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Forschungsprojekt »Strukturintegrierte, drahtlose Sensorik/Aktorik im Maschinenbau« (SdSeMa)

Für eine zukünftig selbstorganisierende, Nutzer-zentrierte und bedarfsgesteuerte automatisierten Produktion (Industrie 4.0) bedarf es einer Vielzahl von vernetzten, in die Struktur der Produktionsanlagen integrierter Sensoren und Aktoren. Diese sollten möglichst klein, kompakt und robust sein sowie idealerweise drahtlos kommunizieren. Ein innovativer Ansatz hierfür ist die Funktionsintegration von mikroelektronischen und mikroelektromechanischen (MEMS) Komponenten.

Um eine prozessgesteuerte Zustandsüberwachung an bisher nicht oder nur schwer zugänglichen Positionen von Maschinen und Anlagen realisieren zu können, sind im Maschinenbau neue Herausforderungen zu lösen: Die dafür benötigte Sensorik/Aktorik sowie zugehörige miniaturisierte, vernetzte und energieeffiziente Informations- und Kommunikationstechnik, muss zu maßgeblichen Teilen direkt in die Strukturen von Antrieben oder Werkzeugkomponenten integriert werden.

Hierzu konzipierte, entwickelte und erprobte das Leistungszentrum mit seinen Instituten Fraunhofer ENAS, Fraunhofer IIS-EAS, Fraunhofer IPMS und Fraunhofer IZM-ASSID unter Mitwirkung des Fraunhofer IKTS und des Fraunhofer IWU die Integration von Sensoren und Aktoren in Maschinen am Beispiel eines Kugelgewindetriebes (KGT) durch die Implementierung eines Sensorringes.

In diesem Projekt werden die folgenden Kompetenzen der Forschungspartner für die Entwicklung einer integrierten Sensorik in einem Kugelgewindetrieb zusammen geführt:

  • Systemkonzept (IIS-EAS, IWU und ENAS)
  • Komponenten zur Messdatenerfassung von Temperatur, Kraft, Vibration und Magnetfeld (ENAS)
  • Strukturintegration in ein Ringelement an der Kontaktstelle der Muttern im Kugelgewindetrieb (IWU und ENAS)
  • Messdaten-Logging und -Verarbeitung (IIS-EAS)
  • Drahtlose Kommunikation (IPMS)
  • Thermische und mechanische Modellierung (IKTS, IWU)
  • IoT-Gateway (IPMS) und
  • Vorbereitung der Wafer-Level-basierten Systemintegration (IZM-ASSID).

Forschungsprojekt »Universelle Sensorplattform« (USeP)

Die technologische Entwicklung der Mikroelektronik verläuft immer rasanter, was gerade den Mittelstand als Innovationstreiber z.B. im Maschinenbau vor erhebliche Herausforderungen stellt. Besonders leistungsfähige Produkte, die genau auf die jeweilige Anwendung abgestimmt sind, werden zur Standardanforderung vieler Kunden. Solche »smarten« und vernetzten Sensor- und Aktor-Systeme erfordern spezifische, hochintegrierte technische Lösungen, werden aber oftmals nur in kleineren Stückzahlen benötigt. Kommerzielle »off-the-shelf“ Mikroelektronik-Chips sind hierfür oft nicht ausreichend, spezialisierte Chipentwicklungen in einer klassischen Entwicklungskette hingegen zu langwierig und im Hinblick auf die geringen Stückzahlen auch nicht wirtschaftlich.

Mit diesem Projekt soll dieser Widerspruch überwunden werden. In einem Verbund aus Instituten des Leistungszentrums und einem Industriepartner wird ein für eine Vielzahl von Sensoranwendungen geeigneter Mikroelektronik-Chip als Plattform entwickelt, auf welche vielfältige Sensoren integriert werden können. Dieser Chip übernimmt die Messwertaufnahme, Vorverarbeitung der Messdaten, deren Speicherung sowie Kommunikation nach außen und kann mit unterschiedlichsten physikalischen Sensoren bestückt bzw. kombiniert werden. Durch dieses Plattform-Konzept soll einerseits eine für Verhältnisse der Mikroelektronikindustrie ausreichende Stückzahl sichergestellt werden und andererseits genügend Spielraum für an die jeweiligen Kundenanforderungen angepasste individuelle Sensorlösungen geschaffen werden.

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