industrie 4.0-Baugruppen und der entsprechenden Infrastruktur für die Fertigungsplanung massiv beschleunigt werden. Die neuen Möglichkeiten von Funksensorknoten (FSK) werden anhand exemplarischer Baugruppen in der Produktion und im späteren Einsatz demonstriert.
Der Beitrag erläutert Ergebnisse aus laufenden Forschungsprojekten, die sich mit Sensorik und Aktorik beschäftigen. Die Möglichkeiten für Sensoren und Aktoren gehen dabei über eine einfache kapazitive oder resistive Messung weit hinaus. So dienen Hohlräume und Kanäle in der Leiterplatte zur Leitung von Fluiden und Schaltung von pneumatischen Systemen. Es werden aktuelle und potenzielle Anwendungen präsentiert. Für den Kontakt mit korrosiven Medien werden Strukturen aus reinem Gold auf Leiterplatten erzeugt. Dabei kommen auch medienbeständige Basismaterialien zum Einsatz, die z.B. hohen Säurekonzentrationen widerstehen. Der aktuelle Stand der Forschung wird vorgestellt. Schließlich werden neuartige Aktoren vorgestellt, die nach dem Prinzip der Elektrothermik arbeiten. Diese weisen im mikromechanischen Bereich Vorteile gegenüber anderen Aktorprinzipien auf.
Leiterplattenembedding von Halbleiterbauelementen für die Leistungselektronik – vom Modul zum System
(2018)
Das Einbetten von Halbleiterbauelementen in Leiterplatten ist ein alternativer Ansatz zur Steigerung der Leistungsdichte und Funktionalität von leistungselektronischen Systemen. Diese Arbeit stellt ein neuartiges Verfahren vor, bei dem die Halbleiter nach der Leiterplattenfertigung in Kavitäten eingebettet werden. Die Betriebscharakteristik derartiger Leiterplattenmodule wird systematisch an Hand eines 1200 V / 50 A Demonstrators untersucht. Ein Benchmark mit einem herkömmlichen, kommerziell verfügbaren Leistungsmodul mit identischen Halbleiterbauelementen verdeutlicht die Vorteile der Technologie: die parasitären Widerstände und Induktivitäten des Embedded-Moduls sind gegenüber der Referenz um 86 % bzw. 65 % verringert. Der thermische Widerstand fällt um 29 % niedriger aus. Mit diesen Daten wurde eine theoretische Analyse auf Systemebene durchgeführt, wobei ein 23 kW Antriebsumrichter als Beispielanwendung dient. Alleine durch das Leiterplattenembedding ist eine Steigerung der Ausgangsleistung um 14,5 % möglich. Eingriffe in die Schaltungstechnik sind dazu nicht notwendig.
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.
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.