Cluster Mikrosystemtechnik
Die mit den Methoden der gedruckten Elektronik realisierten Schaltungsträger sind oft auf Substratmaterialien hergestellt, die eine relativ schlechte Temperaturstabilität aufweisen und nicht dem Standardlötprozess unterzogen werden können. Um elektrische Verbindungen auf solchen Leiterplatten zu erstellen, müssen die Montageprozesse angepasst werden. Im Beitrag werden drei Methoden der elektrischen Kontaktierung – mittels isotroper und anisotroper Klebstoffe sowie des Lötens – anhand der im Labor für elektronische Hybridschaltungen der Hochschule Landshut hergestellten Demonstratoren gegenübergestellt. Es werden die Daten zur Auswahl des Substratmaterials und der Siebdruckpasten aufgeführt sowie die eingesetzten Verbindungsmaterialen angegeben. Die Testergebnisse zur Stabilität gedruckter Strukturen im Klebeprozess werden gezeigt sowie die Ergebnisse der Untersuchungen zur Lötbarkeit einiger Siebdruckpasten auf Silber- und Kupferbasis unter Einsatz von Niedertemperaturlotlegierungen vorgestellt.
Ein Ziel bei der Herstellung von Conformable Electronics ist die immer zunehmende Miniaturisierung. Ein Ansatz ist die direkte Bestückung der gedruckten Elektronik mit SMD Bauteilen. Innerhalb dieses Herstellungsprozesses müssen die Bauteile jedoch großen Belastungen standhalten.
Für diese Studie werden Null Ohm SMD-Widerstände unterschiedlicher Größe mittels Leitkleber auf PC/PBT-Folie appliziert und anschließend mittels High-Pressure Forming Prozess verformt. Die Bauteile befinden sich in Bereichen mit unterschiedlicher lokaler Dehnung. In dieser Untersuchung werden die Einflüsse des Hinterspritzens bei unterschiedlichen Prozessparametern auf verformten Folien mit Bauelementen der Größe 0603 und ebenen Bauteilen der Größe 0805 untersucht. Betrachtet wird in dieser Studie der Einfluss der Schmelzetemperatur und der Einspritzgeschwindigkeit.
Es erfolgt eine elektrische Auswertung bezüglich Ausfall und Widerstandsänderung hinsichtlich Lage und Dehnungsgrad nach dem Hinterspritzen. Die aufgeklebten Komponenten wurden in Bereichen verschiedener lokaler Verformungen positioniert. Die Ausrichtung der Bauelemente ist alternierend in und quer zur Schmelzerichtung erfolgt. Zur Beurteilung des Einflusses wurden verschiedene Einspritzgeschwindigkeiten ausgewertet. Elektrische Komponenten können in Bereichen bis zu 15 % Dehnung aufgebracht werden, ohne dass diese Beschädigung erfahren.
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.
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.
Im Projekt „Smart Foil Display“ wird an der Hochschule Landshut ein Anzeigesystem mit einem leuchtenden flexiblen gedruckten Display entwickelt, das per Bluetooth Low Energy angesteuert werden kann. Die Hauptzielrichtung des Systems ist die Erhöhung der Verkehrssicherheit von Fußgängern, Fahrradfahrern oder Skatern während der dunkleren Tageszeit.
Seit März 2019 läuft die Feldtestphase, in der sowohl die Stabilität der technischen Funktionalität und die Zuverlässigkeit der eingesetzten technologischen Lösungen als auch die Reaktionen bzw. Akzeptanz gegenüber dem System in der Bevölkerung untersucht werden sollen. Die Dauer der ersten Feldtestphase wurde auf ein Jahr festgelegt. Als Testobjekte dienen Jacken mit einem oder zwei eingebauten Displays, die von Probanden in der gleichen Weise getragen werden sollen wie gewöhnliche Kleidungsstücke.
Im Beitrag werden zum einen die Details zur Implementierung von Smart Foil Displays für die Feldtestmuster erläutert. Zum anderen werden die Zwischenergebnisse der Feldtests vorgestellt, die festgestellten technischen Probleme dargelegt und die ausgearbeiteten Lösungen präsentiert. Des Weiteren wird die über mehrere Monate im Dauereinsatz gemessene Entwicklung der Displayintensität dargestellt, die eine Aussage über die maximale praktische Lebensdauer der Displaysysteme erlaubt.
Der Beitrag betrachtet die Anwendbarkeit einer Tiefziehsoftware für die Simulation von Hochdruck-Umformprozessen. Das Hochdruckumformen ist eine Sonderform des Thermoformens, bei welcher mit höheren Umformdrücken, aber geringeren Substrattemperaturen gearbeitet wird. In herkömmlichen Thermoformprozessen werden die zu verformenden Substrate auf Temperaturen deutlich oberhalb der Glasübergangstemperatur geheizt, um diese mittels Vakuumtiefziehen auf ein einseitiges Werkzeug ziehen zu können. Für diese Prozessvariante werden Softwaretools bereits angewendet. Unter gezielter Anpassung der Prozessparameter kann die Software T-Sim für das Hochdruck-Umformen verwendet werden. Im vorgelegten Beitrag wird untersucht, wie sich die Software für die Anwendung bei bedruckten Foliensubstraten eignet. Die Software wurde eingesetzt um besonders beanspruchte Bereiche zu lokalisieren und die Bedruckung und Bestückung anzupassen. Zusätzlich wurde untersucht, inwieweit sich die Simulation dazu eignet, Prozessparameter für die Umformung in Hinblick auf die applizierten Leiterzüge auszuloten. Im Vergleich mit realen Prozessen konnte die prinzipielle Eignung bestätigt werden.
Optimierung des Systemverhaltens eines Axialflussmaschinenantriebs durch Rotorgeometrieanpassung
(2020)
Axialflussmaschinen bieten mit ihrer planaren Geometrie die Möglichkeit, ein einfach herstellbares und gut skalierbares Maschinenkonzept zu realisieren, das gleichzeitig eine hohe Drehmomentausbeute bei kompakter Bauweise ermöglicht. Gerade bei geringen Stückzahlen und speziellen Einsatzgebieten, die eine Anpassentwicklung erfordern, ist das von Vorteil. An der Hochschule Landshut wurde in diesem Kontext ein neues Maschinenkonzept mit dem Namen „AxMDM“ entwickelt und patentiert. Besonderheit ist der Einsatz von U-Kernblechen für den Statoreisenkreis, was einen modularen und leicht skalierbaren Aufbau ermöglicht. Durch Anpassung der Geometrie des scheibenförmigen Rotors kann darüber hinaus das Betriebsverhalten des Antriebssystems optimiert werden, so zum Beispiel in Bezug auf gute Feldschwächbarkeit, den Einsatz als langsamdrehender Direktantrieb mit hohem spezifischen Drehmoment oder als schnelldrehende Variante, wobei jeweils entsprechende Vor- und Nachteile abzuwägen und Steuerverfahren bzw. die Reglerkonfiguration anzupassen sind.
Der zweifach ausgezeichnete TOP100 Innovator Deutschlands, die Silver Atena GmbH, entwickelte zusammen mit dem Partner RAPA die innovative Komponente für das derzeit beste aktive Fahrwerk der Welt. Es verbindet höchste Agilität und Fahrkomfort indem es individuell an jedem Rad die Feder- und Dämpferkräfte regelt. Notwendig hierfür ist das hochperformante Zusammenspiel von Hydraulik, Mechanik und Elektronik.
Die hochintegrierte Motor-Pumpen-Einheit (MPE), der sogenannte „Intelligent eQUALIZER“, wurde 2018 mit dem „Daimler Special Award for Innovation“ ausgezeichnet. Der Intelligent eQUALIZER besteht aus einer Innenzahnradhydraulikpumpe, einer permanenterregten Synchronmaschine (PMSM) sowie einem 48 V, 3,5 kW Steuergerät inklusive Software und hochdynamischer Regelung. Die Hauptherausforderung lag in sehr hohen Anforderungen hinsichtlich Bauraum, Stabilität, Leistung und Dynamik. In diesem Beitrag wird speziell auf die Elektronik und die Regelung der PMSM eingegangen.
Die Elektronik des Intelligent eQUALIZER besteht aus einer Leistungs- und einer Rechnerplatine. Beide Platinen sind bauraumoptimiert über einen Spritzgussträger verbunden. Zur Erfassung der Ist-Lage des Rotors dient ein Rotor-Positionssensor. Daneben stellt die Elektronik zahlreiche Zustandsgrößen der MPE über einen CANBus zur Verfügung. Die integrierten Überwachungs- und Diagnosefunktionen ermöglichen größtmögliche Funktionssicherheit, so dass das Gesamtsystem mit ASIL-C entsprechend ISO 26262 bewertet ist.
Die größten Herausforderungen für die Regelung sind die auftretende Drehzahldynamik und Leistungsbeschränkungen durch Vorgaben des Bordnetzes. Ersteres tritt auf, da Einwirkungen der Fahrbahn auf das Fahrwerk sehr kurzfristig und hochdynamisch erfolgen. Letzteres, da der Intelligent eQUALIZER im Gesamtsystem Auto nur einen Nebenverbraucher darstellt. Zur Regelung des Fahrkomforts wird die PMSM im Vierquadrantenbetrieb mit der Möglichkeit zur Rückspeisung in die Batterie mit einer feldorientieren Regelung in Feldschwächung mit Raumzeigermodulation betrieben. Der Fahrkomfortregelung ist eine hochdynamische Leistungslimitierungsregelung überlagert.
Within the scope of this project, a portable measuring device has been developed which enables a cost-effective analysis of organic substances from ppm to sub-ppm range, such as drug residues in groundwater. The measurement is carried out by means of a surface-enhanced Raman scattering effect (SERS effect) and an exchangeable sensor head. The sensor head used is a nanostructured optical glass fiber glued into a fiber cannula. The tip of the fiber has been processed to act as a SERS cell. The fiber cannula is connected to a freely movable patch cable by using an adapter. Para-thiocresol is used to characterize the SERS cells.
Das Messprinzip der Atomlagenthermosäule (Atomic Layer Thermopile = ALTP) ermöglicht Wandwärmestrommessungen mit einer außergewöhnlich hohen Frequenzauflösung bis in den MHz-Bereich (Ansprechzeit ca. 1 μs). In diesem Beitrag wird die Entwicklung eines Sensormoduls zur Anwendung der ALTP in verbrennungsmotorischen Untersuchungen vorgestellt. Notwendige Kühlsysteme für das Sensormodul, basierend auf einer konvektiven Prallkühlung und einem geschlossenen System mit Wärmerohren, sind für Langzeitmessungen entwickelt worden. Abschließend wird ein Belastungsprüfstand und der Versuchsablauf für Sensormodultests inklusive Kühlsystemen vorgestellt.